Транзисторный ключ

Транзисторный ключ - устройство, предназначенное для управления мощной нагрузкой с помощью сравнительно слабого сигнала. Подобно тому, как обычный ключ замыкает и отмыкает замок, транзисторный ключ замыкает и отключает электронную цепь. На заре электроники для этой цели использовались электромагнитные реле, но постепенно они вытеснялись электронными ключами благодаря преимуществам последних: у электронных ключей отсутствуют движущиеся детали (следовательно, нет механического износа со временем) и выше быстродействие.

Содержание:

• Режим работы транзистора в ключе
• Расчёт транзисторного ключа
• Способы ускорения переключения
• Подключение индуктивной нагрузки
• Инверсия сигнала
• Особенности ключей на полевых транзисторах

Схема простейшего транзисторного ключа на биполярном транзисторе приведена на рисунке:

Режимы работы транзистора в ключе

Параметры схемы подобраны таким образом, что транзистор находится в одном из двух основных режимов.

Режим отсечки.  Сигнал на базе отсутствует, транзистор закрыт. На обоих его pn-переходах нулевое либо обратное смещение. Сопротивление транзистора очень велико, через него протекают только мизерные токи утечки, которыми можно пренебречь.

Режим насыщения. Оба pn-перехода транзистора смещены в прямом направлении.  В этой ситуации носители заряда инжектируются в базу не только из эмиттера, но и из коллектора. Сопротивление транзистора минимально, и обычно при расчётах принимается за 0. Ток коллектора максимален и уже не зависит от тока базы. То есть, в режиме насыщения ток базы не управляет коллекторным током.

Ну и во время переключения транзистор только на очень короткое время проходит через активный режим. В этом отличие ключей от усилителей аналоговых сигналов, рассмотренных ранее. Там транзистор работает только в активном режиме, и не должен достигать ни отсечки ни насыщения, чтобы не срезать часть сигнала.

Расчёт транзисторного ключа

Исходные параметры:

• U_вх - величина управляющего сигнала на входе, которым открывается ключ
• I _{вх.макс.} - максимальный ток, который может обеспечить предыдущий каскад, например, микроконтроллер.
• U_нагр - напряжение на нагрузке
• I_нагр - ток, потребляемый нагрузкой

Алгоритм расчёта:

1. По справочнику подбираем транзистор. Допустимый коллекторный ток должен с запасом превышать I_нагр, допустимое напряжение К-Э также с запасом больше U_пит. Коэффициент усиления транзистора h_21э должен быть не меньше, чем отношение I_нагр / I _{вх.макс.}
2. Если U_нагр < U_пит, придётся последовательно с нагрузкой поставить ограничивающий резистор R_огр. Пример: питание 9 В, нужно подключить светодиод, рабочее напряжение которого 3 В при токе 50 мА. Тогда на ограничивающем резисторе должно падать 9 - 3 = 6 В (не учитываем тут небольшое падение на открытом транзисторе, оно составляет порядка 0.1 - 0.2 В). Тогда сопротивление R_огр по закону Ома равно 6 В / 0.05 А = 120 Ом.
3. Считаем ток базы: I_б = I_нагр / h_21э. Если в справочнике приведён диапазон для h_21э, берём минимальное значение.
4. Считаем резистор R_б, который задаёт ток базы. Учитываем, что на переходе Б-Э падает около 0.6 В для кремниевых транзисторов. Внимание! Для составных транзисторов это значение увеличивается до 1.2 - 1.4 В. Итак, R_б = (U_вх - U_б-э)/I_б

Способы ускорения переключения

Главное, что требуется от ключа - быстро реагировать на управляющий сигнал. Есть несколько способов улучшить приведённую выше схему, чтобы повысить её быстродействие.

Для начала обсудим момент отключения. Когда пропадает сигнал на базе, накопленным в базе зарядам нужно куда-то деться. Хорошо, если вход ключа подключен к push-pull выходу, и заряды могут стечь через R_б. А если предыдущий каскад сконструирован таким образом, что база просто остаётся висеть в воздухе? Рассеивание зарядов естественным образом происходит сравнительно медленно, и всё это время транзистор остаётся открытым, при том, что управляющего сигнала уже нет.

Чтобы устранить данный недостаток, в схему добавляют резистор между базой и эмиттером, через который накопленные заряды могут стечь:

Сопротивление R_бэ должно быть не слишком велико, чтобы транзистор быстрее выключался. Но и не слишком мало, чтобы не забрать на себя весь входной ток, и тогда транзистор просто перестанет открываться.

Чтобы ускорить переключение транзисторного ключа, иногда применяют ускоряющий конденсатор:

После появления управляющего сигнала в первый момент времени сопротивление конденсатора C₁ нулевое, и ток базы ограничен только R_б1. По мере заряда конденсатора ток плавно падает и в итоге задаётся уже суммой R_б1 +  R_б2 (конденсатор полностью заряжен и не проводит).

Этот же конденсатор помогает ускорить закрытие транзистора: в момент выключения заряженный конденсатор оказывается приложен "минусом" к базе, так что положительный заряд базы быстро утекает через C₁.

Наконец, полностью устранить задержку выключения можно, если не давать транзистору входить в режим насыщения. С этой целью подключают диод, который не даёт возникнуть прямому смещению на переходе коллектор-база:

Диод обеспечивает нелинейную отрицательную обратную связь. Он открывается, когда напряжение на коллекторе падает слишком низко, и поддерживает транзистор на границе активного режима и режима насыщения. Предпочтительнее применять диод Шоттки, т.к. у него ниже падение напряжения на открытом диоде.

Такая комбинация (транзистор + диод Шоттки) часто используется в микросхемах при реализации транзисторных ключей, и называется транзистор Шоттки.

Подключение индуктивной нагрузки

Если нагрузка обладает индуктивностью (некоторые двигатели, мощные реле), при её подключении есть некоторые особенности.

Прежде всего, в момент отключения за счёт ЭДС самоиндукции на такой нагрузке возникнет скачок обратного напряжения, который по амплитуде может даже превышать напряжение питания (см. эксперименты с реле). Чтобы защитить схему от этого скачка, параллельно нагрузке включают защитный диод. В штатном режиме он заперт, а в момент отключения берёт на себя скачок обратного напряжения.

Для включения индуктивной нагрузки в первый момент может быть необходим достаточно большой ток, чтобы преодолеть самоиндукцию. А в стабильном состоянии, для поддержания работы ток можно уменьшить. Это реализуется уже знакомым нам приёмом, с помощью ускоряющего конденсатора.

Инверсия сигнала

Транзисторный ключ может быть использован и для инверсии сигнала, вот таким образом:

Когда есть сигнал на базе, транзистор открыт и шунтирует нагрузку, она выключена. Когда транзистор закрыт, нагрузка включается.

Кроме того, стоит упомянуть, что транзисторный ключ может быть сконструирован не только по схеме с ОЭ, но и ОК или ОБ - в зависимости от сопротивлений источника сигнала и нагрузки.

В данной статье во всех схемах с биполярными транзисторами используется тип n-p-n, но с таким же успехом можно применять и p-n-p транзисторы, если заменить полярность питания и управляющего сигнала на противоположную.

Особенности ключей на полевых транзисторах

На рисунке приведена схема простейшего ключа на полевом транзисторе.

Этот тип полевых транзисторов (с изолированным затвором, MOSFET) имеет очень высокое входное сопротивление, и управляется не током, а напряжением. Однако, в момент включения/выключения происходит заряд/разряд конденсатора, образованного затвором и подложкой. R_з в этой схеме служит именно для того, чтобы ограничить ток заряда/разряда этого конденсатора. По сути, защитить источник сигнала от чрезмерных для него токов.

Также, в случае полевых транзисторов нельзя оставлять висящий затвор, его обязательно подтягивать к земле или к питанию (в зависимости от типа транзистора). Иначе возможны ложные срабатывания ключа.

Иногда перед полевым транзистором ставят ещё ключ с биполярным транзистором. Во-первых, этот дополнительный каскад помогает повысить напряжение - для открытия полевого транзистора на затвор нужно подать около 10 В, не каждый микроконтроллер на это способен. Во-вторых, биполярный транзистор обеспечивает больший ток включения, что повышает быстродействие схемы.

Или, можно воспользоваться микросхемой-драйвером, которая управляет мощным полевиком и обеспечивает все необходимые токи и напряжения.