Электронный ключ на транзисторе — принцип работы и схема. транзисторный ключ схема и работа

Замена датчиков

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

• PNP NO
• PNP NC
• NPN NO
• NPN NC

Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.

Это реализуется такими способами:

• Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
• Изменение имеющейся схемы включения датчика.
• Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
• Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.

Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:

PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.

Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).

Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.

Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.

Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?

Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.

В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.

Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.

Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Семейства AUIR331x, AUIR332x, AUIPS71xx (таблица 4) являются более совершенными по сравнению с вышеописанными ключами. Они обладают самой продвинутой системой диагностики. Аналоговый выход позволяет определять не только аварийные ситуации, но и величину протекающего тока (рисунок 9). Это может быть полезно, если необходимо контролировать броски тока, когда коммутируется, к примеру, лампа освещения или емкостная нагрузка. В этом случае управляющая система сама определяет, необходимо ли защитное отключение.

Таблица 4. Интеллектуальные ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Рис. 9. Диагностика состояния ключа

Ключи имеют рекордно низкие значения сопротивлений открытого ключа (всего 4 мОм у AUIR3320, 7,5 мОм у AUIPS7111). Управляющее напряжение измеряется относительно напряжения питания, что делает возможным использовать внешний транзистор, обеспечивающий дополнительную защиту управляющих схем (рисунок 10).

Степень защиты данных ключей максимально высока. Ключи имеют защиту от перегрузки по току, от перегрева, неправильной полярности питающего напряжения. Реализована функция активного ограничения тока.

Защита от обратной полярности батареи требует наличия обратного диода на входе. Если используется полевой транзистор, то будет достаточно встроенного диода. Если используется биполярный транзистор — нужен внешний диод (рисунок 10).

Рис. 10. Схема включения IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Ключи AUIR331x (кроме AUIR3317) и AUIR3320 имеют программируемое значение тока защитного отключения. Величина этого тока определяется резистором обратной связи Rос (рисунок 11). Кроме того, для дополнительной гарантированной защиты от перегрева реализована защитная функция WAIT (рисунок 4б). Минусом реализации функции WAIT является ограничение использования данных ключей в ШИМ-режиме.

Рис. 11. Установка тока защитного отключения

Ключи AUIR71xx ограниченно могут применяться для ШИМ-приложений, так как не имеют функции WAIT и имеют малое собственное сопротивление. Однако стоит остерегаться использования слишком высоких значений частот, чтобы не перегреть кристалл (рисунок 4а).

IPS данного семейства, обладая низким значением сопротивления, идеально подходят для реализации внутреннего и внешнего автомобильного освещения, систем подогрева зеркал и сидений, питания активной подвески, питания электромагнитных клапанов системы впрыска топлива. Эти ключи представляют идеальную замену для реле в цепях с большими протекающими токами.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: IC = IE – IB, так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер — База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор — База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер — Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

Ключ на мощном полевом МОП-транзисторе

Чаще всего в качестве ключа используется мощный полевой МОП-транзистор. Его стоимость и потери насыщения в большинстве приложений сравнимы с аналогичными потерями биполярного транзистора, а переключение выполняется в 5-10 раз быстрее. Кроме того, МОП-транзисторы проще для использования в проекте.

Полевой МОП-транзистор представляет собой источник тока с управлением по напряжению. Для управления МОП-транзистором в состоянии насыщения между выводами затвора и истока должно быть приложено достаточно большое напряжение, чтобы пропускать ток силы выше максимального ожидаемого тока через сток. Отношение напряжения между затвором и истоком к току через сток называется межэлектродной проводимостью (transonductance) и обозначается g,„. Обычно мощные полевые МОП-транзисторы разбивают на две категории:

• стандартные — должны иметь значение Vgs, равное 8-10 В, чтобы гарантировать полный номинальный ток через сток;

• МОП-транзисторы логического уровня, в которых напряжение Fgs должно составлять лишь 4,0^,5 В.

У полевых МОП-транзисторов логического уровня обычно низкие номинальные значения напряжения между стоком и истоком (< 60 В).

Время переключения полевых МОП-транзисторов очень мало: обычно от 40 до 80 не. Для того чтобы организовать управление МОП-транзистором с такой скоростью, необходимо прежде рассмотреть неотъемлемую паразитную емкость, существующую во всех мощных МОП-транзисторах (рис. 3.35).

Эти емкости указываются в спецификации любого мощного МОП-транзистора и играют очень важную роль. Емкость перехода сток-исток Coss учитывается в нагрузках стока, но напрямую не входит в схему драйвера. Емкости CJSS и Crss оказывают прямое и вычислимое влияние на характеристики переключения полевого МОП-транзистора. На рис. 3.36 показаны волновые формы цикла переключения для затвора и стока типичного полевого МОП-транзистора с каналом п-типа.

Плато в сигнале напряжения управления затвором обусловлено ниспадающим участком сигнала между стоком и истоком, связанного с узлом затвора через конденсатор CrSS. На протяжении этого периода наблюдается большой импульс тока управления затвором. Данному плато соответствует уровень напряжения, который немного выше номинального порогового напряжения затвора и составляет VTH + lo/gm- Значение напряжения плато можно также определить с помощью графика передаточной функций, представленной в спецификации любого полевого МОП-транзистора (рис. 3.37). Для неточной оценки может быть использовано пороговое напряжение.

Рис. 3.38. Схемы управления полевым МОП-транзистором: а — пассивное включение; б — пассивного выключения; в— биполярный выходной двухтактный каскад; з — выходной двухтактный МОП-каскад; д — драйвер с изолирующим трансформатором

Tweet Нравится

• Предыдущая запись: Борьба с шумом и электромагнитными помехами
• Следующая запись: СОЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОГИТАРА С ОРГАННЫМИ ТЕМБРАМИ

Чем отличается ток от напряжения? (2)
Связь тока и напряжения (0)
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО РАДИОПРИЕМНИКА (0)
ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА (0)
ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИТИЙ-НОННОГО ЭЛЕМЕНТА КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА (0)
ОГРАНИЧИТЕЛЬ ЗАРЯДНОГО TOKA АККУМУЛЯТОРА (0)
ИНДИКАТОР НАПРЯЖЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ПРОСТАЯ СХЕМА (0)

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19).

Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмотренным выше (ССЫЛКА), имеющим нагрузочный резистор. Транзистор Т1 называют активным, а транзисторТ2 — нагрузочным.

Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом uвх < Uзи.nopoгl , где Uзи.nopoгl — пороговое напряжение для транзистора T1. В этом случае транзистор Т1 закрыт и через оба транзистора протекает очень малый ток (обычно не более 1 нА). При этом напряжение uси1близко к напряжению Ес, а напряжение uси1 близко к нулю.

По крайней мере очевидно, что напряжение uси2не может быть больше порогового напряжения Uзu.nopoг2 для транзистора Т2, иначе бы транзистор Т2 открылся и напряжение на нем уменьшилось.

Теперь рассмотрим открытое состояние ключа. При этом uвх> uзи.порог1. Транзистор Т1 открыт и напряжение uси1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т2 близко к напряжению питания.

В рассматриваемом состоянии транзистор Т2 также открыт, при этом uзи2= uси2= Ес. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора Т2 была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T1 .Именно поэтому в открытом состоянии ключа uси1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50…100 мВ). Так как удельная крутизна транзистора Т2 мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Варианты исполнения

Вставленный в розетку электротройник со встроенным выключателем

Ключи бывают , и .

Механические ключи

Механические ключи служат для непосредственного управления цепью; рычаг механического ключа изготовлен из диэлектрика и обычно напрямую связан с токоведущими частями ключа. Как правило, применяются в случаях, когда не требуется отделять управляемую цепь.

Механические ключи:

• выключатели освещения и бытовых приборов;
• пакетные выключатели;
• тумблеры (переключатели характерной конструкции с приводом рычажно-пружинного исполнения);
• переключатели различных конструкций: галетные, клавишные, движковые и др.;
• кнопки: с самовозвратом, фиксирующиеся, с зависимой фиксацией.

Электромагнитные ключи

Положения «включено» и «отключено» электромагнитного ключа

Электромагнитные ключи служат для дистанционного управления цепями, для управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), для создания гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, для синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

Электромагнитные ключи:

• электромагнитные реле;
• шаговые искатели;
• контакторы;
• магнитные пускатели.

Электронные ключи

В электронных ключах и ключевых схемах применяются различные электронные приборы В неуправляемых электронных ключах:

диоды.

В управляемых электронных ключах:

• электровакуумные приборы;
• тиристоры;
• симисторы;
• транзисторы.

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его управляющий электрод управляющего напряжения определённой полярности и уровня.

Работа электронных ключей основана на ключевых свойствах транзисторов. Например, ключи на биполярных транзисторах включённых по схеме с общим эмиттером работают следующим образом. При подаче на базу транзистора сигнала низкого уровня («логический 0») относительно эмиттера транзистор закрыт, ток через транзистор не идёт, при этом на коллекторе транзистора будет всё напряжение питания нагрузки. При подаче на базу транзистора сигнала высокого уровня «логической 1», транзистор открывается и в цепи коллектор-эмиттер возникает ток. Напряжение между коллектором и эмиттером становится малым, при этом все напряжения питания нагрузки оказывается приложенным к нагрузке.

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Ключи на полевых транзисторах потребляют меньшую мощность управления, однако быстродействие их обычно ниже по сравнению с биполярными.

В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

1) Коллектор-эмиттер — 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер — 0,2 В. Граничная частота работы — 100 мГц. База-эмиттер — 0,9 В. Коллекторный ток — 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока — 200.

Эти силовые элементы, представленные полупроводниками, резисторами, трансформаторами и катушками или конденсаторами, подвергаются зарядам, которые иногда могут их уничтожить. В случае нагрузок необходимо включать интенсивные токи, так что они больше не могут нормально функционировать. Эта температура чаще всего является основной причиной смерти этих компонентов, фактически пропуская ток 15 А в цепи, предусмотренной для 10 А, обязательно приведет к повышению температуры и повреждению схем и компонентов, что также может быть вызвано климатическими условиями, которые выводят из эксплуатации компоненты, поэтому военное оборудование должно выдерживать самые суровые условия, поскольку театры операций находятся в все регионы земного шара.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 — 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

1. Компактность.
2. Безопасность в применении.
3. Высокую точность.
4. Экологичность.

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

Расчёт транзисторного ключа

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Практические советы

Опубликовано: 27.11.2019 13:45

Просмотров: 2513

Для транзисторного ключа не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току. Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток определяется по справочнику или datasheet на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле:

h21э=Iк/Iб Iк — ток колектора Iб — ток базы В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через лампу, а ток базы — это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (Iвых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107

Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор

Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1. Рисунок 1 – Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле: UR1=U1-Uб=2,4В-0,7В=1,7В . Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него: R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом . При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали, чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 2. Рисунок 2 – Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока В схеме, приведённой на рисунке 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 3) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора. Рисунок 3 – Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока Iко транзисторного ключа резистором. В схеме, приведённой на рисунке 3, можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен: IR2=4 мА/3 =1,3 мА . Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В. R2 = Uб/IR2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно, и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Похожие записи:

История и виды техники выжигания по дереву: струной, на спиле. пирография для детей Как креативно и практично использовать старые шины на даче: качели из покрышек Что делать если расшаталось гнездо зарядки телефона. как зарядить мобильный телефон без зарядного устройства Баня с верандой и печкой для барбекю Секреты изготовления топливных брикетов своими руками Умный контроллер заряда литиевых аккумуляторов