Транзистор у режимі ключа? Який ще ключ? Такого?
А може, такого?
Ключ від скриньки більш-менш схожий на правду, тому що замикає і відчиняє скриньку, але все одно далекий від істини.
Раніше, коли ще не було надпотужних комп'ютерів та надшвидкісного інтернету, повідомлення передавали за допомогою абетки Морзе. В абетці Морзе використовувалися три знаки: крапка, тире та... пауза. Щоб передавати повідомлення на далекі відстані, використовувався так званий телеграфний ключ.
Натиснули на чорну велику пипочку - струм побіг, відтиснули - вийшов обрив ланцюга і струм перестав текти. ВСІ! Тобто змінюючи швидкість і тривалість натискання на пипочку, ми можемо закодувати будь-яке повідомлення;-) Натиснули на пипку – сигнал є, відтиснули пипку – сигналу немає.
Ключ, зібраний на транзисторі, називається транзисторним ключем. Транзисторний ключвиконує тільки двіоперації: в КЛЮЧєно і ви КЛЮЧено, проміжний режим між "включено" та "вимкнено" ми розглядатимемо в наступних розділах. Електромагнітне реле виконує ту ж саму функцію, але його швидкість перемикання дуже повільна з точки зору сучасної електроніки, та й контакти, що комутують, швидко зношуються.
Що являє собою транзисторний ключ? Давайте розглянемо його ближче:
Знайома схемка чи не так? Тут все елементарно і просто;-) Подаємо на базу напругу необхідного номіналу і у нас починає текти струм через ланцюг від плюсової клеми +Bat2 --->лампочка--->колектор--->емітер--->до мінусової клеми Bat2 . Напруга на Bat2 має дорівнювати робочому напрузі живлення лампочки. Якщо все так, то лампочка випромінює світло. Замість лампочки може бути якесь інше навантаження. Резистор " R " тут потрібно у тому, щоб обмежити значення управляючого струму з урахуванням транзистора. Про нього докладніше писав ще у цій статті.
Але чи все так просто, як здається на перший погляд?
Отже, давайте згадаємо, які вимоги мають бути, аби повністю "відкрити" транзистор? Читаємо статтю принцип посилення біполярного транзистора та згадуємо:
1) Для того, щоб повністю відкрити транзистор, напруга база-емітер має бути більше 0,6-0,7 Вольт.
Транзисторний ключ є основним елементом пристроїв цифрової електроніки та багатьох пристроїв силової електроніки. Параметри та характеристики транзисторного ключа дуже сильно визначають властивості відповідних схем.
Ключі на біполярних транзисторах . Найпростіший ключ на біполярному транзисторі, включений за схемою із загальним емітером, і відповідна часова діаграма вхідної напруги представлені на рис. 14.5.
Рис. 14.5. Ключ на біполярному транзисторі
Розглянемо роботу транзисторного ключа в режимах, що встановилися. До моменту часу t 1 емітерний перехід транзистора замкнений і транзистор перебуває у режимі відсічення. У цьому режимі i до =– i б =I до (I до- Зворотний струм колектора), i е≈ 0. При цьому u R б ≈u R до ≈ 0;u бе ≈ –U 2 ;u ке ≈-Е до .
У проміжку часу t 1 …t 2 транзистор відкрито. Для того, щоб напруга на транзисторі u кебуло мінімальним, напруга U 1 зазвичай вибирають так, щоб транзистор знаходиться або в режимі насичення або в прикордонному режимі, дуже близьким до режиму насичення.
Ключі на польових транзисторах відрізняються малою залишковою напругою. Вони можуть комутувати слабкі сигнали (в одиниці мікровольт і менше). Це наслідок те, що вихідні характеристики польових транзисторів проходять через початок координат.
Наприклад зобразимо вихідні характеристики транзистора з керуючим переходом і каналом p-Типу в області, прилеглій до початку координат (рис. 14.6).
Рис. 14.6. Польовий транзистор з каналом p-типу
Звернемо увагу, що характеристики в третьому квадранті відповідають заданим напруг між затвором і стоком.
У статичному стані ключ на польовому транзисторі споживає дуже малий струм управління. Однак цей струм збільшується зі збільшенням частоти перемикання. Дуже великий вхідний опір ключів на польових транзисторах фактично забезпечує гальванічну розв'язку вхідних та вихідних ланцюгів. Це дозволяє обійтися без трансформаторів у ланцюгах керування.
На рис. 14.7 наведено схему цифрового ключа на МДП-транзисторі з індукованим каналом n-типу та резистивним навантаженням та відповідні часові діаграми.
Рис. 14.7. Цифровий ключ на польовому транзисторі
На схемі зображено ємність навантаження З н, що моделює ємність пристроїв, підключених до транзисторного ключа. Очевидно, що при нульовому вхідному сигналі транзистор замкнений і u сі =Е з. Якщо напруга uвх більша за порогову напругу U зи.порігтранзистора, то він відкривається і напруга u сізменшується.
Логічні елементи
Логічний елемент (логічний вентиль) – це електронна схема, яка виконує деяку найпростішу логічну операцію. На рис. 14.8 наведено приклади умовних графічних позначень деяких логічних елементів.
Рис. 14.8. Логічні елементи
Логічний елемент можна реалізувати як окремої інтегральної схеми. Часто інтегральна схема містить кілька логічних елементів.
Логічні елементи використовують у пристроях цифрової електроніки (логічних пристроях) до виконання простого перетворення логічних сигналів.
Класифікація логічних елементів. Виділяються такі класи логічних елементів (так звані логіки):
резисторно-транзисторна логіка (ТРЛ);
діодно-транзисторна логіка (ДТЛ);
транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ);
емітерно-транзисторна логіка (ЕСЛ);
транзисторно-транзисторна логіка із діодами Шоттки (ТТЛШ);
р(р-МДП);
логіка на основі МОП-транзисторів з каналами типу n(n-МДП);
логіка з урахуванням комплементарних ключів на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);
інтегральна інжекційна логіка І 2 Л;
логіка на основі напівпровідника з арсеніду галію GaAs.
Нині найширше застосовуються такі логіки: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логічні елементи та інші цифрові електронні пристрої випускаються у складі серій мікросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ - 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533; ЕСЛ - 100, К500, К1500; КМОП - 564, К561, 1564, КР1554; GaAs-К6500.
Найважливіші параметри логічних елементів:
Швидкодія характеризується часом затримки розповсюдження сигналу t зрта максимальною робочою частотою F макс. Час затримки прийнято визначати за перепадами рівнів 0,5 U вхта 0,5Δ U вих. Максимальна робоча частота F макс– це частота, коли він зберігається працездатність схеми.
Навантажувальна здатність характеризується коефіцієнтом об'єднання по входу До про (іноді використовують термін «коефіцієнт об'єднання після виходу»). Величина До про- Це число логічних входів, величина До раз – максимальна кількістьоднотипних логічних елементів, які можуть бути підключені до виходу логічного елемента. Типові значення їх такі: До про =2…8,До раз=4…10. Для елементів з підвищеною здатністю навантаження До раз =20…30.
Перешкодостійкість у статичному режимі характеризується напругою U пст, Яке називається статичною завадостійкістю. Це така максимально допустима напруга статичної перешкоди на вході, коли ще не відбувається зміна вихідних рівнів логічного елемента.
Потужність, яку споживає мікросхема від джерела живлення. Якщо ця потужність різна для двох логічних станів, часто вказують середню споживану потужність для цих станів.
Напруга живлення.
Вхідні порогові напруги високого та низького рівня U вх.1порігі U вх.0поріг, що відповідають зміні стану логічного елемента
Вихідна напруга високого та низького рівнів U вих1і U вих0 .
Використовуються інші параметри.
Особливості логічних елементів різних логік. Для конкретної серії мікросхем характерно використання типового електронного вузла – базового елемента логічного. Цей елемент є основою побудови різноманітних цифрових електронних пристроїв.
Базовий елемент ТТЛ містить багатоемітерний транзистор, що виконує логічну операцію І, та складний інвертор (рис. 14.9).
Рис. 14.9. Базовий елемент ТТЛ
Якщо на один або обидва входи одночасно подано низький рівень напруги, то багатоемітерний транзистор знаходиться в стані насичення і транзистор Т 2 закритий, а отже, закритий і транзистор Т 4 тобто на виході буде високий рівень напруги. Якщо на обох входах одночасно діє високий рівень напруги, то транзистор Т 2 відкривається і входить в режим насичення, що призводить до відкриття та насичення транзистора Т 4 і замикання транзистора Т 3 тобто. реалізується функція І-НЕ. Для збільшення швидкодії елементів ТТЛ використовують транзистори з діодами або транзисторами Шоттки.
Базовий логічний елемент ТТЛШ (з прикладу серії К555). В якості базового елементасерії мікросхем К555 використаний елемент
І-НЕ (рис. 14.10, а), але в рис. 14.10, бпоказано графічне зображення транзистора Шоттка.
Рис. 14.10. Логічний елемент ТТЛШ
Транзистор VT4 – типовий біполярний транзистор. Якщо обидва вхідні напруги u вх1і u вх2 мають високий рівень, то діоди VD3 і VD4 закриті, транзистори VT1, VT5 відкриті і на виході має місце напруга низького рівня. Якщо хоча б одному вході є напруга низького рівня, то транзистори VT1 і VT5 закриті, а транзистори VT3 і VT4 відкриті, і на вході має місце напруга низького рівня. Мікросхеми ТТЛШ серії К555 характеризуються такими параметрами:
напруга живлення +5 У;
вихідна напруга низького рівня не більше 0,4 У;
вихідна напруга високого рівняне менше 2,5 У;
завадостійкість - не менше 0,3 В;
середній час затримки розповсюдження сигналу 20 нс;
максимальна робоча частота 25 МГц.
Особливості інших логік. Основою базового логічного елемента ЕСЛ є струмовий ключ, схема якого подібна до схеми диференціального підсилювача. Мікросхема ЕСЛ живиться негативною напругою (-4 Удля серії К1500. Транзистори цієї мікросхеми не входять у режим насичення, що одна із причин високої швидкодії елементів ЭСЛ.
У мікросхемах n-МОП та p-МОП використовуються ключі відповідно на МОП-транзисторах з n-каналами та динамічним навантаженням та на МОП-транзисторах з p-каналом. Для унеможливлення споживання потужності логічним елементом у статичному стані використовуються комплементарні МДП-логічні елементи (КМДП або КМОП-логіка).
Логіка на основі напівпровідника з арсеніду галію GaAsхарактеризується найбільш високою швидкодією, що є наслідком високої рухливості електронів (у 3…6 разів більше порівняно з кремнієм). Мікросхеми на основі GaAs можуть працювати на частотах близько 10 ГГц.
Транзисторні ключі побудовані на біполярних або польових транзисторах діляться на насичені та ненасичені, а також на МДП-ключі та ключі на польових транзисторах з керуючим р-n-переходом. Усі транзисторні ключі можуть працювати у двох режимах: статичному та динамічному.
На їх основі ТК базується принцип роботи тригерів, мультивібраторів, комутаторів, блокінг-генераторів та багатьох інших елементів. Залежно від призначення та особливостей роботи схеми ТК можуть відрізнятися одна від одної.
ТК призначений для комутації ланцюгів навантаження під впливом зовнішніх сигналів, що управляють, дивись схему вище. Будь-який ТК виконує функції швидкодіючого ключа і має два головні стани: розімкнутий, йому відповідає режим відсічення транзистора (VT - закритий), і замкнутий, характеризується режимом насичення або режимом, наближеним до нього. Протягом процесу перемикання ТК працює у активному режимі.
Розглянемо роботу ключа з урахуванням біполярного транзистора.Якщо з урахуванням відсутня напруга щодо емітера, транзистор закритий, струм крізь нього тече, на колекторі вся напруга харчування, тобто. максимальний рівень сигналу.
Як тільки на базу транзистора надходить керуючий електричний сигнал, він відкривається, починає текти струм колектор-емітер і відбувається падіння напруги на внутрішньому опорі колектора, потім напруга на колекторі, а з ним і напруга на виході схеми знижуються до низького рівня.
Для практики зберемо просту схемутранзисторного ключа на біполярному транзисторі Використовуємо для цього біполярний транзистор КТ817, резистор колекторного ланцюга живлення номіналом 1 кОм, а по входу опором 270 Ом.
У відкритому стані транзистора на виході схеми маємо повну напругу джерела живлення. При надходженні сигналу на вхід, що управляє, напруга на колекторі обмежується до мінімуму, десь 0,6 вольт.
З іншого боку, ТК можна реалізувати і польових транзисторах. Принцип їх роботи майже аналогічний, але не споживають значно менший струм управління, а також забезпечують гальванічну розв'язку вхідних і вихідних частин, але значно програють у швидкодію в порівнянні з біполярними. Транзисторні ключі використовуються практично в будь-якому спектрі радіоелектронних пристроїв аналогових та цифрових комутаторів сигналів, системах автоматики та контролю, в сучасній побутової технікиі т.п
Для комутації навантажень у ланцюгах змінного струмунайкраще застосовувати потужні польові транзистори. Цей клас напівпровідників представлений двома групами. До першої відносять гібриди: біполярні транзистори з ізольованим затвором - БТІЗ або . По-друге, входять класичні польові (канальні) транзистори. Розглянемо як практичного прикладуроботу комутатора навантаження для мережі змінної напруги 220 вольт на потужному польовому VT типу КП707
Дана конструкція дозволяє гальванічно розв'язати ланцюги керування та ланцюг 220 вольт. В якості розв'язки використані оптрони TLP521. Коду напруга на вхідних клемах відсутня, світлодіод оптрона не горить, вбудований транзистор оптрона закритий і не шунтує затвор потужних польових транзисторів комутують. Тому, на їх затворах є напруга, що відкриває, рівну рівню напруги стабілізації стабілітрона VD1. В цьому випадку польовики відкриті і працюють по черзі, залежно від полярності періоду змінної напруги в даний час. Допусти, на висновку 4, а на 3 - мінус. Тоді струм навантаження йде від клеми 3 до 5, через навантаження і 6, потім через внутрішній захисний діод VT2, через відкритий VT1 до клеми 4. При зміні періоду, струм навантаження йде вже через діод транзистора VT1 і відкритий VT2. Елементи схеми R3, R3, C1 та VD1 це безтрансформаторне джерело живлення. Номінал резистора R1 відповідає вхідному рівню напруги п'ять вольт і може бути змінений за необхідності. При надходженні сигналу керування світлодіод в оптроні загоряється і шунтує затвори обох транзисторів. На навантаження напруга не надходить.
Транзисторний ключ є основним компонентом імпульсної перетворювальної техніки. У схемах усіх імпульсних джерелживлення, які практично повністю витіснили трансформаторні джерела живлення, використовуються транзисторні ключі. Прикладом таких джерел живлення є комп'ютерні блокихарчування, зарядні пристроїтелефонів, ноутбуків, планшетів і т. п. Транзисторні ключі прийшли на зміну електромагнітних реле, оскільки мають таку основну перевагу як відсутність механічних рухомих частин в результаті чого збільшується надійність і довговічність ключа. Крім того швидкість включення та вимикання електронних напівпровідникових ключів значно вища за швидкість електромагнітних реле.
Також транзисторний ключ часто використовується для включення-вимкнення (комутації) навантаження значної потужності сигналу мікроконтролера.
Суть електронного ключа полягає в управлінні ним великою потужністю сигналу малої потужності.
Існують напівпровідникові ключі з урахуванням транзисторів, тиристорів, симісторів. Однак у цій статті розглянуто роботу електронного ключа на біполярному транзисторі. У наступних статтях будуть розглянуті інші типи напівпровідникових ключів.
Залежно від напівпровідникової структури біполярні транзистори поділяють на два види: p — n — p і n — p — n типу ( Рис. 1 ).
Рис. 1 – Структури біполярних транзисторів
У схемах біполярні транзистори позначаються, як показано на Рис. 2 . Середній висновок називається базою, висновок зі "стрілочкою" - емітер, висновок, що залишився - колектор.
Рис. 2 – Позначення транзисторів у схемах
Також транзистори умовно можна зобразити у вигляді двох діодів, які включені зустрічно, місце їх з'єднання завжди буде базою ( рис.3 ).
Рис. 3 – Схеми заміщення транзисторів діодами
Транзистор ключ. Схеми включення.
Схеми включення транзисторів різних напівпровідникових структур показано на Рис. 4 . Перехід між базою та емітером називається емітерний перехід, а перехід між базою та колектором – колекторний перехід. Для включення (відкриття) транзистора необхідно, щоб колекторний перехід був зміщений у зворотному напрямку, а емітер – у прямому.
Рис. 4 – Транзисторний ключ. Схеми включення
Напруга джерела живлення U іп прикладається до висновків колектора та емітера U ке через навантажувальний резистор R до (див. Рис. 4 ). Напруга управління (керуючий сигнал) подається між базою та емітером U бе через струмообмежуючий резистор R б .
Коли транзистор працює у ключовому режимі, він може перебувати у двох станах. Перше – це режим відсікання. У цьому режимі транзистор повністю закритий, а напруга між колектором і емітером дорівнює напруги джерела живлення. Другий стан – це режим насичення. У цьому режимі транзистор повністю відкритий, а напруга між колектором і емітером дорівнює падінню напруги на p — n - Переходах і для різних транзисторів знаходиться в межах від сотих до десятих вольт.
На навантажувальній прямій вхідній статичній характеристики транзистора ( Рис. 5 ) область насичення знаходиться на відрізку 1-2 , а область відсічення на відрізку 3-4 . Проміжна область між цими відрізками – область 2-3 називається активною областю. Нею керуються коли транзистор працює у режимі підсилювача.
Рис. 5 – Вхідна статична характеристика транзистора
Для того, щоб простіше запам'ятати полярність підключення джерела живлення та напруги сигналу управління, слід звернути увагу на стрілку емітера. Вона вказує напрямок протікання струму ( рис.6 ).
Рис. 6 – Шлях протікання струму через транзисторний ключ
Розрахунок параметрів транзисторного ключа
Для прикладу роботи ключа як навантаження будемо використовувати світлодіод. Схема його підключення показана на Рис. 7 . Зверніть увагу на полярність підключення джерел живлення та світлодіода у транзисторах різних напівпровідникових структур.
Рис. 7 – Схеми підключення світлодіода до транзисторних ключів
Розрахуємо основні параметри транзисторного ключа, виконаного на транзисторі n — p — n типу. Нехай маємо такі вихідні дані:
- Падіння напруги на світлодіоді Δ UVD = 2 В;
— номінальний струмсвітлодіода IVD= 10 мА;
- Напруга джерела живлення Uіп(На схемі позначено Uке) = 9 В;
- Напруга вхідного сигналу Uнд= 1,6 В.
Тепер поглянемо ще раз на схему, показану на Рис. 7 . Як бачимо, залишилося визначити опору резисторів у кола бази і колектора. Транзистор можна вибрати будь-який біполярний відповідної напівпровідникової структури. Візьмемо для прикладу радянський транзистор n — p — n типу МП111Б.
Розрахунок опору в ланцюзі колектора транзистора
Опір ланцюга колектора призначений для обмеження струму, який протікає через світлодіод. VD , а також для захисту від навантаження самого транзистора. Оскільки коли транзистор відкриється, струм у його ланцюгу обмежуватиметься тільки опором світлодіода. VD та резистора R до .
Визначимо опір R до . Воно дорівнює падінню напруги на ньому Δ U R до поділеному на струм у колі колектора I до :
Так колектора нами заданий спочатку – це номінальний струм світлодіода. Він не повинен перевищувати I до = 10мА .
Тепер знайдемо падіння напруги на резисторі R до . Воно дорівнює напрузі джерело живлення U іп (U ке ) мінус падіння напруги на світлодіоді Δ U VD та мінус падіння напруги на транзисторі ΔU ке :
Падіння напруги на світлодіоді, як і напруга джерела живлення спочатку задані і дорівнюють 0,2В і 9В відповідно. Падіння напруги для транзистора МП111Б, як і для інших радянських транзисторів, приймаємо рівним порядку 0,2 В. Для сучасних транзисторів (наприклад BC547, BC549, N2222 та інших) падіння напруги становить близько 0,05 В і нижче.
Падіння напруги на транзисторі можна виміряти, коли він повністю відкритий, між висновками колектора та емітера і надалі скоригувати розрахунок. Але, як побачимо далі, опір колектора можна підібрати простішим методом.
Опір у колі колектора дорівнює:
Розрахунок опору в ланцюзі бази транзистора
Тепер нам залишилося визначити опір бази R б . Воно дорівнює падінню напруги на самому опорі ΔURб поділеному на струм бази I б :
Падіння напруги на базі транзистора дорівнює напрузі вхідного сигналу Uвс мінус падіння напруги на переході база-емітер ΔUбе . Напруга вхідного сигналу задано у вихідних даних і дорівнює 1,6 Ст. Падіння напруги між базою і емітером дорівнює порядку 0,6 Ст.
Далі знайдемо струм бази Iб . Він дорівнює току колектора Iб поділеному на коефіцієнт посилення транзистора по струму β . Коефіцієнт посилення кожного транзистора наводиться в даташитах чи довідниках. Ще простіше дізнатися значення β можна скориставшись мультиметром. Навіть найпростіший мультиметр має таку функцію. Для цього транзистора β=30 . У сучасних транзисторів β дорівнює близько 300 ... 600 одиниць.
Тепер ми можемо знайти необхідний опір бази.
Таким чином, скориставшись вище викладеною методикою, можна легко визначити необхідні номінали резисторів у ланцюгу бази та колектора. Однак слід пам'ятати, що розрахункові дані не завжди дозволяють точно визначити номінали резисторів. Тому більш тонке налаштування ключа краще виконувати досвідченим шляхом, а розрахунки необхідні лише для первинної прикидки, тобто допомагають звузити діапазон вибору номіналів резисторів.
Щоб визначити номінали резисторів, потрібно послідовно з резисторами бази і колектора включити змінний резисторі змінюючи його величину отримати необхідні значення струмів бази та колектора ( Рис. 8 ).
Рис. 8 – Схема включення змінних резисторів
Рекомендації щодо вибору транзисторів для електронних ключів
- Також напруга на базі в режимі насичення не повинна бути нижчою за мінімальне значення, інакше транзисторний ключ працюватиме нестабільно.
Номінальна напруга між колектором і емітером, яка вказується виробником, повинна бути вищою за напругу джерела живлення.
Номінальний струм колектора, який також вказується виробником, повинен бути більшим за струм навантаження.
Необхідно стежити, щоб струм і напруга бази транзистора не перевищували допустимих значень.
Про яке навантаження йдеться? Та про будь-яку — релюшки, лампочки, соленоїди, двигуни, відразу кілька світлодіодів або надпотужний силовий світлодіод-прожектор. Коротше, все що споживає більше 15мА та/або вимагає напруги живлення більше 5 вольт.
Ото взяти, наприклад, реле. Нехай це буде BS-115C. Струм обмотки близько 80мА, напруга обмотки 12 вольт. Максимальна напруга контактів 250В та 10А.
Підключення реле до мікроконтролера це завдання, яке виникало практично у кожного. Одна проблема - мікроконтролер не може забезпечити потужність, необхідну для нормальної роботи котушки. Максимальний струмякий може пропустити через себе вихід контролера рідко перевищує 20мА і це ще вважається круто потужний вихід. Зазвичай трохи більше 10мА. Так напруга у нас тут не вище 5 вольт, а релінці потрібно цілих 12. Бувають, звичайно, реле і на п'ять вольт, але струму жеруть більше разу на два. Загалом, куди реле не цілуй – скрізь дупа. Що робити?
Перше що спадає на думку — поставити транзистор. Вірне рішення - транзистор можна підібрати на сотні міліампер, а то й на ампери. Якщо бракує одного транзистора, їх можна включати каскадами, коли слабкий відкриває сильніший.
Оскільки в нас прийнято, що 1 це включено, а 0 вимкнено (це логічно, хоч і суперечить моїй давній звичці, що прийшла ще з архітектури AT89C51), то 1 у нас подаватиме харчування, а 0 зніматиме навантаження. Візьмемо біполярний транзистор. Реле потрібно 80мА, тому шукаємо транзистор з колекторним струмомпонад 80мА. В імпортних даташитах цей параметр називається I c , в наших I к. Перше що спало на думку - КТ315 - шедевральний совковий транзистор який застосовувався практично скрізь:) Помаранчевий такий. Коштує трохи більше одного рубля. Також прокотить КТ3107 з будь-яким буквеним індексом або імпортним BC546 (а також BC547, BC548, BC549). У транзистора насамперед треба визначити призначення висновків. Де в нього колектор, де база, а де емітер. Зробити це найкраще за датасітом або довідником. Ось, наприклад, шматок з даташиту:
Якщо дивитися на його лицьову сторону, що з написами, і тримати ніжками вниз, то висновки, зліва направо: Емітер, Колектор, База.
Беремо транзистор і підключаємо його за такою схемою:
 |
Колектор до навантаження, емітер, який зі стрілочкою, на землю. А основу на вихід контролера.
Транзистор це підсилювач струму, тобто якщо ми пропустимо через ланцюг База-Емітер струм, то через ланцюг Колектор-Емітер зможе пройти струм, що дорівнює вхідному, помноженому на коефіцієнт посилення h fe .
h fe цього транзистора становить кілька сотень. Щось близько 300, точно не пам'ятаю.
Максимальна напруга виведення мікроконтролера при подачі в порт одиниці = 5 вольт (падінням напруги 0.7 вольт на База-Емітерному переході тут можна знехтувати). Опір у базовому ланцюгу дорівнює 10000 Ом. Значить струм, за законом Ома, дорівнюватиме 5/10000 = 0.0005А або 0.5мА - зовсім незначний струм від якого контролер навіть не спітніє. На виході у цей час буде I c =I be *h fe =0.0005*300 = 0.150А. 150мА більше ніж 100мА, але це всього лише означає, що транзистор відкриється навстіж і видасть максимум що може. А значить наша релюха отримає харчування сповна.
Усі щасливі, всі задоволені? А ось ні, тут є западло. У реле ж як виконавчий елемент використовується котушка. А котушка має неслабку індуктивність, тому різко обірвати струм у ній неможливо. Якщо це зробити, то потенційна енергія, накопичена в електромагнітному полі, вилізе в іншому місці. При нульовому струмі обриву, цим місцем буде напруга - при різкому перериванні струму, на котушці буде потужний сплеск напруги, сотні вольт. Якщо струм обривається механічним контактом, то повітряний пробій — іскра. А якщо обривати транзистором, то його просто погробить.
Треба щось робити, кудись подіти енергію котушки. Не проблема, замкнемо її на себе ж, поставивши діод. При нормальній роботі діод включений зустрічно напрузі і струм через нього не йде. А при вимкненні напруга на індуктивності буде вже в інший бік і пройде через діод.
 |
Правда ці ігри з кидками напруги погано позначаються на стабільності мережі живлення пристрою, тому має сенс біля котушок між плюсом і мінусом харчування вкрутити електролітичний конденсаторна сотню іншу мікрофарад. Він візьме на себе велику частинупульсації.
Краса! Але можна зробити ще краще – знизити споживання. У реле досить великий струмзривання з місця, а ось струм утримання якоря менше ніж раз на три. Кому як, а мене тисне жаба годувати котушку більше, ніж вона того заслуговує. Адже це і нагрівання і енерговитрати і багато чого. Беремо та вставляємо в ланцюг ще й полярний конденсатор на десяток інший мікрофарад із резистором. Що тепер виходить:
 |
При відкритті транзистора конденсатор С2 ще не заряджений, а значить у момент його заряду він є майже коротке замиканнята струм через котушку йде без обмежень. Недовго, але цього вистачає для зриву якоря реле з місця. Потім конденсатор зарядиться і перетвориться на урвище. А реле живитиметься через резистор обмежуючий струм. Резистор і конденсатор слід підбирати так, щоб реле чітко спрацьовувало.
Після закриття транзистора розряджається конденсатор через резистор. З цього випливає зустрічне западло — якщо одразу спробувати реле включити, коли конденсатор ще не розрядився, то струму на ривок може й не вистачити. Так що тут треба думати з якою швидкістю у нас клацатиме реле. Кондер, звичайно, розрядиться за частки секунди, але іноді цього багато.
Додамо ще один апгрейд.
При розмиканні реле енергія магнітного полястравлюється через діод, тільки при цьому в котушці продовжує текти струм, а значить вона продовжує тримати якір. Збільшується час між зняттям сигналу керування та відпаданням контактної групи. Західно. Потрібно перешкодити протіканню струму, але таке, щоб не вбило транзистор. Встромимо стабілітрон з напругою відкривання нижче граничної напруги пробою транзистора.
З шматка даташита видно, що граничне напруження Колектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 становить 30 вольт. Вкручуємо стабілітрон на 27 вольт - Profit!
У результаті, ми забезпечуємо кидок напруги на котушці, але він контрольований і нижчий від критичної точки пробою. Тим самим ми значно (у рази!) знижуємо затримку на вимкнення.
 |
Ось тепер можна досить потягнутися і почати болісно чухати ріпу на предмет того як весь цей мотлох розмістити на друкованій платі ... Доводиться шукати компроміси і залишати тільки те, що потрібно в цій схемі. Але це вже інженерне чуття і приходить із досвідом.
Звичайно замість реле можна встромити і лампочку і соленоїд і навіть моторчик, якщо по струму проходить. Реле взято як приклад. Ну і, звичайно, для лампочки не буде потрібно все діодно-конденсаторне обважування.
Поки досить. Наступного разу розповім про Дарлінгтонівські збірки та MOSFET ключі.