Działanie tranzystora w trybie klucza

Aby uprościć historię, możesz sobie wyobrazić tranzystor w postaci rezystora zmiennego. Konstrukcja podstawy to tylko uchwyt, który można przekręcić. W takim przypadku zmienia się rezystancja sekcji kolektor - emiter. Oczywiście nie trzeba przekręcać podstawy, bo może spaść. Oczywiście możliwe jest przyłożenie do niego pewnego napięcia względem emitera.

Jeśli napięcie w ogóle nie zostanie przyłożone, po prostu weź i zamknij wnioski bazy i emitera, nawet jeśli nie są krótkie, ale przez rezystor kilku kiloomów. Okazuje się, że napięcie emitera bazowego (Ube) wynosi zero. W związku z tym nie ma prądu podstawowego. Tranzystor jest zamknięty, prąd kolektora jest pomijalny, tylko ten sam prąd początkowy. Mniej więcej tak samo jak dioda w przeciwnym kierunku! W tym przypadku mówią, że tranzystor jest w pozycji OFF, co w zwykłym języku oznacza, że ​​jest zamknięty lub zablokowany.

Stan przeciwny nazywa się SATURATION. Dzieje się tak, gdy tranzystor jest całkowicie otwarty, więc nie ma już miejsca na dalsze otwieranie. Przy takim stopniu otwarcia rezystancja sekcji kolektor-emiter jest tak mała, że ​​po prostu niemożliwe jest włączenie tranzystora bez obciążenia w obwodzie kolektora, spowoduje to natychmiastowe spalenie. W takim przypadku napięcie resztkowe na kolektorze może wynosić tylko 0,3 ... 0,5 V.

Aby doprowadzić tranzystor do takiego stanu, konieczne jest zapewnienie wystarczająco dużego prądu podstawowego poprzez przyłożenie do niego dużego napięcia Ube względem emitera rzędu 0,6 ... 0,7 V. Tak, w przypadku złącza baza-emiter takie napięcie bez rezystora ograniczającego jest bardzo duże. W końcu charakterystyka wejściowa tranzystora, pokazana na rysunku 1, jest bardzo podobna do bezpośredniego odgałęzienia charakterystyki diody.

Rysunek 1. Charakterystyka wejściowa tranzystora

Te dwa stany - nasycenie i odcięcie - są używane, gdy tranzystor jest w trybie klucza, jak normalny styk przekaźnika. Głównym punktem tego trybu jest to, że mały prąd podstawowy kontroluje duży prąd kolektora, który jest kilkadziesiąt razy większy niż prąd podstawowy. Duży prąd kolektora jest uzyskiwany z zewnętrznego źródła energii, ale nadal wzrost prądu, jak mówią, jest oczywisty. Prosty przykład: mały mikroukład włącza dużą żarówkę!

Aby określić wielkość takiego wzmocnienia tranzystora w trybie kluczowym, stosuje się „wzmocnienie prądu w trybie dużego sygnału”. W katalogach z wskazuje grecka litera β „betta”. Dla prawie wszystkich współczesnych tranzystorów, gdy pracuje w trybie kluczowym, współczynnik ten jest nie mniejszy niż 10 ... 20 β jest określany jako stosunek maksymalnego możliwego prądu kolektora do minimalnego możliwego prądu podstawowego. Rozmiar jest bezwymiarowy, tylko „ile razy”.

β ≥ Ic / Ib

Nawet jeśli prąd podstawowy jest większy niż wymagany, nie ma szczególnych problemów: tranzystor nadal nie będzie mógł otworzyć się więcej. Dlatego jest w trybie nasycenia. Oprócz tradycyjnych tranzystorów, tranzystory Darlington lub kompozytowe są używane do pracy w trybie kluczowym. Ich „super-betta” może osiągnąć 1000 lub więcej razy.

Jak obliczyć tryb pracy kluczowego etapu

Aby nie być całkowicie bezzasadnym, spróbujmy obliczyć tryb działania kaskady klawiszy, której obwód pokazano na rysunku 2.

Rycina 2

Zadanie tej kaskady jest bardzo proste: włączanie i wyłączanie żarówki. Oczywiście obciążenie może być dowolne - cewka przekaźnika, silnik elektryczny, tylko rezystor, ale nigdy nie wiadomo co. Żarówka została pobrana tylko po to, aby eksperyment był jasny, aby go uprościć. Nasze zadanie jest trochę bardziej skomplikowane. Konieczne jest obliczenie wartości rezystora Rb w obwodzie bazowym, aby żarówka spłonęła do pełnego ciepła.

Takie żarówki służą do oświetlania deski rozdzielczej w samochodach domowych, więc znalezienie tego jest łatwe. Tranzystor KT815 z prądem kolektora 1,5A jest całkiem odpowiedni do takiego doświadczenia.

Najciekawsze w całej tej historii jest to, że naprężenia nie są uwzględniane w obliczeniach, o ile warunek β ≥ Ic / Ib jest spełniony. Dlatego żarówka może mieć napięcie robocze 200 V, a obwód podstawowy może być sterowany z mikroprocesorów o napięciu zasilania 5 V. Jeśli tranzystor jest zaprojektowany do pracy z takim napięciem na kolektorze, światło będzie migać bez problemów.

Ale w naszym przykładzie nie oczekuje się żadnych mikroukładów, obwód podstawowy jest sterowany po prostu przez styk, który po prostu dostarcza 5 V. Żarówka na napięcie 12V, prąd pobierany 100mA. Zakłada się, że nasz tranzystor ma β dokładnie 10. Spadek napięcia na złączu baza-emiter wynosi Ube = 0,6 V. Patrz charakterystyka wejściowa na rysunku 1.

Przy takich danych prąd w bazie powinien wynosić Ib = Ik / β = 100/10 = 10 (mA).

Napięcie na rezystorze bazowym Rb będzie wynosić (minus napięcie na złączu baza-emiter) 5 V - Ube = 5 V - 0,6 V = 4,4 V.

Przypominamy prawo Ohma: R = U / I = 4,4 V / 0,01 A = 440 omów. Zgodnie z układem SI zastępujemy napięcie w woltach, prąd w amperach, wynik w omach. Ze standardowej serii wybieramy rezystor o rezystancji 430 Ω. Na podstawie tego obliczenia można uznać za kompletne.

Ale kto uważnie przygląda się obwodowi, może zapytać: „Dlaczego nic nie powiedziano o rezystorze między bazą a emiterem Rbe? Po prostu o nim zapomnieli, czy naprawdę jest potrzebny?

Celem tego rezystora jest niezawodne zamknięcie tranzystora w momencie, gdy przycisk jest otwarty. Faktem jest, że jeśli podstawa „wisi w powietrzu”, efekt wszelkiego rodzaju zakłóceń jest po prostu gwarantowany, szczególnie jeśli drut do przycisku jest wystarczająco długi. Czym nie jest antena? Prawie jak odbiornik detektora.

Aby niezawodnie zamknąć tranzystor, aby wejść do niego w trybie odcięcia, konieczne jest, aby potencjały emitera i podstawy były równe. Najłatwiej byłoby użyć kontaktu przełączającego w naszym „schemacie szkolenia”. Konieczne jest włączenie styku przełącznika światła na + 5 V, a gdy trzeba było go wyłączyć - wystarczyło zamknąć wejście całej kaskady do ziemi.

Ale nie zawsze i nie wszędzie można pozwolić na luksus, taki jak dodatkowy kontakt. Dlatego łatwiej jest wyrównać potencjały podstawy i emitera z rezystorem Rbe. Wartość tego rezystora nie musi być obliczana. Zwykle przyjmuje się, że wynosi dziesięć RB. Według danych praktycznych jego wartość powinna wynosić 5 ... 10 tys.

Rozważany obwód jest rodzajem obwodu ze wspólnym emiterem. Można tutaj zauważyć dwie funkcje. Po pierwsze, wykorzystuje napięcie 5 V jako napięcie sterujące. To napięcie jest stosowane, gdy kluczowy stopień jest podłączony do obwodów cyfrowych lub, co jest teraz bardziej prawdopodobne mikrokontrolery.

Po drugie, sygnał kolektora jest odwrócony w stosunku do sygnału podstawowego. Jeśli u podstawy jest napięcie, styk jest zwarty przy + 5 V, a następnie na kolektorze spada prawie do zera. Oczywiście nie do zera, ale do napięcia wskazanego w katalogu. Jednocześnie żarówka nie jest odwrócona wizualnie - u podstawy jest sygnał, jest światło.

Odwrócenie sygnału wejściowego występuje nie tylko w trybie kluczowym tranzystora, ale także w trybie wzmocnienia. Ale zostanie to omówione w następnej części artykułu.

Boris Aladyshkin 

P.S. Przed instalacją w obwodzie bardzo często konieczne jest sprawdzenie tranzystorów pod kątem działania. Zobacz, jak to zrobić tutaj - Prosty test tranzystorów w praktyce.