Транзисторний ключ.

Транзисторні ключіпобудовані 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, дивись схему вище. Будь-який ТК виконує функції швидкодіючого ключа і має два головні стани: розімкнений, йому відповідає режим відсічення транзистора (VT - закритий), і замкнений, характеризується режимом насичення або режимом, наближеним до нього. Протягом процесу перемикання ТК працює в активному режимі.

Розглянемо роботу ключа на основі біполярного транзистора. Якщо основі відсутня напруга щодо емітера, транзистор закритий, струм через нього не 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 керуючий вхід 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 комутаторах 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 практичний приклад роботу 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. Як 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, що комутують. Тому, на їх затворах є напруга, що відкриває, рівне рівню напруги стабілізації стабілітрона VD1. У цьому випадку польовики відкриті та працюють по черзі, залежно від полярності періоду змінної напруги у поточний момент часу. 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 вжечерез діод транзистора VT1 та 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 у разі потреби. При надходженні сигналу керуючого світлодіод в оптроні спалахує і шунтує затвори обох транзисторів. На навантаження напруга не надходить.

В даний час намітилася певна тенденція до відмови від суто аналогових схем і переходу до цифрових з широким застосуванням мікропроцесорної техніки. Цифрова обробка сигналів дає широкі переваги у сенсі гнучкості рішень, технологічності конструкцій, економії енергоспоживання. У схемотехнічному плані в основі цифрової техніки, а також значної кількості так званих імпульсних пристроївлежать електронні ключі.

Технічні реалізації цифрових схем, В яких сигнали представлені дискретно квантованими рівнями напруги (струму), засновані на використанні електронних комутаторів напруги (струму), званих електронними ключами. Як нелінійні прилади з керованим опором в електронних ключах використовуються напівпровідникові діоди, біполярні та польові транзистори, фототранзистори, тиристори, оптрони, електронні лампи.

Аналогічно механічним ключам (рубильникам), природно характеризувати електронний ключ опором у відкритому та закритому стані, граничними значеннями комутованого струму та напруги, часовими параметрами, що описують швидкість перемикання з одного стану до іншого. Слід зазначити, що електронні ключі, на відміну механічних, найчастіше є двунаправленными, тобто. комутують струм та напруга одного знака.

Слід розрізняти аналогові електронні ключі, призначені для передачі аналогового сигналу з мінімальними спотвореннями, та цифрові ключі, що забезпечують формування бінарних сигналів Аналогові ключі лежать в основі всіляких комутаторів сигналів, що знайшли широке застосування в техніці аналого-цифрового перетворення. Незважаючи на подібність у функціональному плані між цифровими та аналоговими ключами, вимоги до останніх істотно відрізняються від вимог до цифрових ключів, що призводить до інших міркувань, з яких слід розробляти аналогові ключі.

За типом електронні ключі можна розділити на:

• функціональні, що здійснюють перетворення вхідної логічної змінної у вихідну логічну змінну. Перетворення може вестися із загасанням – функціональний пасивний елемент (рис. а) та з посиленням, коли вихідна логічна змінна y черпає енергію від z. z – функціональний активний елемент (рис. б);
• логічні, що здійснюють перетворення (порівняння) кількох вхідних логічних змінних в одну, що є функцією цих вхідних логічних (рис. в).

Діодні ключі.

У діодних ключах використовується залежність опору діода від величини та знака прикладеної напруги.

Відомо, що струм діода визначається виразом: , де 26 мВ при 298К - температурний потенціал, m - коефіцієнт, що враховує вплив поверхневих струмів витоку германієвих, та генерації-рекомбінації в p-n переходух кремнієвих діодів (- 1.2...1.5, - 1.2...2). Тепловий струм діода практично не залежить від прикладеної до діода напруги та визначається електрофізичними властивостями напівпровідника та температурою його нагрівання, де - константа, що визначається матеріалом напівпровідника та концентраціями домішок, Uк - Контактна різниця потенціалів. З урахуванням активного опору р і n областей активний опірдіода одно:

При достатньо великих напругах(одиниці-десятки ом), при зворотному зміщеному переході (десятки-сотні ком).

Еквівалентна схемадіода представлена ​​на рис.1. Інерційність ключа визначається процесами накопичення неосновних носіїв області p-nпереходу, ємністю p-nпереходу, ємністю між висновками та індуктивністю висновків. Основним довідковим параметром, що визначає швидкодія діода, є час відновлення зворотного опору.

r уm - Опір витоку;

З 0 - Місткість між висновками діода;

L – індуктивність висновків;

З Д - дифузійна ємність p-nпереходу при прямому зміщенні;

Б - бар'єрна ємність p-n переходу при зворотному зміщенні

Рис.1 Еквівалентна схема діода

На основі діодних ключів можна будувати різноманітні логічні елементи (рис.2).

Рисунок 2 – Приклад логічних схем на основі діодних ключів

Електронні ключі на основі діодів є пасивними структурами, що призводить до ослаблення сигналу при проходженні таких ключів, що особливо помітно при побудові багатоступінчастих структур.

Інерційність діодних ключів обумовлена ​​накопиченням неосновних носіїв області p-n переходу, ємністю p-n переходу, ємністю та індуктивністю висновків. Крім наведених параметрів, мають значення також індуктивність і ємність навантаження, а також монтажні ємності. У довідниках на дискретні діоди найчастіше вказується час зворотного відновлення (відновлення зворотного опору), зумовлений дифузійним рухом неосновних носіїв. Для зменшення цього часу можуть використовуватися створення пасток, що сприяють рекомбінації неосновних носіїв або неоднорідної концентрації домішок (діоди з накопиченням заряду). Діодні ключі найчастіше використовуються як допоміжні вузли в цифровій та аналоговій техніці.

Електронні ключі на біполярних транзисторах.

Найчастіше використовуються ключі, зібрані за схемою із загальним емітером, як показано на рис. 3.

У ключовому режимі біполярний транзистор працює в режимі насичення (замкнутий ключ) або в режимі відсікання (розімкнутий ключ). Корисно пам'ятати, що в режимі насичення обидва переходи (колектор-база та емітер-база) відкриті, а в режимі відсічення - замкнені. У режимі насичення вихідний ланцюг транзистора можна уявити еквівалентним джерелом напруги, величина ЕРС якого наводиться в довідниках ( Uкенас - Напруга насичення). Строго кажучи, слід враховувати також внутрішній опір цього джерела, величина якого визначається крутизною нахилу лінії граничного режиму, однак у більшості практично важливих випадків для інженерних розрахунків можна обмежитися величиною - Uкенас . Резистори Rб і Rк повинні забезпечувати надійне замикання транзистора при низькому рівні керуючого сигналу у всьому діапазоні робочих температур та насичення при високому рівні керуючого сигналу.

Рисунок 3 – Схема електронного ключа на біполярному транзисторі

При розрахунку необхідно враховувати зворотний струмколектора, що протікає через резистор Rб , і створює падіння напруги на ньому. Сумарна напруга на емітерному переході визначається виразом:

де - максимальний зворотний струм колектора, Uo - Напруга низького рівня керуючого сигналу. Очевидно, для надійного замикання транзистора необхідно, щоб Uбе< Uбеотс . Необхідно враховувати сильну температурну залежність зворотного струму колектора і для розрахунку вибирати максимальне значення. В іншому випадку ключ може "підтікати" при зміні температури.

Відкритий транзистор може перебувати у активному режимі чи режимі насичення. Для електронних ключів активний режим є невигідним, тому що в цьому режимі колектор розсіюється значна потужність. Тому активний режим допустимо лише протягом перехідних процесів (де він, власне, неминучий).

Для забезпечення насичення необхідно виконувати співвідношення . Струм бази можна визначити за такою формулою: . Струм насичення визначається опором резистора в колі колектора, підсилювальними властивостями транзистора та опором між колектором та емітером у насиченому стані: . При розрахунках доцільно користуватися найгіршим значенням. Зазначимо, що при порушенні умови насичення транзистор переходить в активний режим, що супроводжується зростанням напруги на колекторі та збільшенням потужності розсіювання. У ряді випадків застосовують інший критерій насичення - пряме усунення обох переходів транзистора (база-емітер і база-колектор). В активному режимі перехід база-колектор зміщений у зворотному напрямку.

Використовуючи цей критерій, легко зрозуміти, що складовий транзистор (за схемою Дарлінгтона) не вдасться повністю наситити, оскільки база вихідного транзистора у разі може мати потенціал, рівний потенціалу колектора.

p align="justify"> Необхідною частиною проектування електронних ключів є оцінка їх динамічних властивостей, що визначають швидкість перемикання і втрати енергії на цьому етапі (динамічні втрати).

Перехідні процеси в електронному ключі на біполярному транзисторіхарактеризуються тривалістю циклу перемикання, який можна поділити на кілька окремих етапів:

Затримка увімкнення;

Включення (наростання струму до величини, що відповідає насичення);

Затримка вимкнення (обумовлена ​​розсмоктуванням заряду в базі під час переходу з режиму насичення в активний режим);

Вимкнення (зумовлене зменшенням струму колектора до значення, що відповідає відсіченню).

Необхідно також враховувати процеси заряду ємностей монтажу та навантаження, які не мають прямого відношення до транзистора, але можуть суттєво впливати на тривалість перехідного процесу загалом.

Розглянемо характерні ділянки перехідного процесуза часовими діаграмами (рис.4).

Рисунок 4 - Перехідні процеси у ключі на біполярному транзисторі

1. Транзистор замкнений, струм бази визначається оберненим струмом колектора, заряд у базі практично відсутній, на виході ключа високий рівень.
2. Потенціал на вході ключа стрибком збільшується, починається заряд вхідної ємності. Струми бази та колектора не змінюються, поки напруга на переході база-емітер не перевищує напруги відсічення (час затримки включення).
3. У момент перевищення напруги відсічення відкривається емітерний перехід і транзистор переходить в активний режим. Неосновні носії, що інжектуються в базу, порушують рівноважний стан бази, і починається накопичення заряду. Пропорційно збільшується струм колектора, зумовлений екстракцією носіїв область колектора. Час до переходу в режим насичення – час увімкнення.
4. У режимі насичення всі струми і напруги залишаються незмінними, у своїй заряд у основі продовжує наростати, хоч і з меншою швидкістю. Заряд, що перевищує величину, відповідну переходу режим насичення, називається надлишковим.
5. При стрибкоподібному зміні потенціалу на вході ключа струм бази також швидко зменшується, порушується рівноважний стан заряду бази і починається розсмоктування. Транзистор залишається насиченим, поки заряд не зменшиться до граничної величини, після чого переходить в активний режим (час затримки вимкнення).
6. В активному режимі заряд бази та струм колектора зменшуються доти, доки транзистор не перейде в режим відсічення. У цей момент вхідний опір ключа зростає. Цей етап визначає час вимкнення.
7. Після переходу транзистора в режим відсікання напруга на виході продовжує наростати, оскільки заряджаються ємності навантаження, монтажу та ємність колектора.

Вочевидь, ключову роль грає ступінь (глибина) насичення транзистора.

Для кількісної оцінки комутаційних параметрів можна скористатися такими виразами:

Існують схемотехнічні методи підвищення швидкодії ключа: ланцюжок, що форсує (рис. 5а) і нелінійний зворотний зв'язок (рис. 5б).

а) Ключ з форсуючим ланцюжком

б) Ключ із нелінійною зворотним зв'язком

Малюнок 5 - схемотехнічні прийоми підвищення швидкодії

Принцип роботи форсуючого ланцюжка очевидний: при відмиканні транзистора струм бази визначається процесом заряду форсуючої ємності (швидкий перехід в режим насичення), у відкритому стані струм бази визначається резистором, величина якого вибирається таким чином, щоб забезпечити неглибоке насичення транзистора. Таким чином, зменшується час розсмоктування неосновних носіїв у основі.

При використанні нелінійного зворотного зв'язку застосовується діод, увімкнений між базою та колектором транзистора. Замкнений діод не впливає на роботу схеми, коли ключ відкривається, діод виявляється зміщеним у прямому напрямку, а транзистор охоплений глибоким негативним зворотним зв'язком. Для зменшення часу вимикання необхідно забезпечити короткий час відновлення зворотного опору діода, для чого застосовуються діоди з бар'єром Шотки. Монолітна структура діода Шотки - біполярний транзистор називається транзистором Шотки.

Ключі на біполярних транзисторах мають ряд недоліків, що обмежують їхнє застосування:

Обмежена швидкодія, викликана кінцевою швидкістю розсмоктування неосновних носіїв у основі;

Значна потужність, споживана ланцюгами керування у статичному режимі;

При паралельному включенні біполярних транзисторів необхідно застосування резисторів, що вирівнюють, в ланцюгах емітерів, що призводить до зниження ККД схеми;

Термічна нестійкість, що визначається зростанням струму колектора зі збільшенням температури транзистора.

Електронні ключі на транзисторах польових.

В В даний час відбувається активне витіснення біполярних транзисторів з області ключових пристроїв. Значною мірою альтернативою є польові транзистори. Польові транзистори не споживають статичної потужності ланцюга управління, у яких відсутні неосновні носії, отже, не потрібен час їх розсмоктування, нарешті, зростання температури призводить до зменшення струму стоку, що забезпечує підвищену термостійкість.

З усього різноманіття польових транзисторів для побудови електронних ключів найбільшого поширення набули МДП – транзисториз індукованим каналом (в іноземній літературі – збагаченого типу). Транзистори цього характеризуються пороговим напругою, у якому виникає провідність каналу. В області малих напруг між стоком та витоком (відкритий транзистор) можна уявити еквівалентним опором (на відміну насиченого біполярного транзистора - джерела напруги). Довідкові дані на ключові транзистори цього типу включають параметр Rсиоткр - Опір сток-витік у відкритому стані. Для низьковольтних транзисторів величина цього опору становить десяті - соті частки Ом, що зумовлює малу потужність, що розсіюється на транзисторі в статичному режимі. На жаль, Rсиоткр помітно збільшується зі збільшенням максимально допустимої напруги сток-витік.

Рисунок 7 – Ключ на МДП транзисторі з індукованим затвором.

Необхідно враховувати, що режим насичення МДП-транзистора принципово відрізняється від режиму насичення біполярного транзистора. Перехідні процеси в ключах на польових транзисторах обумовлені перенесенням носіїв через канал і перезарядом міжелектродних ємностей, навантажувальних ємностей і монтажу. Так як електрони мають більш високу швидкодію, ніж дірки, то n-канальні транзистори мають кращу швидкодію в порівнянні з р-канальними.

У схемотехніці ключових пристроїв на польових транзисторах найчастіше використовується схема із загальним витоком, представлена ​​на рис.7а. Коли транзистор закритий, через нього протікає некерований (початковий) струм стоку. При відкритому транзисторі струм через транзистор повинен визначатися величиною опору навантаження та напругою живлення. Для надійного відмикання транзистора амплітуда напруги, що управляє, вибирається з умови:, де - Струм навантаження, Uо - гранична напруга,Sо - крутість ВАХ. В даний час випускається достатня номенклатура транзисторів, для управління якими достатньо напруги рівня ТТЛ.

Перехідні процеси в ключах на транзисторах МДП показані на малюнку 8.

Рисунок 8. Епюри напруги у ключі на польовому транзисторі.

Перехідні процеси в ключах на транзисторах МДПвідбуваються так:

Для зручності розрахунку тривалості перехідних процесів у ключах на МДП транзисторах доцільно використати параметр заряд увімкнення Qзвкл. Наприклад, транзистор з Qзвкл = 20 нКл можна включити за 20 мкс струмом 1мА і за 20 нс струмом 1А. Зазначений параметр наводиться у довідниках та визначається виробником експериментальним шляхом.

При роботі зі складними схемами корисним є використання різних технічних хитрощів, які дозволяють досягти поставленої мети малими зусиллями. Однією є створення транзисторних ключів. Чим вони є? Навіщо їх варто творити? Чому їх ще називають "електронні ключі"? Які особливості цього процесу є і на що слід звертати увагу?

На чому робляться транзисторні ключі

Вони виконуються з використанням польових або Перші додатково поділяються на МДП та ключі, які мають керуючий р-n-перехід. Серед біполярних розрізняють ненасичені. Транзисторний ключ 12 Вольт може задовольнити основні запити з боку радіоаматора.

Статичний режим роботи

У ньому проводиться аналіз закритого та відкритого стану ключа. У першому вході знаходиться низький рівень напруги, який позначає сигнал логічного нуля. При такому режимі обидва переходи знаходяться у зворотному напрямку (виходить відсічка). А на колекторний струм може вплинути лише тепловий. У відкритому стані на вході ключа знаходиться високий рівень напруги, що відповідає сигналу логічної одиниці. Можливою є робота у двох режимах одночасно. Таке функціонування може бути в області насичення або лінійної області вихідної характеристики. На них ми зупинимося докладніше.

Насичення ключа

У разі переходи транзистора є зміщеними у напрямі. Тому, якщо зміниться струм бази, значення на колекторі не зміниться. У кремнієвих транзисторах для отримання усунення 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, 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 із компромісних міркувань, орієнтуючись на завдання, яке необхідно буде виконати.

Недоліки ненасиченого ключа

А що буде, якщо не досягнуто оптимального значення? Тоді з'являться такі недоліки:

1. Напруга відкритого ключа впаде втратить приблизно до 0,5 Ст.
2. Погіршиться завадостійкість. Це пояснюється зростанням вхідного опору, що спостерігається в ключах, коли вони у відкритому стані. Тому перешкоди на кшталт стрибків напруги призводитимуть і до зміни параметрів транзисторів.
3. Насичений ключ має значну температурну стабільність.

Як бачите, цей процес все ж таки краще проводити, щоб зрештою отримати більш досконалий пристрій.

Швидкодія

Взаємодія з іншими ключами

І тому використовуються елементи зв'язку. Так, якщо перший ключ на виході має високий рівень напруги, то на вході другого відбувається відкриття та працює у заданому режимі. І навпаки. Такий ланцюг зв'язку істотно впливає на перехідні процеси, що виникають під час перемикання та швидкодії ключів. Ось як працює транзисторний ключ. Найбільш поширеними є схеми, у яких взаємодія відбувається лише між двома транзисторами. Але це зовсім не означає, що це не можна зробити пристроєм, в якому застосовуватиметься три, чотири або навіть більше елементів. Але на практиці такому складно знайти застосування, тому робота транзисторного ключа такого типу і не використовується.

Що вибрати

Із чим краще працювати? Уявімо, 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 0,5 мА, то напруга впаде на 40 мВ (на базі 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. Тому в них застосовуються спеціальні де є керуючий р-n-переход. Їхні переваги над біполярними побратимами такі:

1. Незначне значення залишкової напруги на ключі може проводки.
2. Високий опір і, як наслідок - малий струм, що протікає по закритому елементу.
3. Потрібна мала потужність, тому не потрібен значний джерело керуючого напруги.
4. Можна комутувати електричні сигнали низького рівня, що становлять одиниці мікровольт.

Транзисторний ключ реле – ось ідеальне застосування для польових. Звичайно, це повідомлення тут розміщене виключно для того, щоб читачі мали уявлення про їхнє застосування. Небагато знань і кмітливості - і можливостей реалізацій, у яких є транзисторні ключі, буде винайдено безліч.

Приклад роботи

Давайте розглянемо детальніше, як функціонує простий транзисторний ключ. Комутований сигнал передається з одного входу та знімається з іншого виходу. Щоб замкнути ключ, на затвор транзистора використовують подачу напруги, яка перевищує значення витоку і стоку на величину, велику в 2-3 В. Але при цьому слід бути обережним і не виходити за межі допустимого діапазону. Коли ключ закритий, його опір відносно великий - перевищує 10 Ом. Таке значення виходить завдяки тому, що додатково впливає ще й зворотний струм. зміщення p-nпереходу. У цьому ж стані ємність між ланцюгом сигналу, що перемикається, і керуючим електродом коливається в діапазоні 3-30 пФ. А зараз відкриємо транзисторний ключ. Схема і практика покажуть, що тоді напруга електрода, що управляє, буде наближатися до нуля, і сильно залежить від опору навантаження і комутованої характеристики напруги. Це зумовлено цілою системою взаємодій затвора, стоку та витоку транзистора. Це створює певні проблеми для роботи у режимі переривника.

Як вирішення даної проблеми були розроблені різні схеми, які забезпечують стабілізацію напруги, що протікає між каналом та затвором. Причому завдяки фізичним властивостям у такій якості можна використовувати навіть діод. Для цього його слід включити у прямий напрямок замикаючої напруги. Якщо буде створюватись необхідна ситуація, то діод закриється, а р-n-перехід відкриється. Щоб при зміні напруги, що комутується, він залишався відкритим, і опір його каналу не змінювалося, між витоком і входом ключа можна включити високоомний резистор. Наявність конденсатора значно прискорить процес перезарядки ємностей.

Розрахунок транзисторного ключа

Для розуміння наводжу приклад розрахунку, можете підставити свої дані:

1) Колектор-емітер - 45 В. Загальна потужність, що розсіюється, - 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 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 у 62 Ом: 3,45 \ 62 = 0,0556 мА.

5) Вважаємо струм 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 насамкінець про назву "електронні ключі". Справа в тому, що стан змінюється під дією струму. А що він є? Правильно, сукупність електронних зарядів. Від цього й походить друга назва. Ось загалом і все. Як бачите, принцип роботи та схема устрою транзисторних ключів не є чимось складним, тому розібратися в цьому - справа посильна. Слід зазначити, що навіть автору цієї статті для освіження власної пам'яті потрібно було трохи скористатися довідковою літературою. Тому при виникненні запитань до термінології пропоную згадати наявність технічних словників і проводити пошук нової інформації про транзисторні ключі саме там.

Транзистор у режимі ключа? Якого ще ключа? Такого?

А можливо такого?

Ключ від скрині 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, віджали - вийшов обрив ланцюга і струм перестав текти. УСЕ! 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 ключ виконує лише двіоперації: в КЛЮЧено і ви КЛЮЧено, проміжний режим між "ввімкнено" та "вимкнено" ми будемо розглядати в наступних розділах. Електромагнітне реле виконує ту ж саму функцію, але його швидкість перемикання дуже повільна з погляду сучасної електроніки, та й комутують контакти швидко зношуються.

Що таке 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 потрібен 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, щоби 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, що прилягає до початку координат (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Польовий транзисторз каналом p-типу

Звернемо увагу, що характеристики у третьому квадранті відповідають заданим напруженням між затвором та 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 уникнути трансформаторів в ланцюгах управління.

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 більше порогової напруги U зи.порігтранзистора, то він відкривається і напруга u сізменшується.

Логічні елементи

Логічний елемент (логічний вентиль) – це електронна схема, яка виконує деяку просту 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.

Найбільш важливі параметрилогічних 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 по виходу"). Величина До про- Це число логічних входів, величина До раз– максимальна кількість однотипних 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 таке максимально допустима напругастатичної перешкоди на вході, у якому ще 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.

Вхідна порогова напруга 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 характерне 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). Як базовий елемент серії 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 та 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 В;

вихідна напруга низького рівня не більше 0,4 В;

вихідна напруга високого рівняне менше 2,5 В;

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 Вдля серії К1500. Транзистори цієї мікросхеми не входять до режиму насичення, що є однією з причин високої швидкодії елементів ЕСЛ.

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 уникнення 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, ніж кремнію). Мікросхеми на основі GaAs можуть працювати на частотах близько 10 ГГц.