Транзисторні ключі. Схема, принцип роботи
При роботі зі складними схемами корисним є використання різних технічних хитрощів, які дозволяють досягти поставленої мети малими зусиллями. Однією з них є створення транзисторних ключів. Чим вони є? Навіщо їх варто створювати? Чому їх ще називають «електронні ключі»? Які особливості даного процесу є і на що слід звертати увагу?
Содержание
На чому робляться транзисторні ключі
Вони виконуються з використанням польових або біполярних транзисторів. Перші додатково діляться на МДП і ключі, які мають керуючий р-n-перехід. Серед біполярних розрізняються не / насичені. Транзисторний ключ 12 Вольт зможе задовольнити основні запити з боку радіоаматора.
Статичний режим роботи
У ньому проводиться аналіз закритого і відкритого стану ключа. У першому на вході знаходиться низький рівень напруги, який позначає сигнал логічного нуля. При такому режимі обидва переходу знаходяться в зворотному напрямку (виходить відсічення). А на колекторний струм може вплинути тільки теплової. У відкритому стані на вході ключа знаходиться високий рівень напруги, відповідний сигналу логічної одиниці. Можливою є робота в двох режимах одночасно. Таке функціонування може бути в області насичення або лінійної області вихідний характеристики. На них ми зупинимося детальніше.
насичення ключа
У таких випадках переходи транзистора є зміщеними в прямому напрямку. Тому, якщо зміниться струм бази, то значення на колекторі не поміняється. У кремнієвих транзисторах для отримання зміщення необхідно приблизно 0,8 В, тоді як для германієвих напруга коливається в рамках 0,2-0,4 В. А як взагалі досягається насичення ключа? Для цього збільшується струм бази. Але все має свої межі, так само як і збільшення насичення. Так, при досягненні певного значення струму, воно припиняє збільшитися. А навіщо проводити насичення ключа? Є спеціальний коефіцієнт, що відображає стан справ. З його збільшенням зростає здатність навантаження, яку мають транзисторні ключі, дестабілізуючі фактори починають впливати з меншою силою, але відбувається погіршення швидкодії. Тому значення коефіцієнта насичення вибирають з компромісних міркувань, орієнтуючись по завданню, яку необхідно буде виконати.
Недоліки ненасиченого ключа
А що буде, якщо не було досягнуто оптимальне значення? Тоді з`являться такі недоліки:
- Напруга відкритого ключа впаде втратить приблизно до 0,5 В.
- Погіршиться стійкість. Це пояснюється зростанням вхідним опором, що спостерігається в ключах, коли вони у відкритому стані. Тому перешкоди на зразок стрибків напруги будуть приводити і до зміни параметрів транзисторів.
- Насичений ключ має значну температурну стабільність.
Як бачите, цей процес все ж краще проводити, щоб в кінцевому підсумку отримати більш досконале пристрій.
швидкодія
Цей параметр залежить від максимальної допустимої частоти, коли може здійснюватися перемикання сигналів. Це в свою чергу залежить від тривалості перехідного процесу, що визначається інерційністю транзистора, а також впливом паразитних параметрів. Для характеристики швидкодії логічного елемента часто вказують середній час, який відбувається при затримці сигналу, при його передачі в транзисторний ключ. Схема, що відображає його, зазвичай саме такий усереднений діапазон відгуку і показує.
Взаємодія з іншими ключами
Для цього використовуються елементи зв`язку. Так, якщо перший ключ на виході має високий рівень напруги, то на вході другого відбувається відкриття і працює в заданому режимі. І навпаки. Така ланцюг зв`язку істотно впливає на перехідні процеси, що виникають під час перемикання і швидкодії ключів. Ось як працює транзисторний ключ. Найбільш поширеними є схеми, в яких взаємодія відбувається тільки між двома транзисторами. Але це зовсім не означає, що це не можна зробити пристроєм, в якому буде застосовуватися три, чотири або навіть більше число елементів. Але на практиці такого складно буває знайти застосування, тому робота транзисторного ключа такого типу і не використовується.
Що вибрати
З чим краще працювати? Давайте уявимо, що у нас є простий транзисторний ключ, напруга живлення якого становить 0,5 В. Тоді з використанням осцилографа можна буде зафіксувати всі зміни. Якщо струм колектора виставити в розмірі 0,5мА, то напруга впаде на 40 мВ (на базі буде приблизно 0,8 В). За мірками завдання можна сказати, що це досить значне відхилення, яке накладає обмеження на використання в цілих рядах схем, наприклад, в комутаторах аналогових сигналів. Тому в них застосовуються спеціальні польові транзистори, де є керуючий р-n-перехід. Їх переваги над біполярними побратимами такі:
- Незначне значення залишкової напруги на ключі в стані проводки.
- Високий опір і, як результат - малий струм, що протікає по закритому елементу.
- Споживається мала потужність, тому не потрібен значний джерело напруги, що управляє.
- Можна коммутировать електричні сигнали низького рівня, які складають одиниці мікровольт.
Транзисторний ключ реле - ось ідеальне застосування для польових. Звичайно, це повідомлення тут розміщено виключно для того, щоб читачі мали уявлення про їх застосування. Трохи знань і кмітливості - і можливостей реалізацій, в яких є транзисторні ключі, буде придумано безліч.
приклад роботи
Давайте розглянемо більш детально, як функціонує простий транзисторний ключ. Комутований сигнал передається з одного входу і знімається з іншого виходу. Щоб замкнути ключ, на затвор транзистора використовують подачу напруги, яке перевищує значення витоку і стоку на величину, більшу в 2-3 В. Але при цьому слід дотримуватися обережності і не виходити за межі допустимого діапазону. Коли ключ закритий, то його опір щодо велике - перевищує 10 Ом. Таке значення виходить завдяки тому, що додатково впливає ще й струм зворотного зсуву p-n переходу. У цьому ж стані ємність між ланцюгом перемикається сигналу і керуючим електродом коливається в діапазоні 3-30 пФ. А тепер відкриємо транзисторний ключ. Схема і практика покажуть, що тоді напруга керуючого електрода буде наближатися до нуля, і сильно залежить від опору навантаження і комутованою характеристики напруги. Це обумовлено цілою системою взаємодій затвора, стоку і витоку транзистора. Це створює певні проблеми для роботи в режимі переривника.
Як вирішення проблеми були розроблені різні схеми, які забезпечують стабілізацію напруги, що протікає між каналом і затвором. Причому завдяки фізичним властивостям в такій якості може використовуватися навіть діод. Для цього його слід включити в пряме напрямок замикаючої напруги. Якщо буде створюватися необхідна ситуація, то діод закриється, а р-n-перехід відкриється. Щоб при зміні комутованого напруги він залишався відкритим, і опір його каналу не змінювалося, між витоком і входом ключа можна включити високоомний резистор. А наявність конденсатора значно прискорить процес перезарядки ємностей.
Розрахунок транзисторного ключа
Для розуміння привожу приклад розрахунку, можете підставити свої дані:
1) Колектор-емітер - 45 В. Загальна потужність розсіювання - 500 mw. Колектор-емітер - 0,2 В. Гранична частота роботи - 100 мГц. База-емітер - 0,9 В. Колекторний струм - 100 мА. Статистичний коефіцієнт передачі струму - 200.
2) Резистор для струму 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.
3) Номінал опору колектора: 3,45 0,06 = 57,5 Ом.
4) Для зручності беремо номінал в 62 Ом: 3,45 62 = 0,0556 мА.
5) Вважаємо ток бази: 56 200 = 0,28 мА (0,00028 А).
6) Скільки буде на резисторі бази: 5 - 0,9 = 4,1В.
7) Визначаємо опір резистора бази: 4,1 0,00028 = 14,642,9 Ом.
висновок
І наостанок про назву "електронні ключі". Справа в тому, що стан змінюється під дією струму. А що він собою являє? Вірно, сукупність електронних зарядів. Від цього і походить друга назва. Ось в цілому і все. Як бачите, принцип роботи і схема пристрою транзисторних ключів не є чимось складним, тому розібратися в цьому - справа посильну. Слід зауважити, що навіть автору цієї статті для освіження власної пам`яті треба було трохи покористуватися довідковою літературою. Тому при виникненні питань до термінології пропоную згадати про наявність технічних словників і проводити пошук нової інформації про транзисторні ключі саме там.
