Site Loader

Содержание

Управление мощной нагрузкой · Вадим Великодный

06 Jan 2017

На практике часто возникает необходимость управлять при помощи цифровой схемы (например, микроконтроллера) каким-то мощным электрическим прибором. Это может быть мощный светодиод, потребляющий большой ток, или прибор, питающийся от электрической сети. Рассмотрим типовые решения этой задачи.

Будем считать, что нам нужно только включать или выключать нагрузку с низкой частотой. Части схем, решающие эту задачу, называют ключами. ШИМ-регуляторы, диммеры и прочее рассматривать не будем (почти).

Условно можно выделить 3 группы методов:

  1. Управление нагрузкой постоянного тока.
    • Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
    • Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
    • Транзисторный ключ на IGBT.
  2. Управление нагрузкой переменного тока.
    • Тиристорный ключ.
    • Симисторный ключ.
  3. Универсальный метод.

Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах, то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.

Простейший ключ

Простейший ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит следующим образом.

Вход слева подключается к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема построена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull») выходом, то логическая «1» фактически означает подключение этого входа к питанию, а логический «0» — к земле.

Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через нагрузку.

Резистор R1 играет важную роль — он ограничивает ток через переход база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограничен и просто испортил бы управляющую микросхему (ведь именно она связывает линию питания с транзистором).

Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен значением около 25 мА (для STM32). В интернете можно встретить утверждения, что микроконтроллеры AVR выдерживают ток в 200 мА, но это относится ко всем выводам в сумме. Предельное допустимое значение тока на один вывод примерно такое же — 20-40 мА.

Это, кстати, означает, что подключать светодиоды напрямую к выводам нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а с ними светодиодам не будет хватать тока, чтобы светить ярко.

Обратите внимание, что нагрузка (LOAD) подключена к коллектору, то есть «сверху». Если подключить её «снизу», у нас возникнет несколько проблем.

Допустим, мы хотим при помощи 5 В (типичное значение для цифровых схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это значит, что на базе мы можем получить максимум 5 В. А с учётом падения напряжения на переходе база — эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше. Если падение напряжения на переходе равно 0,7 В,то получаем, что на нагрузку остаётся только 4,3 В, чего явно недостаточно. Если это, например, реле, оно просто не сработает. Напряжение не может быть выше, иначе тока через базу вообще не будет. Наличие падения напряжения на нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.

Для расчёта сопротивления R1 нужно вспомнить соотношение для упрощённой модели транзистора:

\[I_к = \beta I_б.\]

Коэффициент \(\beta\) — это коэффициент усиления по току. Его ещё обозначают \(h_{21э}\) или \(h_{FE}\). У разных транзисторов он разный.

Зная мощность нагрузки \(P\) и напряжение питания \(V\), можно найти ток коллектора, а из него и ток базы:

\[I_б = \frac1{\beta} \frac{P}{V}.\]

По закону Ома получаем:

\[R_1 = \frac{V}{I_б}.\]

Коэффициент \(\beta\) не фиксированная величина, он может меняться даже для одного транзистора в зависимости от режима работы, поэтому лучше брать значение тока базы при расчёте чуть больше, чтобы был запас по току коллектора. Главное помнить, что ток базы не должен превышать предельно допустимое для микросхемы.

Также важно при выборе модели транзистора помнить о предельном токе коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

Ниже как пример приведены характеристики некоторых популярных транзисторов с проводимостью n-p-n.

Модель \(\beta\) \(\max\ I_{к}\) \(\max\ V_{кэ}\)
КТ315Г 50…350 100 мА 35 В
КТ3102Е 400…1000 100 мА 50 В
MJE13002 25…40 1,5 А 600 В
2SC4242 10 7 А 400 В

Модели выбраны случайно, просто это транзисторы, которые легко найти или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, конечно, можно использовать любой n-p-n-транзистор, подходящий по параметрам и цене.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель, который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять, например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Цвет \(I_{LED}\) \(V_{LED}\)
Красный 20 мА 1,9 В
Зеленый 20 мА 2,3 В
Желтый 20 мА 2,1 В
Синий (яркий) 75 мА 3,6 В
Белый (яркий) 75 мА 3,6 В

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока равен \(\beta = 50\) (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно \(V_{LED} = 3{,}6\,\textrm{В}\), а напряжение насыщения транзистора \(V_{CE} = 0{,}4\,\textrm{В}\) то напряжение на резисторе R2 будет равно \(V_{R2} = 5{,}0 — 3{,}6 — 0{,}4 = 1\,\textrm{В}\). Для рабочего тока светодиода \(I_{LED} = 0{,}075\,\textrm{А}\) получаем

\[R_2 = \frac{V_{R2}}{I_{LED}} = \frac{1}{0{,}075} \approx 15\,\textrm{Ом}.\]

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

Для тока \(I_{LED} = 0{,}075\,\textrm{А}\) управляющий ток должен быть в \(\beta = 50\) раз меньше:

\[I_б = \frac{I_{LED}}{\beta} \approx 1{,}5\,\textrm{мА}.\]

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным \(V_{EB} = 0{,}7\,\textrm{В}\).

Отсюда

\[R_1 = \frac{V — V_{EB}}{I_б} \approx 2{,}7\,\textrm{кОм}\]

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент \(\beta\) может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты \(\beta\) двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.

Модель \(\beta\) \(\max\ I_{к}\) \(\max\ V_{кэ}\)
КТ829В 750 8 А 60 В
BDX54C 750 8 А 100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET, то есть полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её «снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует, фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

\[I_{разр} = \frac{V}{R_1},\]

где \(V\) — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени \(\tau = RC\) увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это пороговое напряжение \(V_{th}\), максимальный ток через сток \(I_D\) и сопротивление сток — исток \(R_{DS}\) у открытого транзистора.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель \(V_{th}\) \(\max\ I_D\) \(\max\ R_{DS}\)
2N7000 3 В 200 мА 5 Ом
IRFZ44N 4 В 35 А 0,0175 Ом
IRF630 4 В 9 А 0,4 Ом
IRL2505 2 В 74 А 0,008 Ом

Для \(V_{th}\) приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов, то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — потому что транзистор сверху.

Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например, IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять «висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее эффективно использовать транзистор.

IGBT

Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно использовать в качестве ключа — это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Они сочетают в себе преимущества как МОП-, так и биполярных транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения предельно допустимых напряжений и токов.

Управлять ключом на IGBT можно так же, как и ключом на MOSFET. Из-за того, что IGBT применяются больше в силовой электронике, они обычно используются вместе с драйверами.

Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления IGBT.

Пример IGBT — IRG4BC30F.

Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или две линии — для контроллера и нагрузки).

Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые распространённые — это использование тиристоров, симисторов и реле. Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.

Тиристоры и симисторы

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:

  • открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
  • закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

  • подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
  • подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания (\(I_H\)). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например, MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое — симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для России, Украины и многих других стран) — это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно \(\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,\textrm{В}\).

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В — это 325 В. Лучше брать с запасом.

Типичные значения: \(C_1 = 0{,}01\,\textrm{мкФ}\), \(R_4 = 33\,\textrm{Ом}\).

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь \(I_H\) — ток удержания, \(\max\ I_{T(RMS)}\) — максимальный ток, \(\max\ V_{DRM}\) — максимальное напряжение, \(I_{GT}\) — отпирающий ток.

Модель \(I_H\) \(\max\ I_{T(RMS)}\) \(\max\ V_{DRM}\) \(I_{GT}\)
BT134-600D 10 мА 4 А 600 В 5 мА
MAC97A8 10 мА 0,6 А 600 В 5 мА
Z0607 5 мА 0,8 А 600 В 5 мА
BTA06-600C 25 мА 6 А 600 В 50 мА

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой, причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

  • это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
  • меньшая скорость переключения,
  • сравнительно большие токи для переключения,
  • контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле. Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может возникнуть перед радиолюбителем.

  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
  2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
  4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
  5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
  6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
  7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  8. Управление MOSFET-ами #1
  9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
  10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Все схемы нарисованы в KiCAD. В последнее время для своих проектов использую именно его, очень удобно, рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и проектировать печатные платы.

схема, принцип работы и особенности :: SYL.ru

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

  1. Коллектор.
  2. Эмиттер.
  3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15… 14 А, напряжений 50… 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

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.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

  1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
  2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

  1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
  2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
  3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
  4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

  1. P-N-P.
  2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

  1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
  2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
  3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер — коллектор» может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

  1. Биполярный транзистор.
  2. Резистор для ограничения входного тока.
  3. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Транзисторный коммутатор переменного тока



Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

  1. Коллектор.
  2. Эмиттер.
  3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

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.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

  1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
  2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

  1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
  2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
  3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
  4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

  1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
  2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
  3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер — коллектор» может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

  1. Биполярный транзистор.
  2. Резистор для ограничения входного тока.
  3. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Источник

Полевой транзистор как коммутатор (JFET)

Как и биполярный родственник, полевой транзистор может использоваться в качестве коммутатора вкл/выкл, управляющего подачей питания на нагрузку. Давайте начнем исследование использование полевого транзистора в качестве коммутатора со знакомой схемы включения лампы:

Помня о том, что управляемый ток в полевом транзисторе течет между истоком и стоком, мы заменяем контакты ключа на рисунке выше выводами истока и стока:

Если вы еще не заметили, выводы истока и стока полевого транзистора выглядят на условном обозначении одинаково. В отличие от биполярного транзистора, где эмиттер четко отличается от коллектора наличием стрелки, линии истока и стока полевого транзистора выглядят как линии, перпендикулярные полосе, представляющей полупроводниковый канал. Это не случайно, поскольку выводы истока и стока полевого транзистора на практике часто являются взаимозаменяемыми! Другими словами, полевые транзисторы обычно способны обрабатывать ток канала любого направления, от истока к стоку или от стока к истоку.

Теперь всё, что нам нужно на схеме, – это способ управления проводимостью полевого транзистора. При нулевом приложенном напряжении между затвором и истоком канал полевого транзистора будет «открыт», что позволит току протекать к лампе. Чтобы выключить лампу, нам нужно будет подключить еще один источник постоянного напряжения между выводами затвора и истока полевого транзистора следующим образом:

Замыкание этого ключа «пережмет» канал полевого транзистора, заставив его перейти в режим отсечки и выключить лампу:

Обратите внимание, что через затвор ток не протекает. Как PN переход с обратным смещением, он твердо противостоит потоку через него любых электронов. Как устройство, управляемое напряжением, полевой транзистор требует незначительного входного тока. Это является достоинством полевого транзистора по сравнению с биполярным транзистором: для управляющего сигнала требуется практически нулевая мощность.

Размыкание управляющего ключа должно снова отключить от затвора постоянное напряжение обратного смещения, таким образом позволяя транзистору снова открыться. В идеале, так это должно работать. На практике это может не работать вовсе:

После размыкания ключа ток через лампу не протекает!

Почему? Почему канал полевого транзистора не открывается снова и не пропускает ток через лампу, как он делал ранее без напряжения, приложенного между затвором и истоком? Ответ заключается в работе обратно смещенного перехода затвор-исток. Область истощения в этом переходе действует как изолирующий раздел, отделяющий затвор от истока. Таким образом, он обладает определенной емкостью, способной хранить потенциал электрического разряда. После того, как этот переход был принудительно обратно смещен подачей внешнего напряжения, он будет стремиться удерживать это напряжение обратного смещения, как сохраненный заряд, даже после того, как источник этого напряжения был отключен. То, что необходимо для повторного открытия полевого транзистора, заключается в том, чтобы слить этот накопленный заряд между затвором и истоком через резистор:

Через резистор стекает заряд, сохраненный в PN переходе, чтобы позволить транзистору открыться снова

Величина резистора не очень важна. Емкость перехода затвор-исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно высокоомный разрядный резистор создает быструю постоянную времени RC цепи, позволяя транзистору снова начать проводить ток с небольшой задержкой после размыкания ключа.

Как и с биполярным транзистором, не имеет большого значения, откуда подается управляющее напряжение. Мы могли бы использовать солнечный элемент, термопару или любой другой тип устройства, генерирующего напряжение, чтобы обеспечить напряжение, управляющее проводимостью полевого транзистора. Всё, что требуется от источника напряжения для работы коммутатора на полевом транзисторе, – это достаточное напряжение, чтобы обеспечить отсечку канала полевого транзистора. Этот уровень обычно составляет несколько вольт постоянного напряжения и называется напряжением срабатывания или отсечки. Точное напряжение срабатывания для любого заданного полевого транзистора является функцией его уникальной конструкции и не является универсальным значением, например, как 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого биполярного транзистора.

Источник

Транзисторный ключ переменного тока

Для коммутации нагрузок в цепях переменного тока в последнее время все чаще стали применяться схемы с использованием мощных полевых транзисторов. Этот класс приборов представлен двумя группами. К первой отнесены биполярные транзисторы с изолированным затвором – БТИЗ. Западная аббревиатура – IGBT.

Во вторую, самую многочисленную вошли традиционные полевые (канальные) транзисторы. К этой группе относятся и транзисторы КП707 (см. таблицу 1), на которых и собран коммутатор нагрузки для сети 220 вольт.

Первична сеть переменного тока очень опасная вещь во всех отношениях. Поэтому существует много схемных решений, позволяющих избежать управления нагрузками в сети напрямую. Ранее для этих целей использовались разделительные трансформаторы, в настоящее время им на смену пришли разнообразные оптроны.

Транзисторный ключ с оптической развязкой

Схема, ставшая уже типовой, показана на рисунке 1.

Данная схема позволяет гальванически развязать управляющие цепи и цепь первичной сети 220 вольт. В качестве развязывающего элемента применен оптрон TLP521. Можно применить и другие импортные или отечественные транзисторные оптроны. Схема простая и работает следующим образом. Кода напряжение на входных клеммах равно нулю, светодиод оптрона не светится, транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных коммутирующих транзисторов. Таким образом, на их затворах присутствует открывающее напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона VD1. В этом случае транзисторы открыты и работают по очереди, в зависимости от полярности напряжения в данный момент времени. Допусти, на выходном выводе схемы 4 присутствует плюс, а на клемме 3 – минус. Тогда ток нагрузки потечет от клеммы 3 к клемме 5, через нагрузку к клемме 6, далее через внутренний защитный диод транзистора VT2, через открытый транзистор VT1 к клемме 4. При смене полярности питающего напряжения, ток нагрузки потечет уже через диод транзистора VT1 и открытый транзистор VT2. Элементы схемы R3, R3, C1 и VD1 не что иное, как безтрансформаторный источник питания. Номинал резистора R1 соответствует входному напряжению пять вольт и может быть изменен при необходимости.

Вся схема выполнена в виде функционально законченного блочка. Элементы схемы установлены на небольшой П-образной печатной плате, показанной на рисунке 2.

Сама плата одним винтом крепится к пластине из алюминия с размерами 56×43х6 мм, являющейся первичным теплоотводом. К ней же через теплопроводную пасту и слюдяные изолирующие прокладки с помощью винтов с втулками крепятся и мощные транзисторы VT1 и VT2. Угловые отверстия сверятся и в плате и в пластине и служат, при необходимости, для крепления блока к другому более мощному теплоотводу.

Источник

Транзисторный ключ

С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

Здесь мы научимся выполнять расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе (БТ). Одно из распространённых их применений – согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами, семисегментными индикаторами, шаговыми двигателями и т.п.

Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Электронные ключи глубоко проникли и укоренились в области автоматики, вытеснив механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитного реле транзисторный ключ лишен подвижных механических элементов, что значительно увеличивает ресурс, быстродействие и надежность устройства. Скорость включения и отключения, то есть частота работы несравнимо выше с реле.

Однако и электромагнитные реле обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле значительно меньше, чем на полупроводниковых элементах, находящихся в открытом состоянии. Кроме того реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей с низковольтными.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Входная статическая характеристика

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы UКЭ. Коллекторный ток IК близок к нулю. При этом ток в цепи базы IК также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.

Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток IКимеет некое значение, которое зависит от величин UКЭ и RК. В цепи база-эмиттер также протекает ток IБ, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.

В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.

Расчет транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.

Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.

Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора RК и базы RБ. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Порядок расчета

Расчет начнем с определения сопротивления резистора RК, который предназначен для ограничения величины тока IК, протекающего через светодиод VD. RК находится по закону Ома:

Величина IК равна IVD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение UКЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔUVD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔUКЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление RК:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала RК = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод IVD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы RБ:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔURб и IБ. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔURб:

UБЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:

Для определения тока базы IБ необходимо знать IК, который мы ранее пересчитали (IК = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.

Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниж е.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили RК и RБ по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.

Источник

Схема транзисторного ключа для реле

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

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.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

  1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
  2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

  1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
  2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
  3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
  4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

  1. P-N-P.
  2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

  1. От микроконтроллера через переход «база – эмиттер».
  2. При этом канал «коллектор – эмиттер» открывается.
  3. Через канал «коллектор – эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов – около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер – коллектор» может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер – коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор – эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор – эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база – эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

  1. Биполярный транзистор.
  2. Резистор для ограничения входного тока.
  3. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор – эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

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.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

  1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
  2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

  1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
  2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
  3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
  4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

  1. P-N-P.
  2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

  1. От микроконтроллера через переход «база – эмиттер».
  2. При этом канал «коллектор – эмиттер» открывается.
  3. Через канал «коллектор – эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов – около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер – коллектор» может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер – коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор – эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор – эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база – эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

  1. Биполярный транзистор.
  2. Резистор для ограничения входного тока.
  3. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор – эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой.

С чего все начиналось

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку – ток побежал, отжали – получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку – сигнал есть, отжали пипку – сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между “включено” и “выключено” мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор “R” здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Базовая схема транзисторного ключа

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антенной, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится!

Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз при отключении заземлять базу? В идеале – да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме “отсечки“.

Расчет транзисторного ключа

Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:

Для начала можно найти ток базы:

IБ – это базовый ток, в Амперах

kНАС– коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

IK– коллекторный ток, в Амперах

Ну а дальше дело за малым

Это самый простой расчет без всяких заморочек.

Расчет транзисторного ключа на практике

Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения. На базу будем подавать распространенное питание в 5 В.

Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б и лампочку-нагрузку для нашего транзисторного ключа. Лампочка на 6 В.

Транзистор КТ819Б структуры NPN

А вот и его цоколевка

Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.

Лампочка при питании 6 В светит примерно вот так:

А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее соединить напрямую к блоку питания.

0,23 Ампера. Именно такую силу тока должна кушать наша лампочка в режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт. То есть это у нас будет коллекторный ток Ik . Так как сопротивление нити накала лампочки меняется при подключении ее к источнику питания, то лучше всего сразу же измерить ее силу тока, как мы и сделали.

Теперь дело за малым. Надо замерить коэффициент бета. Для этого случая на моем рабочем столе есть прибор транзисторметр. Итак, у меня получилось значение 148

Итак, находим ток базы по формуле

Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Здесь уже вы сами должны выбрать значение коэффициента насыщения. Как я уже писал выше, чем больше коэффициент, тем сильнее уходит транзистор в режим насыщения. Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=UКЭ х IН

P – это мощность в Ваттах

UКЭ – напряжение между коллектором и эмиттером, В

IН – сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А

Из формулы: чем меньше UКЭ , тем меньше будет греться транзистор

Поэтому, берем среднее значение коэффициента насыщения равное 3. Получаем:

Теперь считаем базовый резистор по формуле:

Берем ближайший из ряда, то есть 1 кОм.

Давайте посмотрим, будет ли работать наш транзисторный ключ? Итак, RБ берем рассчитанное значение в 1 кОм.

Собираем схему и смотрим, как она работает

В данном случае синие провода – это питание с Bat2 (MEILI), а другие два провода – это питание с блока питания Bat1 (YaXun)

Как вы помните, лампочка у нас потребляла силу тока в 0,23 Ампер при прямом включении ее к блоку питания. Сейчас же она кажет почти то же самое значение с небольшой погрешностью. Но можно все равно сказать, что при открытом транзисторном ключе сопротивление коллектора-эмиттера очень мало. То есть все напряжение поступает на лампу.

Так как амперметр на YaXun стрелочный и не может измерять очень маленькие значение тока, то воспользуемся мультиметром и посмотрим, сколько же потребляет наш транзистор в режиме полного открытия. Для этого ставим мультиметр в разрыв цепи. Более подробно, как измерять силу тока и напряжение мультиметром, вы можете прочитать в этой статье.

Мы получили 4,5 мА. Очень близко к расчетному 4,7 мА. Не забываем подтянуть базу к земле резистором большим номиналом RБЭ, иначе база может поймать помеху и открыть невзначай транзистор, что приведет к ложному срабатыванию. В нашем случае мы берем резистор от 10 кОм и более.

Ну все, такой транзисторный ключ будет уже защищен от ложных срабатываний и его можно использовать в своих электронных безделушках.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Заключение

В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.

Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности


Несмотря на достаточно большое разнообразие, на строительном рынке, инструментов для завинчивания либо свинчивания различных трубных соединений, особое внимание специалисты уделяют цепному ключу. Цепной ключ является ярким представителем ручного слесарного инструмента, предназначенного для проведения монтажа труб или арматуры в труднодоступных местах. Подобное оборудование позволяет работать в условиях, где использование стандартного разводного или губчатого ключа является невозможным.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

  1. Коллектор.
  2. Эмиттер.
  3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Наборы гаечных ключей

Виды и характеристики для сравнения ключей, предоставленные выше, помогут определиться с выбором необходимого инструмента. Однако гораздо проще держать при себе наборы из таких приспособлений разного типа и формата.

Какие ключи лучше выбрать? Всё зависит от специфики вашей деятельности, и других параметров. Например, при покупке инструментов лучше ориентироваться не на стоимость, а на качество используемых материалов – только так изделие прослужит своему владельцу верой и правдой долгие годы, а не сломается после двух месяцев эксплуатации.

Стоит уделить внимание ключам из хромванадиевой стали, с добавлением специального сплава.

В средне укомплектованный набор входят:

  • Рожковые
  • Накидные
  • Комбинированные

С помощью этих трех типов изделий вы сможете легко открутить или закрутить практически любую деталь. Размеры гаечных ключей также играют большую роль, поскольку в ответственный момент нужного инструмента может просто не оказаться под рукой.

Именно поэтому в наборах вы найдете разные насадки, и увеличить диапазон работы. Немаловажным фактором будет наличие торцевых ключей, полезных при работе в углублениях, например, если нужно открутить болт в колесе автомобиля.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15… 14 А, напряжений 50… 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Запись на заготовку

Запись информации на носители осуществляется при помощи специальных устройств, программаторов. К примеру, устройство Keymaster PRO 4 RF, является универсальным программатором, как для стандарта Touch memory, так и для бесконтактных, радиочастотных RFID устройств. Позволяет копировать ключи на заготовки:

  • RW/ТМ 2004;
  • КС 1, 3;
  • ТМ – 01, 07, 08;
  • RW 1990, 2007, 125RF.

Поддерживает стандарты наиболее распространенных производителей:

Для Touch memory:

  • Для RFID:
  • EM-Marin;
  • Indala и некоторые другие.
  • Запись заготовки производится в одно касание. Алгоритм копирования ключа следующий:

    1. К считывателю подносится ключ, который необходимо скопировать.
    2. Устройство самостоятельно определяет тип, производителя и модель рекомендуемой заготовки.
    3. К считывателю подносится заготовка. И нажимается кнопка на запись.
    4. Производится запись в память ключа.

    Кроме того, устройство может производить запись без ключа исходника, если известен код, записанный в память. Дубликатор подключается к ПК через USB порт и имеет собственное ПО, которое сохраняет в памяти 500 последних записей, и ведет распределение записей Touch memory и RFID. Такое дорогостоящее оборудование не по карману большинству простых пользователей, но существуют и более простые модели с ограниченным функционалом:

    • KeyMaster 3;
    • KeyMaster 3 RF – поддерживает бесконтактные метки;
    • TMD-5 RFID;
    • TM-Pro.

    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.

    Как разобрать и снять переключатель душа на смесителе

    Как уже говорилось, все устройства имеют свои конструктивные особенности, этим и обусловлены различия в разборе и ремонте изделий.

    Пробковый

    Пробковые переключатели имеют собственное деление на три категории. Они бывают:

    1. Ручные. Переключение производится руками.
    2. Автоматические. Через определённое время переключатель сам возвращается в привычное состояние.
    3. В так называемый советский период переключение регулировалось механизмом поворота. На данный момент практически неиспользуемый вариант.

    Прежде всего перекрываем воду, если, конечно, нет желания начать маленькую и не факт, что победоносную, войну с соседями. Далее избавляемся от выполняющей роль декорации накладки. Под накладкой видим резьбу соединения. Отвёрткой осторожно выкручиваем болтик и снимаем верхнюю половину ручки.

    Далее всё будет зависеть от того, какого типа установлен запорный механизм:

    1. Для начала следует снять декоративную гайку, зачастую её даже не прикручивают. Снимая её, не следует использовать разводные ключи — так мы легко испортим внешний вид.

    2. Декоративная гайка прикрывает собой фиксирующую. На ней-то и держится запирающий механизм. В картриджном, соответственно, это картридж из керамики, а в шаровом — шар. Разводным ключом откручиваем гайку фиксации.
    3. Далее нужно снять сам переключатель.
    4. Выкручиваем его тем же самым разводным ключом. Как только почувствуем, что механизму ничто не мешает свободно вращаться, откладываем ключ и руками выкручиваем до конца, дабы не нанести вред пружине и прокладке.

    5. В состав пружинного, а иначе говоря, штокового переключателя, входят шток, пружины и запирающий механизм, а также уплотнительные кольца. Выкручиваем гайку, которая помогает переключению потока из крана на лейку. Проверяем пружину — чтобы запор функционировал, она обязательно должна быть гибкой.

    6. Сняв упорную гайку, избавляемся от шайбы из пластика, на которой держится шток. Под ней видим пружину. Извлекаем её. Делаем это осторожно, стараясь не перегибать.
    7. Заменив механизм, собираем всё обратно.

    Справка. На советских вариантах пробковых переключателей первым делом снимаем ручку, а затем уже переключатель.

    Золотниковый

    Если в смесителе стоит золотниковый переключатель, то действия для его разбора будут несколько иными:

    1. Откручиваем нижнюю половину, а именно шланг и переключатель. Можно взять разводной ключ или подходящий размером гаечный.
    2. Откручиваем гайку и снимаем шланг с переключателя. Это проще сделать разводным ключом.
    3. Далее откручиваем переключатель.

    До сих пор имеют широкое распространение переключатели золотникового типа, которые не требуют, чтобы их разбирали полностью. Нужно просто открутить запирающую часть, после чего механизм можно извлечь.

    Подобные варианты не сильно популярны, их попросту нельзя отремонтировать. Увидев течь на таком смесителе, смело его выбрасываем и покупаем другой.

    Выводы электромагнитного реле

    Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

    1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
    2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

    В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

    Какие бывают переключатели на смесителе

    Все переключатели, которые стоят на смесителях в душе, можно классифицировать по особенностям конструкции и принципу их функционирования. Исходя из конструктивных особенностей, выделяются:

    1. Картриджные. Чаще всего ставят именно этот вариант. Запорный механизм представлен картриджем, при повороте рычага он изменяет своё положение.

    2. Золотниковые. Ставят их на смесители с тонкими стенками. Такие же использовались в моделях советского периода. Регуляция водяного потока происходит золотником.

    3. Пробковые. Сходны по конструкции с золотниковыми, но считаются более новым вариантом. Дополнительно имеется пружина, которая и держит шток. При поднятии переключателя пружина натягивается, фиксирует шток, и вода начинает поступать в лейку. После следующего нажатия на переключатель шток возвращается в исходное положение, и вода устремляется в кран.

    Различия в конструкции накладывают отпечаток и на особенности ремонта смесителей.

    Как работает электромагнитное реле

    Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

    1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
    2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
    3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
    4. Подается ток на потребителя.

    Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

    Фото гаечных ключей


    Читайте здесь! Детектор проводки: обзор моделей, самодельные устройства и инструкция по их применению

    Проводимость транзисторов

    Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

    1. P-N-P.
    2. N-P-N.

    К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

    Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

    Лучшие стандартные разводные ключи

    Стандартные разводные ключи для перемещения щечек используют червячный механизм. Верхняя щека подвижная, и внутри инструмента имеет насечки, по которым она и перемещается. Недостатком в таких моделях считается неплотная фиксация ключа в выбранном положении. Щечка постоянно норовит сползти и уменьшить диаметр, что вызывает некоторые сложности в работе. Стоит отметить, что этот нюанс встречается и у самых дорогих моделей и связан исключительно с конструкционной особенностью, поэтому с ним придется мириться. Правда, у лучших моделей из нашего ТОПа эта особенность сведена к минимуму, о чем свидетельствуют отзывы реальных пользователей.

    Транзистор в режиме ключа

    Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

    1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
    2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
    3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

    Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

    Универсальные гаечные ключи

    На смену классическим инструментам приходят новые, более продвинутые и надежные приспособления. Так, универсальные гаечные ключи созданы с целью облегчить процесс монтажа/демонтажа креплений. Они обладают многофункциональной головкой, способной захватывать болты различных форм и размеров, фиксируя их в удобной позиции.

    В современных квартирах и домах люди стараются максимально эффективно использовать каждый сантиметр, и не всегда есть место для хранения целой кучи инструментов. С универсальным ключом можно быстро прикрутить колесо велосипеда, а через несколько минут отправится чинить сантехнику.

    Минусы таких изделий… Конструкция многофункциональных инструментов не всегда долговечна. Если приспособление может выполнять несколько задач сразу, приходится чем-то жертвовать, ведь регулируемая головка или губки принимают на себя большую нагрузку.

    Хорошая альтернатива – двусторонние гаечные ключи, и варианты с разводной конструкцией, станут хорошей заменой вышеописанному виду изделий.

    Впрочем, стоит понимать, что речь идет о работе по дому, а не о профессиональной деятельности, скажем, трубопроводчика – специалисты пользуются большими наборами, в которых есть всё необходимое для устранения любой проблемы.

    Принцип работы транзистора

    Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

    В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер — коллектор» может меняться в больших пределах.

    Сваривание шестигранной формы

    Теперь осталось сварить деталь в одну. (В моем случае я использовал 2,5 мм сварочный электрод)
    После этого нужно примерить гайку еще раз, и если все подходит, то можно наполнить разрезы сваркой. (3,2 мм электрод).

    Снова пробуем надеть на гайку, потому что высокая температура при сварке может деформировать металл.

    (На этот раз я дополнительно примерил заготовку к шестигранному выступу на фильтре…)

    После этого можно зачистить все лишнее, сделав форму детали более гладкой.

    Навариваем крышку

    После шлифования, поместите деталь на лист металла, из которого делали полосу, и обведите ее очертание на нем.
    Я предпочел линию вести по внутренней части, добавив пару миллиметров по краям. Но вы, вероятно, можете захотеть обвести деталь по наружной стороне, наоборот, убрав лишние пару миллиметров.

    Затем навариваем полученную верхнюю часть на изготовленную ранее деталь. (Используем 2,5 мм и 3,2 мм электроды)

    Снова проверяем все ли подходит.

    Наваривание трубы

    Только после этого шага, результат работы можно назвать инструментом.

    Я просто приварил трубу сверху полученной детали (для моего одноцелевого ключа она оказалась подходящей).

    И затем после примерки ключа к крышке фильтра фургона, я приварил к трубе рукояти. (Они сделаны из разрезанной пополам трубы меньшего диаметра).

    Я их приварил под непрямым углом, так мне проще будет работать. (Если бы я закрепил рукояти под 90 градусов, то при вращении врезался костяшками рук в замок капота).

    После шлифования и затирания щеткой я нанес на ключ черную краску из баллончика.

    Теперь все готово.

    Применение

    Этот торцевой гаечный ключ имеет достаточно четкое назначение. С ним менять масленый фильтр одно удовольствие. Но я думаю, что способ, которым я сделал инструмент, можно применить к любым другим болтам и гайкам, которые находятся в труднодоступных местах. Метод изготовления довольно простой. Работа не занимает много времени (я его сделал за 3 часа), и ключ обходится довольно дешево, даже если все материалы будете покупать в магазине. Думаю, что после этого проекта, в будущем буду больше делать таких инструментов. Надеюсь вам понравилось. Спасибо за внимание! Original article in English

    Пример работы транзистора в режиме ключа

    Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h31Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

    При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

    Габариты

    По первым впечатлениям ключ производит лёгкое, в буквальном смысле, впечатление.

    Его приятно взять в руку. Он элементарно симпатичен. И интересен. Его хочется разглядывать уже прямо в упаковке.

    Максимальный размах губок (зев) — 29,5 мм.

    Точность мерной линейки, нанесенной на сам ключ, при малом размахе довольно высокая. При 10 мм размахе отклонение от штангенциркуля меньше 0,1 мм. Очень удобно, когда заранее известен внешний габарит крепежа — разводишь губки по линейке и приступаешь к работе. В отличие от «слепых» разводных ключей, где зазор выставляется на глаз и подтягивается уже на крепеже.

    Толщина разводного ключа в рабочей зоне порядка 13 мм.

    Рукоятка в самой толстой части имеет 24,5 мм.

    Режим насыщения

    У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

    Лучшие газовые разводные ключи

    Газовые ключи получили свое название из народа. На деле они называют трубными рычажными ключами, так как их основная задача откручивать муфтовые и другие соединения большого диаметра. А в помощь мастеру прилагаются длинные рукоятки, которые здесь работают в качестве рычагов. Отличается и механизм разведения щечек. Размер выставляется путем закручивания или откручивания специальной гайки, расположенной на одной из ручек. Чем гайка выше, тем меньший диаметр может захватить ключ, и наоборот.

    Практические конструкции

    Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

    Touch memory

    Touch memory – энергонезависимый идентификатор в составе которого имеется запоминающее устройство, часы реального времени и аккумуляторная батарея. Считывание или запись информации производится простым касанием к корпусу устройства. Существует множество разновидностей Touch memory. Различаются не только устройства разных производителей, но и модели по объему памяти. Совместимость с установленным оборудованием необходимо учитывать при покупке заготовок для записи кодов.

    Модели Touch memory

    1. Модель «Dallas» — наиболее распространенная модель. На пластмассовом держателе может быть нанесена эмблеме или надпись компании производителя домофонного оборудования: Sean, Eltis, Vizit или эмблема Dallas. Для копирования кода используют заготовки ТМ2004.

      Некоторые новые модели домофонных систем Vizit не поддерживают работу с заготовками ТМ2004, в этом случае можно воспользоваться более дорогой универсальной моделью ТМ08.

    2. Модель «Метаком». Отечественного производства, являются полным аналогом модели «Dallas». Полностью совпадают по электрическим характеристикам. Должны иметь маркировку, как на пластике держателе, так и на самом металлическом корпусе устройства – надпись Метаком или МТ. Подходят заготовки ТМ2004 и ТМ08.
    3. Модель «Cyfral». Имеют аналогичную надпись на держателе. Для старых моделей подходят заготовки ТМ2004, для новых ТМ7. Резисторная модель «Цифрал». Устаревшее оборудование, которое довольно редко встречается. Такие устройства не имеют чипа с записанным кодом. Они используют резистор с номиналом соответствующим конкретному домофону. Отличить такое устройство можно по углублению, расположенному в центральной части корпуса. Копирование производится путем припаивания к любой из заготовок Touch memory соответствующего резистора. Его емкость определяется омметром по исправному ключу.

    Работа с микроконтроллерами

    При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

    Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

    1. Биполярный транзистор.
    2. Резистор для ограничения входного тока.
    3. Полупроводниковый диод.
    4. Электромагнитное реле.
    5. Источник питания 12 вольт.

    Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

    Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

    Зачем для домофонов делают разные ключи?

    Заготовки домофонных ключей отличаются по своему шифру. Их делают разными потому, что всегда сохраняется риск потери оригинального ключа. Наличие специальных заготовок, дублирующих ID-идентификатор, исключает вероятность попадания модуля в руки посторонних лиц. Злоумышленники не смогут использовать отпирающий механизм в собственных целях.

    Кроме заготовок с идентичным шифром необходимы специальные механизмы, считывающие идентифицирующий код с оригинального ключа, а также программаторы, позволяющие записать сигнальный код на новую заготовку. Процесс перезаписи шифра на цифровой модуль происходит за несколько секунд. Первоначально необходимо считать кодовый сигнал с оригинала. Если ключ утерян, сделать это не получится. Поэтому дубликат домофонного ключа лучше создавать заранее. Потом выбирается новый модуль с прочным корпусом и на него записывают скопированный код.

    Полезный совет. Сделайте копию оригинального домофонного ключа заранее, чтобы в случае его утраты иметь доступ к электронному дверному замку. Иначе придётся менять замок и эта процедура обойдётся намного дороже, чем создание дубликата ключа.

    Сегодня производители предлагают клиентам различные типы домофонных ключей. Они используются для открытия цифровых устройств определённой конструкции на дверях. Каждый такой модуль работает по-разному, имеет разнообразную степень защиты. Основные разновидности цифровых модулей будут описаны ниже.

    Герконовая пара

    Домофонные ключи этого типа имеют вид пары, включающей в себя постоянный магнит и ёмкость вакуумной структуры. Внутри вакуумной колбы спрятано магнитное поле, которое воздействует на отпирающий механизм и помогает открыть электронный замок на двери. Устройство характеризуется высокой надёжностью и хорошо сочетается с цифровыми замками разных видов.

    Touch Memory

    Самый популярный тип домофонных отпирающих модулей. Пользователи называют его «таблеткой» или идентификатором. Механизм представляет собой миниатюрную микросхему, хорошо защищённую стальным корпусом. Он имеет высокую герметичность и ударопрочность. В систему данного ключа встроен 64-разрядный идентификатор, надёжно защищённый от взломов и несанкционированной подделки. Поэтому запирающий механизм обеспечивает высокий уровень защиты цифровых замков от взлома.


    Touch Memory ключ

    Proximity-ключи

    Безопасные и надёжные ключи с 8-значным буквенно-цифровым идентификатором. Подобрать данный шифр самостоятельно нельзя, поэтому посторонние лица точно не смогут открыть замок. Антивандальная защита устройства высоко оценивается пользователями, поэтому производители домофонных дверей часто выбирают для их комплектации ключи Proximity.


    Proximity

    Оптические ключи

    Оптический ключ
    Оптические домофонные ключи используются редко, потому что предназначены для цифровых конструкций с фотодиодным или оптопарным считывающим устройством. В массовом производстве дверей с электронным замком такие дорогостоящие механизмы практически не используются. Поэтому и популярность оптических модулей для их отпирания минимальна.

    Резистивные ключи

    В основе данного типа ключей находится резистивный элемент. Его номинал и является тем шифром, который помогает открыть цифровой замок. Резистор прячется внутри пластины, имеющей рельефную форму и пластиковую либо прорезиненную поверхность. Использовать механизм удобно, а за счёт сочетания высококачественных расходных материалов готовые резистивные ключи получаются долговечными и надёжными.


    Резистивный ключ

    Использование транзисторов в конструкциях

    Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

    Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

    Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

    Программирование домофонов

    Внесение информации о новых ключах можно осуществлять и непосредственно на домофонное оборудование. Естественно, у разных производителей разработаны различные инструкции по программированию домофонов.

    Занесение информации в память домофона возможно, только если монтажники не произвели изменение заводского кода доступа в устройство. Обычно, замену пароля доступа монтажники производят крайне редко, а большинство паролей по умолчанию – 1234.

    Производитель Raimann

    • Для входа в настройки — нажимается кнопка считывателя;
    • Пароль входа от 9 до 4, после звукового сигнала (подождать 10-15 сек) набрать от 1 до 6;
    • На мониторе появляется символ «Р»;
    • Пункты меню от 2 до 8. Пункт, отвечающий за введение новых ключей №2.

    Производитель VIZIT

    • Вход в настройки – на клавиатуре набирается #99;
    • После звукового сигнала, вводится пароль 1234, затем снова сигнал;
    • Программирование и прописывание новых ключей – пункт №3;
    • Вводится номер квартиры, прикладывается ключ и нажимается #;
    • Затем нажимается * для перехода в рабочий режим.

    Если кнопок * и # на клавиатуре нет то они заменяются кнопками С и К, соответственно.

    Производитель Eltis

    • Для входа в меню нажимается кнопка В, держится нажатой 7 сек.;
    • Системный пароль 1234;
    • После того как на экране загрузится меню, выбираем пункт «Key master»;
    • Набираем номер квартиры и нажимаем на кнопку В;
    • После появления на экране команды LF нужно прислонить ключ к считывателю;
    • Запись закончена если на экране появится надпись ADD (если до этого ключей для данной квартиры в памяти не имелось) или номер квартиры.

    При применении инструкций для записи информации в домофон настоятельно не рекомендуем заходить в другие пункты меню, кроме раздела работы с ключами.

    ЭП или ЭЦП?

    Ранее в обходе была аббревиатура ЭЦП — электронная цифровая подпись. Но после вступления в силу ФЗ № 63 это название сократилось до ЭП, электронная подпись. Именно для электронной подписи используется электронный ключ. По законодательству РФ под ЭП понимают эквивалент подписи, которая ставится «от руки» и обладает аналогичной юридической силой. Электронная подпись позволяет физическим лицам удаленно (через интернет) подписывать документы с государственными, финансовыми, медицинскими, учебными и другими учреждениями. Юридические лица могут с ее помощью участвовать в электронных торгах, вести электронный документооборот (ЭДО), сдавать отчеты в налоговую и т. п.

    Комбинированные транзисторные ключи » Привет Студент!

    Термин «комбинированные» подчеркивает особенности построения ключей из нескольких приборов с целью улучшения характеристик переключателей тока. Примером комбинированного ключа (КК) может служить рассмотренный выше составной транзистор. Техническая реализация КК может базироваться на схемных решениях или интегральных технологиях. Рассмотрим ряд примеров КК, используемых в технике электропитания.

    Каскодный ключ. Как было отмечено выше, биполярные транзисторы подвержены вторичному пробою в режимах переключения. Опасность вторичного пробоя мощного высоковольтного биполярного транзистора возникает при его выключении в том случае, когда при некоторых токах нагрузки прибор оказывается в режиме перенасыщения. Признаками вторичного пробоя являются резкий спад напряжения коллектор-эмиттер, что обусловлено изменением полярности напряжения база-коллекторного перехода, или появление генерации высокочастотных колебаний в кривой напряжения база-эмиттер. Риск вторичного пробоя при выключении транзисторов может быть уменьшен при применении каскодных схем.

    Высоковольтный транзистор VT1 по цепи управления получает постоянный ток Iу, достаточный для перемещения его рабочей точки в область насыщения. Низковольтный быстродействующий транзистор VT2 управляется импульсным напряжением, отпираясь на время действия импульсов и запираясь в паузе.

    При запирании VT2 размыкается цепь эмиттера высоковольтного транзистора, а вместе с этим по всей поверхности его эмиттера прекращается инжекция электронов.

    Ток коллектора, поддерживаемый индуктивной нагрузкой, через коллекторно-базовый переход высоковольтного транзистора «выносит» избыточные заряды из базовой области, обеспечивая перевод рабочей точки транзистора VT1 в активную область и форсированное его выключение. В практических схемах при каскодном включении удается уменьшить время выключения высоковольтного транзистора в десятки раз, при расширении ОБР практически до значений граничного напряжения.

    Недостатком каскодного ключа является увеличенное падение напряжения в открытом состоянии, суммируемое из напряжений Uкэ низковольтного и высоковольтного транзисторов.

    Биполярно-полевые транзисторы. Технология полевых транзисторов оказалась плодотворной для создания новых (комбинированных) типов приборов, объединяющих положительные свойства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии. В отечественной литературе комбинированные приборы получили название биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Зарубежные фирмы обозначают этот класс приборов по разному: IGBT (Insulated Gate Bibolar Transistor) или GEMFET (Gate Enhance Mode Feld Effect Transistor). Эти приборы сочетают в себе по крайней мере два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).

    БТИЗ содержит два биполярных транзистора VT1 и VT2, соединенных между собой по схеме Дарлингтона, и МОП-транзистор, обеспечивающий управление этими биполярными транзисторами. В настоящее время выпускаются модули, выполенные на основе БТИЗ, способные коммутировать токи до 1800 А при напряжении до 4500 В. Причем длительность выключения составляет десятые доли мс, что позволяет достаточно успешно использовать эти модули на частотах до 50 кГц. Падение напряжения на открытом приборе составляет 1,2…1,5 В.

    Ключи с высоким уровнем интеграции защитных и вспомогательных функций. Именно с этим классом приборов связано появление в силовой электронике термина «интеллектуальные ключи» (ИК). Как правило, ИК включает несколько уровней защиты: тепловой, от перегрузки по току, от перенапряжения. Кроме того, ИК включает интерфейс, обеспечивающий работу ключа при уровнях сигналов, соответствующих ТТЛ логике (+5 В), и контроль состояния ключа.

    Достаточно сложной проблемой силовой электроники является измерение тока ключей. Необходимость измерения связана с задачами контроля допустимых значений тока и защиты от перегрузок, с формированием «токовых» режимов управления, определения моментов снижения тока до нуля и ряда других. Распространенные методы контроля тока с помощью измерительных резисторов конструктивно трудоемки и связаны с дополнительными потерями электрической мощности. Для упрощения задачи ряд производителей силовых приборов выпускает силовые МОП-транзисторы с «токовым зеркалом». Идея заключается в том, что часть микротранзисторов, образующих силовой ключ, не объединены в общую параллельную группу, а имеют самостоятельный истоковый вывод. Измерительный шунт, включаемый в эту цепь, фиксирует ток, пропорциональный результирующему току ключа. При известных значениях кратности Ki «зеркального» тока (порядка 1/1000) и измерительного резистора (Rs) падение напряжения на нем достаточно точно отображает значение тока ключа (Is = Us/KiRs), при этом потери мощности в измерительной цепи в Ki раз меньше, чем в типовой схеме измерения. В ряде случаев, например в рассмотренной ранее каскодной схеме ключа, роль измерительного элемента может выполнять полевой транзистор. При сопротивлении открытого МОП-транзистора порядка 4…4,5 мОм падение напряжения на нём составит 0,4…0,45 В при токе ключа 100 А.

    В высоковольтных устройствах (при напряжении питания более 200 В), распространена технология применения интеллектуальных модулей, сочетающая конструктивно силовой ключ, многофункциональный драйвер контроля и защиты ключа, адаптер цифрового управления. Такой подход открывает широкие возможности для использования специализированных микропроцессоров и построения источников и систем питания нового поколения. По прогнозам специалистов развитие преобразовательной техники и источников питания ближайшего десятилетия тесно связано с технологией интеллектуальных модулей.

     

    Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
    Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
    Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
    384 с.: ил.

     

    Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

    Пароль на архив: privetstudent.com

    Включение реле через транзисторный ключ

    Известно множество электронных реле времени, различной сложности. Часто бывают востребованы несложные устройства для включения или выключения исполнительных устройств типа электромагнитных реле или других нагрузок.

    Простые аналоговые ключи, выполненные на одном или на двух биполярных транзисторах и с вре-мязадающей RC-цепочкой, имеют существенные недостатки.

    Общим недостатком подобных реле является следующее: по мере разряда конденсатора происходит снижение потенциала на обкладке конденсатора, что приводит к постепенному увеличению переходного сопротивления и увеличению падения напряжения на транзисторе и его нагреву, и через некоторое время начнется постепенно снижаться напряжение питания катушки реле до тока отпускания. В оборудованиях с большими вибрациями реле может самопроизвольно отключаться на малых напряжениях питания катушки под воздействием пружины, что нарушит заданное время выдержки.

    Предложенное устройство — электронное реле на тиристорно-транзисторном ключе (тиристорно-транзисторный коммутатор) направлено коммутировать выходной элемент нагрузки (катушку реле) в динамичном режиме при сравнении логических уровней 1 и 0.

    Известно, что в источниках питания постоянного тока широко используются тиристоры в схемах блокировок защиты электронных устройств, включения сигнализации и т.д., но, в отличие от включения тиристора, отключение вызывает определенную трудность по управляющей цепи тиристора.

    Также известно, что в источниках питания постоянного тока у тиристора, при кратковременном замыкании управляющего электрода к аноду, тиристор переходит в режим работы диода, но, в отличие от диода, при постепенном снижении рабочего тока меньше удерживающего, тиристор имеет свойство закрываться постоянным значением тока. В предложенном устройстве электронного реле рассмотрены два способа отключения тиристора.

    Что такое электронный ключ?

    Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

    На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

    Коммутация нагрузки

    Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

    Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

    Простой термоиндикатор

    Термореле (рис. 3), или, говоря точнее, термоиндикатор, выполнен по мостовой схеме [ВРЛ 83-24]. Когда мост сбалансирован, ни один из светодиодов не светится. Стоит температуре повыситься, включится один из светодиодов.

    Рис. 3. Принципиальная схема простого термо-индикатора на одном транзисторе и светодиодах.

    Если температура, напротив, понизится, загорится другой светодиод. Чтобы различать, в какую сторону изменяется температура, для индикации ее повышения можно использовать светодиод красного свечения, а для индикации понижения — светодиод желтого (или зеленого) свечения. Для балансировки схемы вместо резистора R2 лучше включить потенциометр.

    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.

    Схема драйвера управления для реле

    Технические характеристики:

    • Питание драйвера — 12 В на 40 мА
    • Выход реле — 5 A на 230 В
    • Управление входа — 2-15 В постоянного тока
    • Светодиодный индикатор показывает состояние реле
    • Габариты платы 27 x 70 мм

    Это одноканальный релейный драйвер, подходящий для разнообразных проектов. Очень простой и удобный способ взаимодействия реле для переключения мощных потребителей, которое само управляется слабым током и напряжением.

    Выводы электромагнитного реле

    Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

    1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
    2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

    В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

    Как работает электромагнитное реле

    Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

    1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
    2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
    3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
    4. Подается ток на потребителя.

    Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

    Фотореле со звуковой сигнализацией

    Фотореле (рис. 6) является таковым не в полной мере, поскольку реагирует на изменение освещенности плавным изменением частоты генерируемых колебаний [B.C. Иванов].

    Рис. 6. Принципиальная схема фотореле со звуковой сигнализацией.

    В то же время это устройство может работать совместно с измеряющими частоту приборами, частотно-избирательными реле, сигнализировать высотой звукового сигнала об изменении освещенности, что может быть весьма актуально для слабовидящих.

    Проводимость транзисторов

    Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

    1. P-N-P.
    2. N-P-N.

    К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

    Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

    Реле что реагирует на уровень напряжения

    Реле напряжения (рис. 9, 10) используются для контроля заряда или разряда элементов питания, аккумуляторов, контроля напряжения питания, поддержания напряжения на заданном уровне. Схемы, описанные в книге П. Величкова и В. Христова, предназначены для контроля разряда (рис. 9) или перезаряда (рис. 10) аккумулятора.

    Рис. 9. Принципиальная схема реле для контроля разряда аккумулятора.

    Рис. 10. Принципиальная схема реле для контроля перезаряда аккумулятора.

    При необходимости напряжение срабатывания этих устройств может быть изменено. Порог срабатывания задается типом стабилитрона. Для изменения в небольших пределах порога срабатывания подобных реле последовательно со стабилитроном можно включать 1 — 3 германиевых Щ9) или кремниевых (КД503, КД102) диодов в прямом направлении.

    Катоды диодов должны «смотреть» в сторону базы входного транзистора. Германиевый диод смещает порог срабатывания примерно на 0,3 В, а кремниевый — на 0,5 В.

    Для цепочки из двух, трех диодов эти значения удваиваются (утраиваются). Промежуточные значения напряжений можно получить при последовательном включении германиевого и кремниевого диодов (0,8 В).

    Транзистор в режиме ключа

    Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

    1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
    2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
    3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

    Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

    Принцип работы транзистора

    Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

    В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер — коллектор» может меняться в больших пределах.

    Пример работы транзистора в режиме ключа

    Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h31Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

    При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

    Режим насыщения

    У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

    Практические конструкции

    Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

    Работа с микроконтроллерами

    При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

    Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

    1. Биполярный транзистор.
    2. Резистор для ограничения входного тока.
    3. Полупроводниковый диод.
    4. Электромагнитное реле.
    5. Источник питания 12 вольт.

    Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

    Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

    Способ 1

    На примере рис. 1, рис. 2 представлены варианты схемы электронного реле, где отключение тиристора в источнике постоянного тока производиться через управляющий электрод.

    Анод тиристора подключен в цепь положительного смещения базы ключа транзистора. Рабочий ток через тиристор близкий току удерживания, что облегчает его отключение по управляющей цепи незначительными импульсами обратного напряжения при переходе через нулевое значение.

    Рис. 1. Электронное реле с транзисторным ключом р-п-р проводимости (способ 1).

    Рис. 2. Электронное реле с транзисторным ключом п-р-п проводимости.

    Использование транзисторов в конструкциях

    Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

    Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

    Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

    В этом эксперименте мы познакомимся с реле, с помощью которого с Arduino можно управлять мощной нагрузкой не только постоянного, но и переменного тока.

    Необходимые компоненты:

    Реле – это электрически управляемый, механический переключатель, имеет две раздельные цепи: цепь управления, представленная контактами (А1, А2), и управляемая цепь, контакты 1, 2, 3 (см. рис. 12.1).

    Цепи никак не связаны между собой. Между контактами А1 и А2 установлен металлический сердечник, при протекании тока по которому к нему притягивается подвижный якорь (2). Контакты же 1 и 3 неподвижны. Стоит отметить, что якорь подпружинен, и пока мы не пропустим ток через сердечник, якорь будет прижатым к контакту 3. При подаче тока, как уже говорилось, сердечник превращается в электромагнит и притягивается к контакту 1. При обесточивании пружина снова возвращает якорь к контакту 3.

    При подключении реле к Arduino контакт микроконтроллера не может обеспечить мощность, необходимую для нормальной работы катушки. Поэтому следует усилить ток – поставить транзистор. Для усиления удобнее применять n-p-n-транзистор, включенный по схеме ОЭ (см. рис. 12.2). При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1–10 кОм), в любом случае, транзистор будет работать в режиме насыщения. В качестве транзистора может быть любой n-p-n-транзистор. Коэффициент усиления практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор–эмиттер (напряжение, которым запитывается нагрузка).

    Порядок наладки

    Минимальный ток удержания тиристора (в данном случае на тиристоре КУ101Е) составил 3,32 мА,поэтому ток, питающий тиристор VS1 через резисторы R7 и R8 (рис. 1) цепи базы транзистора VТ2, должен быть выше и устанавливается подбором этих резисторов.

    В случае, когда тиристор имеет больший удерживающий ток, особенно с транзисторным ключом VТ2 п-р-п проводимостьи, подключается дополнительное балластное сопротивление, можно с построечным резистором по принципу схемы на рис. 4.

    Здесь имеется в виду, что в транзисторе р-п-р проводимости, в отличие от транзистора п-р-п проводимости, при открытом состоянии тиристора протекает ток по цепи эмиттер-база и через открытый тиристор, величина которого зависит от токоограничивающего резистора.

    Далее заряжаем конденсатор С1. Когда реле К1 включится, замкнем цепь конденсатора С1, произойдет разряд конденсатора. Реле К1 должно быстро отключиться, это следует повторить несколько раз. На рис. 3 приведен альтернативный вариант электронного реле, с улучшенными возможностями.

    Включение тиристора производиться по току управляющего электрода током больше удерживания, а отключение — по току ниже удерживающего. Устройство отличается от предыдущей схемы тем, что база транзисторного ключа VТ2 подключается между анодом тиристора VS1 и катодом диода VD2, а управляющий электрод тиристора VS1 подключен к аноду диода или подключается к эмиттеру транзистора VТ1 через резистор R7.

    Возможны другие пути подключение управляющего электрода, к примеру, через диод, стабилитрон, конденсатор по отдельности или смешанно, или дополняются резистором. Таким образом, отсекается база ключа транзистора VТ2 от связи с “-”, в том числе через управляющий электрод тиристора VS1.

    На тиристоре КУ101Е при многократных испытаниях были установлены следующие параметры: ток удерживания равнялся 3,32 мА, при меньшем токе тиристор отключался. Минимальный общий ток, при котором тиристор открывался вновь, составлял 4,2 мА.

    Разница напряжения между отключением и включением тиристора в общей точке эмиттера VТ1 составляла 0,7 В. (Стоит отметить, что этот принцип можно использовать в следящих устройствах.) Время выдержки при тех же номиналах одинаково со схемой на рис. 1, а погрешность — Устройство работает следующим образом.

    При нажатии кнопки SB1 включается цепь заряда конденсатора С1. Положительное напряжение на базе откроет транзистор VТ1. Ток на управляющем электроде вызовет открытие тиристора VS1, анод тиристора примет низкий потенциал, а база транзистора VТ2 получит отрицательное смещение, которое откроет полностью переход транзистора эмиттер-коллектор и включит реле К1.

    При отпускании кнопки SB1 конденсатор С1 медленно начнет разряжаться при достижении на эмиттере транзистора VТ 1 минимального напряжения до 1,5 В, и при общем токе менее 3,32 мА тиристор VS1 переключиться в закрытое состояние.

    База транзистора VТ2 перейдет в положительное смещение и транзистор переключится в закрытое состояние, реле К1 отключится. На рис. 7 приведена печатно-монтажная плата электронного реле.

    Рис. 7. Печатная плата (способ 2).

    Меня часто спрашивают, как управлять с помощью микроконтроллера мощными потребителями тока — лампами, питающимися от сети 220 В, мощными тенами. В этой статье собран материал по работе электронных ключей — как они устроены, как работают, как их можно применить в радиолюбительской практике (перевод [1]).

    Сначала стоит разобраться в том, что же такое электронный ключ? В сущности это просто выключатель (или переключатель) который замыкает/размыкает сильноточную цепь по внешнему электрическому сигналу (тоже входной ток, но намного меньшей мощности). Обычно, когда на вход электронного ключа подается слабый ток управления, ключ замыкается и пропускает через себя мощный ток в силовой цепи. Когда ток управления пропадает, то ключ размыкается и мощный потребитель тока отключается. На фото представлены основные представители электронных ключей — реле и транзисторы.

    1 — мощный транзистор IRFP450 MOSFET, который можно применять в ключевых источниках питания, в генераторах развертки ЭЛТ-мониторов.

    2IRF840B, тоже довольно мощный транзистор, собрат IRFP450. Может безопасно, продолжительное время, без использования радиатора (или охлаждающего вентилятора) коммутировать токи до 8A при напряжении 500V.

    UPD140601: как верно прокомментировал Ross, на самом деле без радиатора IRF840 долго в таких рабочих условиях не протянет, потому что рассеиваемая мощность превысит 50 Вт. Если взять транзистор с сопротивлением канала на 2 порядка меньше, тогда другое дело.

    3 — два простых, дешевых транзистора. Слева транзистор структуры PNP, а справа NPN. Эти транзисторы могут управлять током до 0.15A при напряжении 50 .. 90V.

    Обычно транзисторы могут коммутировать ток от 0.15A до 14A при напряжении от 50V до 500V (см. даташит на каждый конкретный транзистор), так что транзистор может переключить мощность до 7 киловатт, если на вход транзистора приложить совсем маленькую мощность — несколько милливатт.

    Приведенные на фото реле могут коммутировать токи от 5A до 15A при напряжении до 240V. Не очень правильно будет сравнивать реле с транзисторами MOSFET, но они почти не генерируют тепло и не нуждаются в радиаторах.

    4 — самое простое реле, подходящее для большинства случаев. У этого реле 5 ножек, две подключены к обмотке, а еще три — к контактам на переключение.

    5 — мощное реле на 20A, вытащенное из микроволновой печи.

    6 — два реле, установленные на приемный радиомодуль (может обучаться на срабатывание от нужного приходящего по радио кода). Сам приемник потребляет меньше 5mA, но может при этом переключить ток до 12A при напряжении 36V, что составит 360 ватт!

    7 — два мощных 135-ваттных транзистора 2N3055 от старого усилителя звука, со своим родным радиатором. Это устаревшие биполярные транзисторы, и они не настолько эффективны, как современные транзисторы MOSFET. Однако два таких транзистора в некоторых случаях могут заменить один IRFP450, чтобы коммутировать больше 75 ватт мощности.

    8 — приемник кода RC от большой детской радиоуправляемой игрушки — автомобиля. Использует два одинаковых реле для прямого и обратного хода двигателя машинки. Странно, что эти реле системы SPDT, что означает, что у них не используются контакты N/C.

    9 — два реле системы DPDT, которые эквивалентны 4 отдельным реле (в каждом из этих реле по 2 контактные группы).

    Электронные ключи применяются в тех случаях, когда использование простых кнопок и выключателей неудобно или невозможно — например, для запуска автомобильного стартера, или для выключения ядерного реактора, или в электронных проектах, которые по радиосигналу могут управлять включением/выключением освещения или приводом гаражной двери. В этом руководстве будет сделана попытка объяснить самым простым языком, как работают такие электронные ключи. И начнем с самого простого — реле.

    [Что такое электронное реле]

    Если коротко, то реле представляет из себя электромагнит, который управляет замыканием контактов. Работает это точно так же, как если бы контакты замыкались механическим нажатием кнопки, но в случае реле усилие для замыкания берется от магнитного поля обмотки реле. Выходные контакты реле могут управлять очень большой электрической мощностью — на порядки большей, чем прикладываемая мощность к обмотке электромагнита реле. При этом входная цепь обмотки (где действует слабый управляющий ток) полностью изолирована от выходной мощной цепи, что очень важно для безопасного управления высоковольтными нагрузками (220, 380 V и выше).

    Чаще всего у реле есть 5 контактов — вход 1 (на анимационном рисунке помечен +), вход 2 (на рисунке помечен как -), COM (COMmon, общий контакт), N/O (Normally Open, по умолчанию разомкнуто, когда обмотка не получает питание), N/C (Normally Closed, по умолчанию замкнуто, когда обмотка не получает питание).

    Чтобы лучше понять работу реле, вспомним, что эти контакты означают и для чего нужны:

    Вход 1: один из концов обмотки электромагнита реле, в нашем примере это вход для положительного полюса входного тока для обмотки. Когда на этот контакт приложен плюс напряжения (достаточного, чтобы реле сработало) относительно контакта Вход 2, то реле переключает контакты в активное состояние. Почти все реле нечувствительны к полярности входного тока, поэтому можно на Вход 1 подать +, а на Вход 2 подать минус, и наоборот, на Вход 1 подать -, а на Вход 2 подать +, и в любом случае реле нормально сработает. Некоторые реле, которые имеют массивный инерционный якорь, могут даже срабатывать от переменного входного напряжения (подробности см. в паспорте на реле). Вход 2: другой конец обмотки электромагнита реле. Все то же самое, что и для Вход 1, только полюс в нашем примере отрицательный. COM: это общий электрод выходных контактов переключателя. При срабатывании или отпускании реле этот контакт перекидывается на контакт N/O или N/C (контакты N/O и N/C работают в противофазе, т. е. COM может быть замкнут либо на N/O, либо на N/C). Контакт COM (как и контакты N/O и N/C) можете использовать по своему усмотрению для коммутации электрической нагрузки. N/C: контакт, который нормально замкнут на COM. Т. е. контакт N/C замкнут на COM, когда обмотка реле обесточена. Когда на обмотку реле подано рабочее напряжение, то контакты N/C и COM размыкаются. N/O: контакт, который нормально разомкнут с COM. Т. е. когда обмотка реле обесточена, то контакты N/O и COM разомкнуты. Когда на обмотку реле подано рабочее напряжение, то контакты N/O и COM замыкаются.

    Для улучшения токопроводимости и уменьшения искрения поверхности контактов часто покрывают специальными металлами и сплавами на основе серебра, никеля, ванадия, а иногда для покрытия контактов применяется даже золото или платина (если это реле для коммутации сигналов в качественной аудиоаппаратуре или высокочастотной радиотехнике).

    Если у Вас есть 9V батарейка (например «Крона») и обычное реле, то попробуйте подключить обмотку реле к + и — батарейки. При подключении Вы услышите щелчок, который происходит из-за притягивания якоря реле к сердечнику электромагнита и переключения контактов. При отключении обмотки от батарейки произойдет также щелчок, но слабее. При отключении контакта обмотки от батареи Вы также увидите искру, которая возникает от ЭДС самоиндукции обмотки реле.

    Если принцип переключения контактов все еще непонятен для Вас, то его можно представить к виде псевдокода и иллюстрирующей процесс анимационной картинки:

    Если input = on (Power ON, через обмотку течет ток) COM + N/O (COM замкнут на N/O) Иначе (Power OFF, обмотка обесточена) COM + N/C (COM замкнут на N/C)

    [Как использовать реле]

    Как было уже упомянуто, реле используется для того, чтобы маломощные устройства (электронные компоненты, устройства) могли включать и выключать устройства, которые потребляют намного больше энергии. Самый распространенный пример применения — автомобиль. Теперь Вас не должно удивлять, почему Вы слышите щелчки при включении индикаторной лампочки, потому что Вы знаете — это срабатывает электромагнит реле. Мигания лампочки может создавать маленькая микросхема таймера, например 555 timer (NE555, LM555).

    Таймер 555 часто используется для создания импульсов (для простого включения и выключения) на любую нужную длительность, однако эта микросхема 555 сгорит, если будет пропускать через себя ток больше 200 ма. Так что невозможно просто так, без реле, подключить индикаторные лампочки к таймеру 555, потому что даже самые маломощные лампочки потребляют 700 ма и более. Теперь, если мы будем использовать таймер 555 для включения реле, то контактами реле можно запитывать мощные индикаторные лампочки. В этом случае через микросхему таймера будет течь ток около 50 .. 100 ма, что вполне безопасно, а в силовой цепи, питающей индикаторные лампочки, могут течь токи до 5А.

    Если у Вас дорогая, новая машина, то мало шансов, что Вы услышите щелчки при мигании индикаторных ламп, поскольку современная тенденция — применять везде, где можно, мощные транзисторы MOSFET, а в качестве индикаторных ламп ставить экономичные светодиоды.

    На интерактивной flash-анимации показан простой сценарий, в котором используются оба контакта N/O и N/C, чтобы включать либо красную, либо зеленую лампу (в зависимости от того, запитана обмотка реле, или нет). Наведите курсор мыши на серый выключатель, и нажмите левую кнопку мыши. При этом красная лампа погаснет, а зеленая загорится.

    На следующем рисунке показан пример использования реле вместе с таймером NE555.

    Кратковременное замыкание кнопки S1 запускает формирование длительной выдержки времени, в течение которого реле включено, и замыкает контакты NO и C. По окончании времени выдержки схема возвращается в исходное состояние, реле обесточивается, и становятся замкнутыми контакты NC и C. Такое устройство можно использовать для включения освещения на лестнице — по истечении заданного времени свет автоматически выключится. RC-цепочка, подключенная к выводам 6 и 7 таймера NE555, определяет выдержку времени. Диод, подключенный параллельно обмотке реле, защищает микросхему таймера NE555 от опасного выброса ЭДС самоиндукции, которое возникает при обесточивании обмотки реле (обмотка обладает значительной индуктивностью). Чтобы схема работала нормально, выбирайте подходящее реле — с током срабатывания не более 200mA (это максимум, который позволяет выход микросхемы таймера) при напряжении от 4.5 до 11 вольт. Напряжение питания схемы подберите в соответствии с параметрами реле — от 5 до 12 вольт.

    Вместо микросхемы таймера NE555 можно использовать любой микроконтроллер AVR, например ATmega32A или ATtiny85 [4]. Микроконтроллер точно так же, как и таймер 555, может переключать свой выход с 0 на 1. Однако имейте в виду, что выходной допустимый ток у микроконтроллера существенно меньше, а выходное напряжение может меняться только в пределах от 0 до 5V. Например, для ATmega32A выходной ток не может превышать 40mA на один порт. Поэтому в общем случае для усиления порта микроконтроллера используют транзисторные ключи [2]. Вход транзисторного ключа подключен к микроконтроллеру, а выход — к обмотке реле.

    [Что такое транзистор]

    В предыдущем разделе мы упомянули транзисторы в качестве усилителя / буфера сигналов от микроконтроллера. Но не успели разобраться, как транзисторы выглядят и по какому принципу работают. На фото показан внешний вид транзисторов различного назначения.

    Транзистор на сегодняшний день все еще часто используется в электронных схемах, и он является одним из элементарных компонентов радиоэлектроники (наряду с диодами, резисторами и конденсаторами). Несмотря на то, что принцип работы транзистора для новичка трудно понять с первого раза, транзистор по сути очень прост и очень хорошо работает вместе с реле. Как Вы уже наверное заметили, у транзистора 3 ножки, и простые биполярные транзисторы бывают двух типов: PNP и NPN.

    Самыми первыми появились транзисторы PNP, и они изготавливались на основе полупроводника германия. Потом освоили изготовление транзисторов из кремния, и более распространенными стали транзисторы структуры NPN. Транзисторы обеих структур (PNP и NPN) работают по одинаковому принципу, отличие только в полярности рабочего напряжения питания, и в некоторых параметрах. В настоящее время чаще используют транзисторы NPN.

    В ключевых схемах назначение транзистора то же самое, что и у реле. Когда слабый открывающий ток течет через эмиттерный переход (между базой Б и эмиттером Э), то канал между коллектором (К) и эмиттером (Э) открывается, и может пропускать ток больше базового в десятки и сотни раз. Эмиттер в этом случае играет роль общего электрода, и для транзисторов NPN в ключевом режиме эмиттер часто подключен к общему отрицательному проводу питания, к земле GND.

    Транзисторы иногда используют вместо реле, и они переключают большую мощность, как и реле, от слабого сигнала. Но в отличие от реле, скорость переключения транзисторов может быть очень высокой (время перехода из выключенного состояния во включенное и наоборот очень мало), поэтому их применяют для управления звуковыми динамиками и импульсными трансформаторами в ключевых источниках питания. Большинство самых обычных транзисторов могут переключаться со скоростью 1 миллион раз в секунду. Транзисторы также выгодно отличаются от реле малыми габаритами, поэтому они могут использоваться в тех местах, где реле использовать невозможно или непрактично. Однако транзисторы могут быть повреждены сильными электромагнитными полями, статическим электричеством и перегревом, что накладывает определенные ограничения на области применения транзисторов.

    [Как работает транзистор]

    Транзистор работает усилителем мощности. На вход прикладывается маленькая управляемая мощность, а на выходе снимается в десятки и даже сотни раз бОльшая мощность. Это происходит за счет изменения сопротивления между выводами коллектора и эмиттера в зависимости от тока, который протекает между базой и эмиттером.

    К сожалению, расположение выводов базы, эмиттера и коллектора (цоколевка) может меняться от одного типа транзистора к другому, так что для того, чтобы понять, где база, а где эмиттер и где коллектор, обращайтесь к документации на транзистор. Есть способы, позволяющие с помощью тестера определить цоколевку, но это существенно сложнее, чем просто заглянуть в даташит.

    Транзисторы, в отличие от реле, могут открываться не полностью (иметь некое сопротивления канала эмиттер — коллектор), что прямо пропорционально току, протекающему через базу. Эту пропорцию называют коэффициент усиления тока транзистора, h31Э. Например, если коэффициент усиления транзистора равен 100, то при токе 1mA, протекающем через базу, ток через канал коллектор — эмиттер может достигать 100mA, что на техническом языке называют усилением. Транзистор, также в отличие от реле, может сильно нагреваться при протекании через него тока. Обычно высокий нагрев получается при большой рассеиваемой мощности на сопротивлении канала коллектор — эмиттер, когда транзистор не полностью открыт. Поэтому нагрев и потери мощности минимальные тогда, когда транзистор либо полностью закрыт, либо полностью открыт.

    Все транзисторы имеют некий порог входного напряжения, по превышении которого транзистор начинает открываться. Для большинства обычных кремниевых биполярных транзисторов это напряжение составляет 0.5 .. 0.8V. Для германиевых транзисторов это напряжение меньше, и составляет около 0.2 .. 0.4V. Иногда этот порог называют напряжением отсечки. Если входное напряжение ниже напряжения отсечки, то ток через каналы база — эмиттер и коллектор — эмиттер не течет, транзистор полностью закрыт.

    Также все транзисторы имеют максимальный входной ток, после превышения которого эффект усиления перестает проявляться. Т. е. выше этого порога усиление перестает проявляться, выходной ток перестает расти. При этом напряжение между базой и эмиттером близко и даже выше напряжения между коллектором и эмиттером. Такое состояние транзистора называют насыщением, и при этом считается, что транзистор полностью открыт.

    В этой статье мы рассматриваем применение транзистора в качестве электронного ключа, поэтому будут использоваться только два состояния транзистора — либо он полностью закрыт (состояние отсечки тока), либо полностью открыт (состояние насыщения). Ниже приведена анимация, упрощенно показывающая общий принцип работы транзистора. Обратите внимание, что ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, причем ток базы в 100 раз меньше тока коллектора (коэффициент усиления тока равен 100).

    По этой картинке можно проще понять, почему малого тока базы достаточно, чтобы открыть силовой канал проводимости коллектор — эмиттер (потому что маленький входной ток как бы открывает вентиль основного канала). Также можно условно понять состояние насыщения — поток воды переполняет трубу, и труба не может пропустить через себя воды больше, чем позволяет диаметр трубы. Конечно же, такое представление является упрощенным, очень приблизительно отражающим реальные процессы, которые происходят в транзисторе.

    [Как использовать транзистор]

    Очень часто транзистор используется как электронный ключ. Когда управляющий ток течет между базой и эмиттером, открывается силовой канал между эмиттером и коллектором, сопротивление между эмиттером и коллектором резко падает. К примеру, можно включать/выключать светодиоды в зависимости от сигнала тока, приходящего от таймера 555 (как на анимации ниже) или от микроконтроллера. Между управляющим выходом таймера 555 (или выходным портом микроконтроллера) и базой транзистора почти всегда ставят токоограничивающий защитный резистор (на этой анимации для упрощения резистор не показан). Для упрощения также не показаны токоограничительные резисторы, которые должны стоять последовательно с каждым светодиодом.

    Ранее уже упоминалась возможность управлять реле с помощью микроконтроллера. Для этого обычно также применяются транзисторы. Ниже приведена простая схема на транзисторе KT315 (его можно заменить аналогом на BC547), предназначенная для коммутации сетевой нагрузки 220V с помощью реле (это может быть лампа, или нагреватель, или асинхронный двигатель).

    Диод VD1 нужен для предотвращения повреждения транзистора высоковольтным импульсом ЭДС самоиндукции, который возникает при обесточивании обмотки реле.

    [Общие замечания по применению реле и транзисторов]

    Реле бывают с самыми разными параметрами, определяющими его назначение и область применения. Чем реле мощнее (то есть чем больше ток и напряжение, которое реле может коммутировать), тем больше размеры реле из-за увеличения размеров электромагнита и контактной группы. Чем реле больше по размеру, тем оно будет требовать бОльшей мощности для управления. Поэтому старайтесь подобрать реле, наиболее подходящее Вам по параметрам.

    Важно также подобрать нужное напряжение источника питания для реле. Если напряжение будет слишком низким, то реле не будет надежно срабатывать (или не будет срабатывать вовсе). Если напряжение будет слишком большим, то на обмотке реле будет рассеиваться слишком большая мощность, обмотка будет перегреваться и реле может выйти из строя. Чтобы правильно выбрать напряжение питания обмотки реле, см. параметры реле в его паспорте или даташите.

    Для управления реле с помощью микроконтроллера применяйте транзисторы в качестве буферных ключей.

    Вы могли бы задаться вопросом — в чем разница между мощными, обычными биполярными транзисторами и транзисторами MOSFET. Мощные транзисторы могут выдержать бОльшие токи и напряжения, и имеют специальные корпуса (обычно максимальные токи порядка 10 .. 20A, и напряжения до 600V и более). Корпус мощного транзистора рассчитан на крепление к теплоотводящей поверхности (например, радиатору). Обычные транзисторы имеют простые пластмассовые миниатюрные корпуса, и могут обычно выдерживать напряжения до 150V и токи до 2A.

    Транзистор MOSFET, несмотря на то, что принцип его работы и параметры абсолютно отличаются от традиционных биполярных транзисторов, применяются для тех же целей, что и биполярные транзисторы. Ниже приведен пример схемы для управления реле на транзисторе MOSFET.

    Под транзисторами MOSFET часто подразумевают мощные транзисторы. Действительно, параметры у MOSFET значительно превышают параметры биполярных транзисторов по току и напряжению. В закрытом состоянии сопротивление канала сток — исток транзисторов MOSFET близко к бесконечности, а в открытом состоянии падает практически до нуля. Поэтому транзисторы MOSFET могут безопасно работать при переключении очень больших мощностей, выделяя при этом малое количество тепла. Транзисторы MOSFET, как и биполярные, могут плавно изменять сопротивление силового канала, однако это сопротивление зависит от входного напряжения, а не от входного тока. Во многих случаях можно с небольшими модификациями схемы заменить биполярный транзистор на транзистор MOSFET. Обратная замена возможна далеко не всегда.

    Меня наверное можно назвать «радиоэлектронным старьевщиком». Не могу равнодушно мимо любой выброшенной радиоэлектронной железки — хочется забрать домой, починить или хотя бы разобрать на запчасти. В старой аппаратуре можно найти реле и транзисторы, вполне работоспособные и достойные лучшей участи, чем гниение на свалке. Реле могут стоять в микроволновых печах, кондиционерах, телевизорах, холодильниках, источниках бесперебойного электропитания, музыкальных центрах, радиоуправляемых игрушках. Транзисторы встречаются почти в любой электронной аппаратуре, и последнее время все больше встречаются транзисторы с планарным монтажом на плату (SMD), а транзисторы со штыревыми выводами встречаются реже.

    [Что обозначают аббревиатуры SPDT, SPST, DPST, DPDT]

    АббревиатураРасшифровка аббревиатурыОбозначение в ВеликобританииОбозначение в СШАОписаниеГрафический символ
    SPSTSingle pole, single throwOne-wayTwo-wayПростой выключатель, имеющий два положения — включено или выключено. Два контакта могут быть либо замкнуты друг с другом, либо разомкнуты. Применяется, например, для включения освещения.
    SPDTSingle pole, double throwTwo-wayThree-wayПростой переключатель. Общий контакт C (COM, Common) соединяется либо с контактом L1, либо с L2.
    SPCO SPTTSingle pole changeover или Single pole, triple throwПо контактам то же самое, что и SPDT. Некоторые производители реле используют SPCO/SPTT для обозначения переключателей, имеющих выключенное среднее, центральное положение, в котором все контакты разомкнуты.
    DPSTDouble pole, single throwDouble poleDouble poleТо же самое, что и две отдельных контактных группы SPST, управляемые одновременно одним механизмом.
    DPDTDouble pole, double throwТо же самое, что и две отдельных контактных группы SPDT, управляемые одновременно одним механизмом.
    DPCODouble pole changeover или Double pole, centre offПо контактам эквивалентно DPDT. Некоторые производители используют DPCO для обозначения переключателей, имеющих среднее, выключенное положение.
    Intermediate switchFour-way switchПереключатель DPDT, имеющий внутреннее соединение контактов таким образом, что переключение меняет полярность подведенного напряжения. Используется редко.

    [Ссылки]

    1. How Electronic Switches Work For Noobs: Relays and Transistors site:instructables.com. 2. usb-Relay — маленькое USB-устройство, управляющее включением и выключением реле. 3. Транзистор — это просто. Очень хорошие видеоуроки, объясняющие принцип работы полупроводников. 4. Доступ к портам I/O AVR на языке C (GCC, WinAVR). 5. Как работают транзисторы MOSFET.

    МЭМС-переключатели для маломощной логики

    Изображения: вверху: Реза Натанаэль / Калифорнийский университет в Беркли; Внизу: SEMATECH

    Mechanical Logic: Это шестиконтактное реле [внизу], которое может похвастаться затвором размером 7,5 квадратных микрометра, и более крупное четырехконтактное реле [вверху] построено таким образом, что их затворы и каналы находятся над остальной частью переключателя. Щелкните любое изображение для увеличения.

    Интегральная схема за последние 40 лет добилась таких устойчивых успехов, что легко поверить в своего рода «явную судьбу» электроники.Как мог пройти год без появления новых крутых гаджетов, которые могут похвастаться невиданными ранее возможностями по удивительно доступным ценам?

    Но индустрия микросхем приближается к кризису. После десятилетий прогресса непрерывное улучшение энергоэффективности начало замедляться. Если мы хотим продолжить распространение более дешевой электроники меньшего размера и открыть то, что многие в индустрии микросхем называют Интернетом вещей — будущее, полное миллиардов постоянно включенных, всегда подключенных устройств и датчиков, — нам придется выйти за рамки CMOS транзистор, чтобы найти менее энергоемкую технологию.

    Будущее может лежать в прошлом: оглядываясь на самые ранние дни электрических вычислений, мы обнаружили удивительно привлекательную альтернативу. Это электромеханическое реле. В качестве переключателя, реле является настолько фундаментальным, насколько это возможно — оно использует напряжение для физического размыкания и замыкания цепи. Ранние реле были слишком медленными и требовательными к мощности, чтобы конкурировать с электронными лампами, не говоря уже о транзисторах. Но мы думаем, что, используя современные процессы производства КМОП, реле может получить микроскопический вид.

    Иллюстрация: Джордж Рецек

    Сила пружины: Пружинные витки подвески используются для закрепления затвора и канала нанореле. Достаточно сильная разница напряжений опускает стек затвора и позволяет току течь. Нажмите на изображение для увеличения.

    Эти миниатюрные подвижные переключатели — или нанорелеи — не так быстры, как твердотельные устройства на современных микросхемах. Но недостаток скорости крошечным механическим переключателям компенсируется энергоэффективностью.Нанорелеи не пропускают ток, когда они выключены, и они могут изменять состояние с помощью лишь части энергии, необходимой для включения или выключения транзистора. Эти качества делают микроскопические переключатели идеальными для сверхмалых микросхем, которые могут отводить энергию, собранную из акустических колебаний, света или окружающих радиосигналов. С помощью некоторой умной инженерии, возможно, даже удастся сделать нанорелеи достаточно быстрыми, чтобы управлять основной логикой в ​​мобильных телефонах, планшетах и ​​других портативных электронных устройствах.

    Серийные микросхемы, заполненные движущимися частями, не так уж и далеки, как может показаться. После нескольких лет мелкомасштабных экспериментов мы сейчас находимся на пороге демонстрации полностью функциональных, сложных интегральных схем, которые являются полностью механическими. Эстафета, давно вышедшая на пенсию, может вскоре возродиться.

    На протяжении десятилетий инженеры каждый раз уменьшали размер транзистора, они получали более быстрый и энергоэффективный переключатель. Но чуть более десяти лет назад производители микросхем осознали, что простое сокращение транзисторов не повысит их энергоэффективность, как это было раньше.

    Проблема в том, что транзисторы — несовершенные переключатели; они пропускают ток, даже если они должны быть отключены. Эта утечка имеет фундаментальное значение для работы транзистора, поэтому нет простого способа устранить ее последствия. Если уменьшить рабочее напряжение транзистора, для переключения устройства потребуется меньше энергии. Но время, необходимое для переключения этого транзистора с меньшей мощностью, будет увеличиваться, а в то же время другие транзисторы в цепи будут пропускать больше тока, пока они ждут завершения операции.В результате существует фундаментальный предел энергоэффективности схемы CMOS, и мы быстро приближаемся к точке, когда мы не сможем продолжать повышать производительность микросхемы без увеличения энергопотребления.

    Хорошая новость заключается в том, что вы можете полностью избежать утечки, если используете выключатель, у которого просто нет пути для прохождения электричества, когда он выключен. Ранняя модель такого переключателя — реле — была изобретена в 1835 году американским ученым Джозефом Генри, примерно в то же время, когда Чарльз Бэббидж разрабатывал паровые калькуляторы.Первое реле Генри использовало индукцию для включения электромагнита, который тянул за якорь, который механически замыкал зазор между двумя электродами.

    Реле открыло дорогу первым сложным программируемым компьютерам — машинам, которые могли вычислять логарифмические таблицы или анализировать аэродинамические силы — в конце 19-го и начале 20-го веков. Самый первый цифровой компьютер общего назначения с электрическим приводом, немецкий Zuse Z3, представленный в 1941 году, использовал около 2000 реле для выполнения расчетов при проектировании самолетов.

    Но роль реле в вычислениях была недолгой. Z3, который имел тактовую частоту менее дюжины герц, был быстро вытеснен компьютерами, основанными на электронной лампе, а затем и на транзисторе. Тем не менее, реле вот-вот совершит полный круг: десятилетия достижений в литографии, травлении и других технологиях, используемых для изготовления КМОП-чипов, теперь предлагают нам средства для возрождения реле в более компактной и более энергоэффективной форме.

    Как вы могли догадаться, для существует множество способов создания миниатюрного механического переключателя.Вы можете, например, воспроизвести классическое реле в гораздо меньшем масштабе, используя ток, чтобы физически толкать или тянуть крошечный кусок магнитного материала. И действительно, исследователи именно это и сделали. В 2001 году группа из Университета штата Аризона показала, что консоль, сделанная из сплава железа и никеля, может быть потянута вниз, чтобы замкнуть цепь, пропуская ток через соседнюю катушку. Это устройство не было достаточно компактным и энергоэффективным, чтобы его можно было использовать для крупномасштабной интеграции, но оно вызвало такой интерес у исследователей, что они начали изучать другие способы уменьшения размера реле.

    С тех пор другие разработали реле, которые получают свое механическое движение от теплового расширения или пьезоэлектричества, свойства некоторых материалов расширяться или сжиматься под действием электрического поля. Эти конструкции оказались многообещающими, но подход, который кажется наиболее совместимым с существующими процессами производства микросхем и наиболее способным к уменьшению до размеров, сопоставимых с размерами современных транзисторов, — это электростатический переключатель.

    В Калифорнийском университете в Беркли мы работали над таким переключателем: реле с микрометровой шкалой, вдохновленное транзистором CMOS.Подобно транзистору, реле содержит исток, сток и канал, по которому протекает ток, а также электроды затвора и корпуса, которые контролируют состояние устройства. Но реле может похвастаться ключевым конструктивным отличием: затвор и канал подвешены над истоком и стоком, а не построены рядом с ними.

    Мы достигли этой конфигурации путем травления затвора, который состоит из квадрата и четырех пружинных подвесных катушек, прикрепленных по углам, из проводящего сплава кремния и германия.Поскольку мы удалили часть промежуточного материала в процессе изготовления устройства, затвор находится на высоте менее 100 нанометров над «основанием» переключателя. Это основание разделено на три части: «основной» электрод, который служит опорным потенциалом для затвора, и электроды истока и стока, расположенные по обе стороны от основного электрода. К изолированной нижней части ворот прикреплен слой проводящего материала, который образует канал.

    Если разность напряжений между электродом затвора и электродом тела достаточно велика, то электростатическое притяжение между противоположными зарядами затвора и тела создает силу, которая тянет затвор вниз.Это растягивает пружинящие катушки и приводит канал в контакт с электродами истока и стока, так что он образует проводящий мост для протекания тока. Когда прикладываемое напряжение между затвором и корпусом уменьшается, электростатическая сила уменьшается и в конечном итоге становится ниже, чем восстанавливающая сила катушек. Затем ворота возвращаются в нейтральное положение, так что они снова подвешиваются над корпусом переключателя. В этом состоянии воздушный зазор отделяет канал от электродов истока и стока, предотвращая протекание тока.

    Изображение: Калифорнийский университет в Беркли

    Click, Clack: Этот тестовый чип реле размером 9 на 9 миллиметров, созданный в Калифорнийском университете в Беркли, содержит умножитель на 100 реле [четвертый ряд снизу], разработанный исследователями Массачусетского технологического института, который является самым большим интегрированным реле. Схема продемонстрирована на сегодняшний день. Нажмите на изображение для увеличения.

    Полученные в результате реле не особенно быстродействующие по сравнению с современными транзисторами.Реле размером с современное КМОП-устройство может механически переключаться от 1 до 10 наносекунд — в 100-1000 раз больше, чем типичный ограничивающий фактор скорости транзисторной схемы, время, необходимое для электрического заряда. или разрядить выходной сигнал. Из-за этого, если вы возьмете оптимально спроектированную схему CMOS и просто замените реле для каждого транзистора, вы получите идеально работающую схему реле, но такую, которая будет меньше, чем в сотую раз быстрее, чем ваша исходная схема.

    К счастью, наша исследовательская группа, в которую входят сотрудники из Беркли, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Массачусетского технологического института, продемонстрировала, что влияние этой длительной механической задержки можно минимизировать, оптимизируя конструкцию схемы. В КМОП-схеме, такой как сумматор или умножитель, транзисторы обычно располагаются небольшими группами для создания довольно простых логических вентилей. Каждый из этих затворов содержит несколько транзисторов и работает в последовательном порядке — выход одного затвора используется для влияния на состояние следующего затвора.Этот подход оказывается более быстрым, чем создание более сложных логических вентилей из больших наборов транзисторов, соединенных последовательно или параллельно.

    Оказывается, лучший способ разработать блок схемы цифрового реле — это взять страницу из первой половины 20-го века, когда большие дискретные реле еще использовались для создания компьютеров. Вместо того, чтобы сгруппировать нанорелеи в отдельные простые вентили, как в случае с транзисторами, лучший подход состоит в том, чтобы расположить многие из них последовательно и параллельно, чтобы сделать как можно меньше вентилей.Если все устройства могут быть объединены в один затвор, все нанорелеи можно переключать одновременно, и время, необходимое для выполнения любой функции, сокращается до одной механической задержки.

    Этот подход работает, потому что дополнительная задержка, связанная с перемещением электрических сигналов через более сложные схемы, остается незначительной по сравнению с механической задержкой, связанной с размыканием или замыканием одного переключателя. В сочетании с другими функциями реле логические схемы, построенные таким образом, требуют меньшего количества устройств, что позволяет сэкономить место и, следовательно, стоимость микросхемы.Хотя для КМОП-сумматора может потребоваться около 25 транзисторов, мы создали сумматоры с нанореле, которым требуется всего 12 переключателей. Механические схемы, которые были изготовлены на сегодняшний день, содержат реле микрометрового размера, в десятки раз больше, чем современные транзисторы с самыми высокими характеристиками. Но наши исследования, а также исследования групп из Стэнфорда и Калифорнийского технологического института показывают, что реле можно уменьшить таким же образом, как это было сделано для КМОП-транзисторов, и с аналогичным увеличением производительности.

    Экстраполируя наши токовые реле, результаты нашего моделирования показывают, что при тех же литографических размерах схема с нанореле может потреблять всего сотую часть энергии, занимая ту же площадь кристалла, что и эквивалентная схема КМОП.По нашим оценкам, схемы нанореле, созданные с использованием зрелой технологии 90-нм чипов, могут работать на скоростях примерно до 100 мегагерц.

    В наши дни процессоров с частотой несколько гигагерц может показаться странным рассматривать совершенно новую технологию, способную работать только с одной десятой скорости. Но этого количества вычислительной мощности более чем достаточно для управления логикой различных датчиков, камер, имплантированной электроники и устройств связи, которые сформируют Интернет вещей будущего.

    И по мере того, как нанорелеи становятся меньше, их энергоэффективность и скорость будут продолжать улучшаться, возможно, до скоростей гигагерца или около того. Лучший способ увеличить скорость — уменьшить механическую задержку реле. Мы могли бы, например, сделать затвор и канал реле из более легких материалов, чтобы переключатель ускорялся быстрее при заданной силе. Мы также могли бы построить реле так, чтобы затвор был подвешен ближе к корпусу переключателя, уменьшая расстояние, которое затвор нанореле должен проходить между его включенным и выключенным состояниями, и увеличивая силу притяжения между электродами.

    Звучит просто , но было бы упущением, если бы мы не упомянули пару предостережений. Нам часто задают вопрос: что произойдет с микросхемой реле, если вы ее уроните? Наверное, ничего. Оказывается, масса подвижного электрода в нанореле была бы настолько мала — порядка одной миллиардной грамма, — что для преодоления восстанавливающей силы, действующей на поверхность, потребовались бы ускорения, превышающие 100 000 g. подвижные электродные пружины и вызывают случайный контакт канала с истоком и стоком.Чтобы поместить это число в контекст, бросая ваш мобильный телефон на землю, вы обычно получаете менее 1000 g ускорения в момент удара. Таким образом, крайне маловероятно, что вибрация и механический удар могут привести к отказу микросхемы реле, не говоря уже о ее повреждении — если только ваш телефон не взорвется на куски.

    Еще одна проблема — надежность. Любое механическое устройство со временем изнашивается или ломается при многократном использовании. В случае нанореле наиболее вероятный путь выхода устройства из строя — через контакты — места, где канал соприкасается с истоком и стоком.Тепло, создаваемое этими контактами, проводит ток для зарядки или разрядки выхода реле, в конечном итоге может привести к свариванию контактов или даже к испарению.

    Удобно, но относительная медлительность нанореле позволяет нам использовать материалы, более устойчивые к износу. Электрическая задержка, связанная с зарядкой и разрядкой переключателя, когда канал входит в контакт или поднимается над истоком и стоком, мала по сравнению с временем механического переключения.В результате мы можем использовать больше износостойких и жаропрочных материалов, таких как вольфрам, для контактов. Такие твердые материалы не имеют хороших электрических контактов — они не деформируются при нажатии друг на друга, поэтому фактический контакт обычно осуществляется только в нескольких точках. В результате небольшая площадь контакта увеличивает электрическую задержку, но эта задержка все еще мала по сравнению с механической задержкой.

    Экстраполируя степень износа, наблюдаемую в наших экспериментах, мы оцениваем, что нанорелеи могут быть использованы для создания практического микроконтроллера для встроенного датчика, который без сбоев переключает квадриллион (10 15 ) раз.Такой уровень активности соответствует работе 1 процент времени на скорости 100 МГц в течение 10 лет.

    Кроме того, мы ожидаем, что по мере уменьшения размера реле они, вероятно, станут еще более надежными. Одна из ключевых причин заключается в том, что реле меньшего размера будут иметь меньшую емкость, а это означает, что для зарядки или разрядки компонентов потребуется меньше времени. Это уменьшит количество тепла, рассеиваемого через контакты.

    Прежде чем реле смогут стать следующей основной технологией интегральных схем, необходимо сделать две важные вещи: реле нужно уменьшить, и их нужно изготавливать в более сложные схемы.Несколько команд работают над обеими задачами. Мы уже показали, что память, а также базовые логические схемы, такие как сумматоры и умножители, могут быть построены с помощью нанорелеев. Следующим шагом будет создание полноценных микросхем, таких как микроконтроллеры, которые легко могли бы содержать тысячи или даже миллионы переключателей. В процессе мы будем разрабатывать методы для оптимизации конструкции очень крупномасштабных интегральных схем, а также подготовить цепочку изготовления пластин для этих больших конструкций микросхем.

    К счастью, создание интегральных схем, содержащих миллионы или даже миллиарды этих нанорелеев, должно быть относительно несложным.Помимо некоторых специфических для реле правил проектирования, проверок и моделей устройств, мы смогли использовать те же автоматизированные инструменты проектирования, разработанные для индустрии кремниевых КМОП, для размещения и маршрутизации реле и моделирования поведения схемы. Возможность повторного использования этого программного обеспечения имеет решающее значение, потому что восстановление этой инфраструктуры с нуля будет очень дорогостоящим.

    Конечно, предстоит еще много работы, но технология нанореле, похоже, может преодолеть препятствие на пути энергоэффективности КМОП и восстановить явную судьбу электроники.Вскоре мы можем увидеть новые крутые устройства, которые будут работать в течение недель или лет от одной зарядки аккумулятора. Все, что нужно, — это установить несколько миллионов вещей.

    Об авторах

    Для Цу-Чже Кинга Лю, Деян Марковича, Владимира Стояновича и Элада Алона эта эстафета — больше, чем просто взрыв из прошлого. Сотрудник IEEE Лю, профессор электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, подозревала, что миниатюрные версии механических переключателей могут быть привлекательной маломощной альтернативой кремниевым транзисторам, но ей требовались разработчики схем, чтобы доказать это. .Маркович, профессор электротехники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Стоянович, профессор Массачусетского технологического института; и Алон, такой же профессор из Беркли, с энтузиазмом присоединились к этой работе.

    Потери мощности в коммутаторах

    Идеальный коммутатор показан на рисунке 1. Потери мощности, генерируемые в коммутаторе, являются произведением тока через коммутатор и напряжения на коммутаторе. Когда переключатель выключен, через него нет тока (хотя на нем есть напряжение В S ).А значит, нет рассеивания мощности. Когда переключатель включен, через него проходит ток ( В S / R L ), но на нем нет падения напряжения, поэтому опять же нет потери мощности. Мы также предполагаем, что для идеального переключателя время нарастания и спада тока равно нулю. То есть идеальный переключатель мгновенно переходит из выключенного состояния во включенное (и наоборот). Таким образом, потери мощности при переключении равны нулю.

    Рисунок 1

    В отличие от идеального переключателя, реальный переключатель, такой как биполярный транзистор, имеет два основных источника потерь мощности: потери проводимости и потери переключения.

    Потеря проводимости

    Когда транзистор на Рисунке 2 (а) выключен, он пропускает ток утечки ( l LEAK ). Потери мощности, связанные с током утечки, составляют P OFF = V S x I LEAK . Однако, поскольку ток утечки довольно мал и существенно не меняется с напряжением, им обычно пренебрегают, и, таким образом, потери мощности транзистора практически равны нулю. Когда транзистор включен, как показано на рисунке 2 (b), на нем есть небольшое падение напряжения.Это напряжение называется напряжением насыщения (V CE (SAT) ). Рассеиваемая мощность транзистора или потери проводимости из-за напряжения насыщения составляют:

    P ON = V CE (SAT) x I C

    Где

    I C = (V S — V CE (SAT) ) / R L ≈ V S / R L

    Уравнение 1 дает потери мощности из-за проводимости, если переключатель остается включенным бесконечно.Однако для управления питанием для данного приложения переключатель периодически включается и выключается. Следовательно, чтобы найти потерю мощности по напряжению, мы должны учитывать рабочий цикл:

    P ON (средн.) = V CE (SAT) x I c x (I ON / T) = V CE (SAT) x I C x d

    Аналогично

    P ВЫКЛ (средн.) = V S x I УТЕЧКА x t ВЫКЛ / T

    Здесь рабочий цикл d определяется как процент цикла, в котором переключатель включен:

    d = t ВКЛ / (t ВКЛ x t ВЫКЛ ) = t ВКЛ / T

    Рисунок 2

    Потери при переключении

    В дополнение к потерям проводимости реальный переключатель имеет потери переключения, потому что он не может мгновенно переключиться из включенного состояния в выключенное (или наоборот).Настоящему переключателю требуется конечное время t SW (ON) для включения и конечное время t SW (OFF) для выключения. Это время не только приводит к рассеянию мощности, но и ограничивает максимально возможную частоту коммутации. Времена перехода t SW (ON) и t SW (OFF) для реальных переключателей обычно не равны, а t SW (ON) обычно больше. Однако в этом обсуждении мы будем предполагать, что t SW (ON) равно t SW (OFF) .На рис. 3. показаны формы сигналов переключения для (а) напряжения на переключателе и (б) тока через него. Когда переключатель выключен, напряжение на нем равно напряжению источника. Во время включения, которое занимает конечное время, напряжение на переключателе падает до нуля. За это же время ток через переключатель увеличивается с нуля до I C . Через транзистор проходит ток и напряжение во время переключения; следовательно, он имеет потерю мощности.

    Рис. 3. Осциллограммы во время переключения: (а) напряжение на переключателе; (б) ток через переключатель (в) мощность, рассеиваемая в переключателе.

    Чтобы найти мощность, рассеиваемую транзистором в течение интервала переключения, мы умножаем мгновенное значение I C на соответствующее значение В CE . Кривая мгновенной мощности показана на Рисунке 3 (c). энергия, рассеиваемая в переключателе, равна площади под формой сигнала мощности.Обратите внимание, что максимальная мощность рассеивается, когда и ток, и напряжение проходят через свои средние значения. Следовательно, максимальная потеря мощности при переключении из выключенного состояния во включенное состояние составляет:

    P ВКЛ. (Макс.) = 0,5 В CE (макс.) x 0,5 I C (макс.)

    Интересно отметить, что кривая мощности выглядит как выпрямленная синусоида. Среднее значение этого сигнала —

    .

    P ПО ВКЛ. (Средн.) = 0.637 x P SW ON (макс.)

    = 0,637 x 0,5 В CE (МАКС.) x 0,5 I C (МАКС.)

    = 0,167 В CE (макс.) x I C (макс.)

    или

    P ВКЛ. (Сред.) = 1/6 В CE (макс.) x I C (макс.)

    Потери энергии (мощность x время) во время включения будут P SW ON (avg) x t SW (ON)

    W SW ON = 1/6 V CE (max) x I C (max) x t SW (ON) (джоули)

    Аналогичный анализ дает потерю энергии при выключении как

    W SW OFF = 1/6 В CE (макс.) x I C (макс.) x t SW (ON) (джоули)

    Суммарные потери энергии за один цикл из-за переключения равны

    .

    W SW = W SW ON + W SW OFF + 1/6 V CE (макс.) x I C (макс.) x [t SW ON + t SW OFF ]

    Средняя рассеиваемая мощность в коммутаторе будет

    P SW = W SW / T = W SW x f

    P SW = 1/6 В CE (макс.) x I C (макс.) x [t SW ON + t SW OFF ] x f

    Где T — период переключения, а f — частота следования импульсов (частота переключения).Обратите внимание, что

    T = t ВКЛ + t ПО (ВКЛ) + t ВЫКЛ + t ПО (ВЫКЛ)

    Если допустим

    t SW (ВКЛ) = t SW (ВКЛ) t SW (ВЫКЛ) = t SW

    , затем

    P SW = 1/6 В CE (макс.) x I C (макс.) x (2 т SW ) x f

    Суммарные потери мощности в коммутаторе

    P T = P ВКЛ (средн.) + P ВЫКЛ (средн.) + P SW

    ≈ P ON (средн.) + P SW

    = d x V CE (нас.) x I C 1/3 x V CE (макс.) x I C (макс.) x t SW x f


    Статьи по теме

    Диод

    Основные характеристики диодов

    Анализ диодной цепи

    Напряжение тока характеристика диода

    Формирование обедненного слоя в диоде

    Туннельный диод

    Выбор правильной работы импульсных силовых транзисторов

    Из 3 материалов и около 8 типов транзисторов на выбор — хотя доступны не все комбинации — выбор оптимального переключающего транзистора затруднен. Эта статья также специально написана для наших молодых инженеров.

    1. Требования к силовым транзисторам

    То же не то, потребность во вторых источниках. Можно легко ввести в заблуждение предположение, что транзисторы одного и того же типа действительно идентичны; нет ничего дальше от истины!

    У каждого производителя своя технология. В полупроводниковой промышленности продукт сначала представляет одна компания, в случае успеха другие копируют его, а также техническое описание. Они пытаются соответствовать спецификациям оригинала или превосходить их, но в особенности поведение переключения часто отличается.Поскольку копии, как правило, дешевле, отдел закупок будет оказывать давление на дизайнера, чтобы тот одобрил продукцию из вторых источников. На самом деле, первоочередной задачей дизайнера является избегать продуктов из одного источника.

    Продукт из одного источника не только мешает торговому отделу торговаться и заставляет его соглашаться с ценой продавца, но также существует риск предложения: производитель может иметь производственные проблемы или, что еще хуже, во времена высокого спроса товары не могут просто быть купленными, но «выделенными»; цены растут, сроки доставки могут растягиваться на годы.Если продукт не приносит достаточного дохода, его можно прекратить в короткие сроки, возможно, в тот момент, когда новая схема разработчика будет запущена в производство.

    Следовательно, разработчик должен будет протестировать продукты из вторых источников и модифицировать свою схему, чтобы она могла работать и с ними. В спецификации разработчик должен утвердить как минимум двух производителей.

    Если он введет только обозначение типа, отдел закупок сможет свободно покупать любой продукт с этим обозначением. Это может привести к остановке производства или / или выходу из строя

    Несмотря на то, что продукты TO-220 и TO-247 легко протестировать, компоненты SMD должны быть распаяны и перепаяны, что может привести к повреждению деталей и / или платы.TO-220 помещается в гнезда с шагом 1/10 дюйма, если используется прикрепляемый радиатор, тестирование будет быстрым. Осциллограф с полосой пропускания не менее 200 МГц и пробник постоянного / переменного тока с частотой не менее 50 МГц покажут напряжение и ток. Сразу будет видно, медленно ли отключается транзистор.

    Во время выключения напряжение продукта, умноженное на ток, может принимать высокие уровни, если выключение слишком медленное, это может привести к разрушению транзистора. Если математика в осциллографе используется для расчета мгновенной мощности, необходимо сначала компенсировать временную задержку между датчиками напряжения и тока! В автономном режиме SMPS могут возникать напряжения до 800 В (пик), поэтому стандартные пробники использовать нельзя, только пробники со спецификацией не менее 1 кВп.

    Даже с проверенными и одобренными продуктами нет уверенности в будущем. Производители полупроводников постоянно заняты уменьшением размеров микросхем и / или переходом на менее дорогостоящую технологию без изменения обозначения типа. Иногда «А» указывает на изменение. Не стоит рассчитывать, что такой тип «А» будет лучше, наоборот, в большинстве случаев деталь будет уступать своему предшественнику. Микросхема меньшего размера будет работать быстрее, но потребует меньшей перегрузки, а ее тепловое сопротивление будет выше, поэтому он будет работать более горячим.Такие смены фишек могут вызвать, казалось бы, «необъяснимые» сбои новых лотов. Мудрый инженер-конструктор всегда сохраняет некоторые детали, которые он использовал при проектировании, чтобы можно было сравнить их с новыми партиями.

    Выбор сложен: есть 3 материала (Si, SiC, GaN) и следующие типы на выбор: биполярный NPN и PNP, JFET, N- и P-канал, MOSFET, N- и P-канал, усиление, истощение, стандарт и Coolmos (Superjunction). Не все мыслимые комбинации материалов и типов возможны соответственно.доступны, например нет никаких деталей улучшения JFET. Хотя кремний и GaN позволяют использовать транзисторы на кристалле вместе с другими схемами, это невозможно с SiC. Основным недостатком всех новых деталей из SiC и GaN является отсутствие настоящих вторых источников. Если поставщик выйдет из бизнеса, как это произошло, его клиентам придется изменить дизайн.

    2. Биполяр Si Power

    Биполярные силовые дискретные Si

    транзисторы считаются устаревшими, большинство крупных фирм прекратили производство.Однако они имеют самые маленькие микросхемы, простую обработку, низкую стоимость и по-прежнему предпочтительны для определенных приложений. До 100 В они могут быть интегрированы с другими схемами. Целые семейства таких микросхем являются обычными и останутся: например, линейные и импульсные регуляторы напряжения. Линейные регуляторы недорогие и обладают отличными характеристиками. С проходными элементами MOSFET выпадающие напряжения могут быть уменьшены до милливольт, но микросхемы больше, затраты выше.5 В, их соотношение цена / качество невозможно превзойти.

    Следует избегать так называемых биполярных регуляторов с малым падением напряжения. Если ограничение тока или защита от короткого замыкания не требуются, любой стандартный полевой МОП-транзистор и TL 431 составляют превосходный стабилизатор с минимальным падением напряжения и самой низкой стоимостью примерно до 30 В; для более высоких выходных напряжений можно вставить небольшой каскодный транзистор.

    Биполярные транзисторы

    имеют низкое напряжение насыщения, которое мало растет с увеличением тока, что является большим преимуществом перед полевыми транзисторами, однако для этого требуются высокие базовые токи.Проблема высоких базовых токов была решена с помощью IGBT с его входом MOSFET. Биполяры использовались в миллионах телевизоров в качестве переключающих транзисторов в SMPS и цепях горизонтального отклонения, но их базовый привод очень важен, особенно во время выключения. Биполяры высокого напряжения страдают от низкого усиления тока. Если им дать возможность насыщаться, они будут медленно восстанавливаться.

    Если максимальное напряжение коллектора будет превышено, двуполяры выйдут из строя. Пока ток ограничен, эта первая поломка не повредит деталь.Поскольку этот пробой происходит очень быстро, в наносекундной области таким образом генерируются короткие импульсы большой амплитуды.

    Есть важные потомки биполяров: тиристоры, симисторы, которые трудно превзойти, потому что они являются надежными и недорогими компонентами.

    В 1960-х годах был обнаружен второй пробой, который влияет на биполяры от 16 В. Ни в коем случае не допускается любое сочетание напряжения и тока коллектора; чем выше напряжение, тем ниже допустимый ток. Указанная максимальная рассеиваемая мощность доступна только ниже прибл.16 В. Для каждого типа транзистора в таблице дана так называемая зона безопасности SOAR = безопасная работа: набор кривых на диаграмме зависимости напряжения коллектора от тока коллектора с параметром времени. Обратите внимание, что это действительно только для Tj = 25 C и должно быть снижено выше.

    Электрические поля таковы, что ток концентрируется в горячих точках, где плавится кремний, поэтому возникает короткое замыкание. Наихудший случай — постоянный ток соответственно. непрерывная работа: даже большие транзисторы выдерживают очень малые токи при высоких напряжениях.Быстрое переключение обязательно для выживания.

    Обычные биполярные силовые транзисторы работают довольно медленно. Для повышения tT были разработаны многоячеечные транзисторы с fT в несколько сотен МГц; меньшие типы достигли нескольких ГГц. Фактически, например, для высококачественных аудиоусилителей требуется не менее 100 МГц. В то же время такие многоячеечные транзисторы менее подвержены вторичному пробою.

    3. Стандартные силовые транзисторы Si MOSFET


    3.1 Структура

    Первые силовые полевые МОП-транзисторы, которые отличаются от полевых МОП-транзисторов с малым сигналом, появились примерно в 1978 году на рынке, основным поставщиком была компания Siliconix.Это были так называемые устройства V-MOS. МОП-транзистор характеризуется подповерхностным каналом между истоком и стоком, изолирующим слоем SiO2 с электродом затвора наверху. Таким образом, затвор изолирован, поэтому статический ток затвора отсутствует. При достаточном напряжении на затворе образуется проводящий канал, по которому ток может течь в обоих направлениях.

    Этот канал имеет сопротивление Rdson с тем недостатком, что потери растут пропорционально квадрату тока. Большинство полевых МОП-транзисторов являются N-канальными типами расширения, т.е.е. обычно выключен и требует около 12 В привода затвора, который легко доставляется стандартными микросхемами. Минимальные пороговые напряжения находятся в диапазоне от 1 до 4 В. Доступны полевые МОП-транзисторы с P-каналом до 500 В, в семействе маломощных также имеются истощенные. MOSFET с истощением непригодны для использования в SMPS, потому что они полностью включены с нулевым напряжением затвора; следовательно, при включении питания они будут давать короткое замыкание.

    Что касается тока утечки, импеданс на затворе должен оставаться достаточно низким, чтобы предотвратить паразитное включение.Обратите внимание, что все драйверы требуют минимального напряжения питания для правильной работы, ниже этого выход на MOSFET остается высоким импедансом; поэтому обычно требуется резистор на <100 К, чтобы предотвратить паразитное включение, которое может быть разрушительным.

    Как описано ниже, во время выключения из затвора может выходить значительный емкостной ток, который может вызвать паразитное включение, если только схема затвора не имеет достаточно низкого импеданса. Здесь могут быть причины, казалось бы, «необъяснимые» неудачи.Максимальное напряжение затвора обычно составляет + — 20 В, поэтому имеется достаточный резерв. Существуют также устройства с низким порогом, совместимые с семействами логики. Путем легирования или ионной имплантации можно достичь любого желаемого порогового напряжения.

    Полевые МОП-транзисторы

    имеют большую входную, обратную и выходную емкости, которые могут превышать 10 нФ, поэтому для быстрого переключения необходимы большие пиковые токи. Важно отметить, что при переключении из выключенного состояния во включенное и обратное транзистор будет пересекать свою линейную область.Сильный эффект Миллера увеличивает входную емкость настолько, что напряжение затвора будет показывать плато, пока эффект Миллера снова не исчезнет при включении и соответственно. выключенное состояние. Этот эффект замедляет переключение и может быть преодолен только драйверами с высоким пиковым током или в каскодной схеме.

    Сегодняшние полевые МОП-транзисторы существенно отличаются от первых. Прорыв произошел, когда несколько крупных компаний выпустили на рынок микросотовые микросхемы; В IR назвали их Hexfets, потому что ячейки были шестиугольными.Motorola назвала их TMOS, Siemens SIPMOS и т. Д. При параллельном подключении тысяч таких ячеек были реализованы высокие напряжения и токи, в то время как Rdson оставался низким. На рис. 3.1 показана структура полевых МОП-транзисторов Siemens / Infineon.

    Рисунок 3.1: Структура первых силовых МОП-транзисторов Siemens / Infineon, все другие компании имеют аналогичную структуру. МОП-транзисторы состоят из десяти тысяч параллельно соединенных ячеек, сток находится внизу. Структура очень похожа на интегральную схему и получена из многоклеточных силовых биполяров.

    Истинная внутренняя структура силовых полевых МОП-транзисторов была впервые раскрыта компанией Harris Semiconductor в двух заметках AppNotes. На рисунке 3.2 показано, что это каскод, силовое устройство — полевой транзистор, нижний транзистор в каскоде — полевой МОП-транзистор. Внутренний узел каскода недоступен, как и в IGBT. Как следствие, можно влиять только на включение, но не на выключение! Можно быстро выключить полевой МОП-транзистор на затворе, но на то, как устройство выключается, нельзя повлиять со стороны затвора.Обычно ток быстро падает примерно до половины, затем остается на этом уровне в течение некоторого времени, прежде чем упасть до нуля. По мере того как напряжение стока быстро растет, увеличивается умноженное на ток напряжение продукта; если отключение длится слишком долго, будут понесены чрезмерные потери, которые могут вызвать разрушение. МОП-транзисторы одного и того же обозначения могут очень сильно отличаться по своему поведению при переключении, хорошие будут отключаться быстро, другие могут занять более 100 нс.

    Рисунок 3.2: Истинная внутренняя структура силовых полевых МОП-транзисторов 2-го поколения. Это каскод, а в качестве источника питания используется не полевой МОП-транзистор, а полевой транзистор! Нижний транзистор — МОП-транзистор. Паразитный NPN на выходе очевиден, его основание закорочено алюминием; в нижней упрощенной схеме замещения он не содержится. Схема в середине довольно полная; 3 показанные емкости приведены в таблицах данных.

    На рисунке показано, что во время выключения ток продолжает течь через емкости между стоком и затвором и выходит из затвора.Драйвер должен принимать этот ток. Это также одна из причин, по которой внешний резистор затвора должен быть подключен параллельно быстрому диоду, чтобы предотвратить повышение этого тока до слишком высокого напряжения на резисторе. Для полевых МОП-транзисторов среднего размера достаточно 1 N 4150.

    Токи от затвора могут попытаться опустить выход драйвера ниже уровня земли или за пределы Vcc, что может вызвать неисправность или повреждение микросхем драйвера. Следовательно, в большинстве случаев необходимо подключить силовой диод Шоттки на 1 А от выхода к земле, а также от выхода к Vcc.Если импеданс драйвера слишком высок, ток, выходящий из полевого МОП-транзистора, может создать достаточно высокое напряжение, чтобы снова включить его, паразитное включение, которое вызывает дополнительные потери или даже разрушение. Эта проблема также затрагивает SiC MOSFET.

    Стандартный силовой полевой МОП-транзистор доступен до 800 В, есть несколько типов на 1000 В, некоторые японские производители предлагают 1700 В, но у них есть недостаток, заключающийся в том, что размер кристалла увеличивается с увеличением напряжения. Помимо дороговизны крупных микросхем, становятся чрезмерными и их емкости.

    3,2 Второй сбой

    Другой проблемой является наличие паразитного биполярного транзистора NPN, подключенного параллельно выходу. Производители заявляли, что полевые МОП-транзисторы не имеют вторичного выхода из строя. Это было быстро доказано, поскольку причина в паразитическом NPN. Второй распад известен по биполярам. Хотя его база закорочена алюминием, высокое значение dv / dt на выходе = сток = коллектор создаст такой высокий ток через емкость коллектор-база, что на переходе база-эмиттер вырабатывается достаточно напряжения, чтобы включить его, немедленно разрушить транзистор.Таким образом, спецификации Mosfet содержат характеристики SOAR, которые показывают допустимый ток в зависимости от напряжения сток-источник с параметром времени.

    Проблема заключается в несовершенной однородности многих тысяч ячеек. Пороговое напряжение имеет отрицательный ТК; если ячейка немного горячее, чем ее соседи, она будет притягивать ток от них, что создает горячую точку. Если температура превысит 150 или 175 градусов Цельсия, разовьется короткое замыкание. Равномерность была настолько улучшена, что полевые МОП-транзисторы (Si) имеют лавинный рейтинг, который необходимо соблюдать в дополнение к рейтингам SOAR.Особенно внимательно следите за областью максимальных значений Vds и малых токов, что является критичным для SB.

    Обратите внимание, что все эти характеристики относятся к 25 ° C и должны быть снижены для фактического рабочего Tj. В основном указываются два лавинных рейтинга: более высокий рейтинг для одиночного импульса и периодический рейтинг. Характеристики одноимпульсного режима имеют сомнительную ценность, потому что в случае отказа невозможно доказать, был ли импульс, вызвавший разрушение, в пределах рейтинга

    .

    Рисунок 3.3 показаны результаты тестов. МОП-транзистор на 400 В при нагрузке на 100% рассеиваемой мощности отказал уже при 45 В. Даже МОП-транзистор на 800 В вышел из строя уже при чуть более высоком. Даже если они подвергаются нагрузке только при 50% рассеиваемой мощности, оба выходят из строя при 100 В. Только после того, как эти результаты были представлены производителям, они признали правду, и с тех пор характеристики SOAR есть в таблицах данных.

    Рис. 3.3: Результаты испытаний стандартных силовых полевых МОП-транзисторов доказывают, что они подвержены вторичному пробою.Опасность разрушения увеличивается с дв / дт.

    Эта лавинная стойкость — одно из наиболее важных преимуществ Si MOSFET, не имеющее себе равных с SiC и GaN, оба не имеют лавинных характеристик, GaN разрушается одним импульсом перенапряжения. Производители SiC объявили, что скоро укажут лавинные рейтинги; из-за схожести Si и SiC MOSFET вполне вероятно, что они добьются успеха.

    Символ часто отображается с стабилитроном, параллельным клеммам сток-исток.Во время схода лавины современный полевой МОП-транзистор может сильно рассеивать энергию, но не рекомендуется допускать, чтобы часть лавино сходила постоянно, а только в ситуациях перегрузки, таких как включение. Лавина — это случайный процесс, который генерирует EMI.

    3.3 Rdson, Коммутационные потери

    Стандартные Si MOSFET

    страдают от экспоненциального увеличения Rdson в зависимости от напряжения пробоя, как показано на рисунке 3.4.

    Рисунок 3.4: Вклад в Rdson стандартных силовых кремниевых МОП-транзисторов.

    На рис. 3.4 показана таблица процентных вкладов в общий Rdson от 30 до 600 В. Высокий процент эпи-слоя очевиден; его вклад зависит от уровня легирования и его толщины. Значимое уменьшение общего Rdson зависит, следовательно, от этих параметров, но более высокое легирование и уменьшение толщины уменьшат напряжение пробоя, поэтому это является причиной сильной зависимости Rdson от напряжения.

    Rdson часто переоценивают, в реальных условиях коммутации на частотах> 100 кГц коммутационные потери являются преобладающими.Стремление к низкому значению Rdson влечет за собой более высокие емкости, которые замедляют переключение, что приводит к более высоким потерям. Для более быстрого переключения требуется либо мощный драйвер, либо каскод; Последнее является лучшим и наиболее экономичным решением, но пока еще не так хорошо известно, как следовало бы. Многие производители SiC и GaN предлагают свои JFET в каскодах, что, однако, имеет смысл только в мостовых схемах. В каскоде нижний транзистор, стандартный МОП-транзистор низкого напряжения, определяет производительность, верхний транзистор может быть практически любым.

    Для одиночных коммутаторов Coolmos лучше всего наверху, SiC или GaN здесь не дают никаких преимуществ, напротив, они не устойчивы к лавинам. Как ни странно, производители МОП-транзисторов Coolmos еще не предложили каскоды. Из вышесказанного следует, что всегда существует оптимальный полевой МОП-транзистор для каждого приложения с идеальным сочетанием Rdson и емкостей. Даташиты предлагают только приблизительное руководство по выбору транзистора!

    Современные полевые МОП-транзисторы стали еще лучше: меньшие значения Rdson и меньшие емкости, но также и микросхемы стали меньше.Следовательно, тепловое сопротивление новейших микросхем намного выше, чем у старых, а также тепловая емкость ниже. В случае перегрузки напр. эти чипы нагреваются и выходят из строя раньше, чем их предшественники.

    стандартных полевых МОП-транзистора остаются в области LV, где были реализованы Rdson ниже 1 мОм. В области высокого напряжения их заменил Coolmos. Стандартные полевые МОП-транзисторы высокого напряжения все еще необходимы, например для линейных регуляторов напряжения. MOSFET и TL 431 составляют отличный стабилизатор напряжения, для более высоких напряжений, чем примерно 30 В, между MOSFET и TL 431 можно вставить каскодный высоковольтный транзистор.

    4. Транзисторы Si Coolmos (Superjunction)

    Путь к высокоэффективным высоковольтным переключателям до сих пор был заблокирован так называемым «кремниевым пределом»: соотношением V2.4 … 2.6 между Rdson и напряжением блокировки. В полевых МОП-транзисторах ток течет вертикально через слой поддержания напряжения к заднему контакту стока. Легирование этого слоя должно оставаться низким. IGBT имеет меньшие потери, потому что он использует два носителя заряда, но страдает от высоких потерь при отключении и ограничивается низкочастотной работой.Что необходимо, так это переключатель с нулевыми носителями заряда в выключенном состоянии и большим количеством во включенном состоянии.

    Siemens (Infineon) примерно в 1998 году удалось реализовать революционный новый высоковольтный выключатель, названный «Coolmos», другие компании используют название «Superjunction». Благодаря этому изобретению можно иметь полевые МОП-транзисторы высокого напряжения с низким значением Rdson, потому что Rdson растет не экспоненциально, а только линейно с напряжением. Тем временем появилось много поколений Coolmos.

    Coolmos основан на так называемом принципе компенсации или повторного всплытия, см. Рисунок 4.1. Сотни тысяч p столбцов доходят до n-й зоны, в выключенном состоянии чистые расходы компенсируют друг друга. В открытом состоянии один из двух носителей может быть сильно легированным. Проблема заключалась в том, чтобы найти способ изготовления колонной конструкции при сохранении сбалансированных зарядов. На рисунке 4.2 показан производственный процесс.

    Рис. 4.1: От принципа обновления до Coolmos.

    Задача заключалась в том, чтобы найти производственный процесс, который позволил бы изготавливать плотно упакованные глубокие p — колонки, сохраняя и контролируя заряды p — и n — колонок.Infineon использует так называемый мультиэпитаксиальный метод. Начиная с n + — подложки, сначала наносится слой n — — материала. Через маску имплантируется бор. Затем следует следующий слой, пока не вырастет что-то вроде торта. Затем колонны формируются путем диффузии. Этот процесс значительно сложнее и дороже, чем стандартный процесс MOSFET.

    Рисунок 4.2: Производственный процесс Infineon Coolmos

    Самым важным преимуществом процесса Coolmos является замена V2.4 … 2.6 зависимость Rdson от напряжения по линейной. Это было достигнуто путем разделения столбцов p и n внутри ячеек. Чипы Coolmos намного меньше стандартных MOSFET с одинаковым Rdson и напряжением, также меньше емкости, но Rth увеличен.

    При включении сразу схлопывается поле в Coolmos. Это вызвано не только током в канале, но и током дрейфа дырок от p-столбцов, что является особенностью принципа компенсации.Это одна из причин, почему коммутационные потери ниже, чем у стандартных полевых МОП-транзисторов.

    При подаче напряжения выключения (см. Рис. 6.1 справа и рис. 4.3 справа) носители заряда по окружности PN-зоны сначала выталкиваются наружу; зона пространственного заряда создается рядом с колоннами, которая генерирует боковую составляющую поля. При этом носители заряда вытесняются из зоны дрейфа в p- и n-столбцы. Уже при <50 В структура колонн полностью истощена, и зона пространственного заряда функционирует как квазисвойственный слой.С повышением запирающего напряжения после истощения структуры колонны вертикальное поле в зоне пространственного заряда увеличивается, который распространяется дальше в остальную часть зоны дрейфа. В конечном итоге получается распределение поля с перекрывающимися вертикальными и горизонтальными компонентами. Для достижения минимального Rdson и максимального напряжения блокировки оба компонента должны быть равны.

    Рисунок 4.3: Проводимость и блокировка Coolmos.

    Рисунок 4.4 показывает фактическое поведение переключения стандартных МОП-транзисторов и полевых МОП-транзисторов Coolmos. Обратите внимание, что при выключении ток сначала падает примерно до половины, до пьедестала некоторой длины, прежде чем ток упадет до нуля. Произведение тока на напряжение быстро увеличивается, если пьедестал прослужит слишком долго — с плохими транзисторами более 100 нс — это может разрушить деталь. Обратите внимание, что временная задержка между датчиками тока и напряжения должна быть сначала скомпенсирована, иначе вычисленное произведение будет ошибочным.

    Рисунок 4.4: Поведение при переключении стандартных МОП-транзисторов и МОП-транзисторов Coolmos.

    На вопрос о том, существует ли предел принципа компенсации, можно ответить, указав на трудности процесса, которые в конечном итоге не могут быть преодолены. Можно уменьшить расстояния между P- и N-областями и увеличить уровни легирования, так что Rdson уменьшается, в то время как блокирующее напряжение остается прежним, однако литография и точность легирования устанавливают пределы.

    Как описано в главе 3, в Coolmos силовой транзистор также является вертикальным полевым транзистором, состоящим из столбчатой ​​структуры p-зоны. В случае перегрузки по току или короткого замыкания полевой транзистор пережимается из-за растущего напряжения вместе с его структурой. Ограничение тока происходит раньше, чем при использовании стандартных полевых МОП-транзисторов. В пределах SOAR ток короткого замыкания остается примерно постоянным.

    Интересным альтернативным производственным процессом является так называемая «глубокая засыпка траншеи». Описанный выше мультиэпитаксиальный процесс является дорогостоящим и сложным, любое дальнейшее уменьшение Rdson требует большего количества этапов процесса.Некоторые компании разработали метод «глубокой засыпки траншей». Этот процесс состоит всего из двух этапов: сначала формируются глубокие канавки, затем эпитаксиально выращивается р-материал. Это устраняет большое количество ранее необходимых шагов. В то же время становятся возможными более тонкие и более четко определенные структуры, позволяющие снизить заряд Рдсона и затвора. Компания утверждает, что у нее самый низкий удельный вес Rdson в классе 600 В и самый низкий показатель Rdson в любом случае.

    Coolmos быстро заменил стандартные полевые МОП-транзисторы с более высоким напряжением, однако они заметно дороже.Сегодня существует несколько семейств Coolmos, оптимизированных для конкретных приложений. Новые микросхемы работают очень быстро и переключают автономные напряжения за <20 нс при правильном возбуждении, в каскоде <5 нс, конкурируя с GaN и SiC, сохраняя при этом лавинную стойкость, которую оба не могут предложить. Напоминание: слишком быстрое переключение также имеет нежелательные последствия: более сильные электромагнитные помехи и более высокие диэлектрические напряжения на всех изоляционных материалах. Обратите внимание на спецификации dv / dt, чрезмерное dv / dt может привести к разрушению.

    Рисунок 4.5 показывает выигрыш в Rdson для раннего Coolmos.

    Рисунок 4.5: Улучшение Rdson от Coolmos. На рисунке показано усиление Rdson раннего Coolmos (SIP 5). Обе площади чипа равны. Для полевых МОП-транзисторов на 1 кВ выигрыш в десять раз больше.

    Относительно Rdson: Infineon уже много лет предлагает Coolmos 19 мОм / 600 В. Заявления производителей GaN о том, что Rdson «на много порядков ниже, чем кремний», были высмеянны, поскольку они не смогли даже превзойти эту деталь Coolmos.SiC MOSFET с меньшим сопротивлением Rdson появились совсем недавно.

    Следует еще раз подчеркнуть, что микросхемы Coolmos намного меньше, чем у сопоставимых стандартных полевых МОП-транзисторов, поэтому их тепловое сопротивление выше, а тепловая емкость ниже. Они не выдерживают такой большой перегрузки и нагреваются при таком же рассеивании мощности. Поэтому рекомендуется выбирать деталь на один или два размера больше, чем указано в технических характеристиках. Хотя, например, Rth старых чипов в TO220 составляет от 0,5 до 1 градуса C / W, более новых чипов — от 1 до 2 градусов C / W.Частое заблуждение — путать максимальную работу Tj и жизнь. max op Tj говорит только о том, что деталь будет работать до этого Tj, но не о том, как долго! Железное правило «жизнь сокращается вдвое на каждые 9 К повышения температуры» остается в силе! «Максимальное рассеивание» в основном дается для рабочих условий, которые никогда не могут быть реализованы, например Tc = 25 C. Лавиностойкость Coolmos также ниже, чем у стандартных полевых МОП-транзисторов, опять же из-за меньшего размера микросхем.

    Имеется 3 диапазона напряжения: 500 В, 600 (650) и 800 (900) В.Для автономных обратных передач спецификация выше 650 В не требуется. Доступны детали с более быстрыми корпусными диодами, т.е. с лучшим обратным восстановлением.

    Емкость

    Coolmos ниже при высоких напряжениях стока, но заметно выше при низких напряжениях, как показано на рисунке 4.6. Выходная емкость Coolmos сильно нелинейна, что приводит к «хвосту» при переключении.

    Рисунок 4.6: Сравнение выходных емкостей и значений Rdson для стандартных МОП-транзисторов и МОП-транзисторов Coolmos.

    Компания Samsung изобрела детали с двумя микросхемами в стандартных корпусах, которые содержат стандартный полевой МОП-транзистор и биполярный драйвер на общей выводной рамке.Infineon скопировал это, используя свои чипы Coolmos и создал чрезвычайно эффективные решения для маломощных SMPS.

    Об авторе

    Др. Инж. Артур Зейбт — профессиональный консультант лаборатории проектирования электроники со специализацией в SMPS с 40-летним стажем. опыт вкл. Усилители SiC, GaN, D. Изобретатель управления режимом тока (патент США), а также эксперт в области проектирования электромагнитных помех.

    Эта артикул впервые появилась в журнале Bodo’s Power Systems mag azine.

    Что такое переключатель нагрузки? | Основы электроники

    Выключатель нагрузки — это электронный компонент, не имеющий движущихся частей, который работает как реле. Как правило, два полевых МОП-транзистора действуют как переключающий элемент, один из которых является N-канальным устройством, а другой — P-канальным устройством.

    Ниже мы рассмотрим, когда этот переключающий элемент включен или выключен, и что это влечет за собой.


    Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки

    Когда переключатель нагрузки (Q1 на схеме ниже) включен, временно протекает большой ток, намного превышающий установившийся ток.Если заряд конденсатора близок к нулю, возникает большой бросок тока, напряжение подается на выход Vo, что приводит к мгновенному и большому заряду в протекании тока. Этот чрезмерный ток часто называют пусковым током.

    Пик пускового тока в значительной степени определяется входным напряжением Vi, Rds (on) полевого МОП-транзистора Q1 и ESR емкости нагрузки CL на стороне нагрузки и увеличивается вместе с входным напряжением Vi. Чрезмерно большой пусковой ток может вызвать сбои или неисправности системы.Превышение максимального номинального тока также может привести к разрушению.

    Однако, добавляя конденсатор C2 параллельно резистору R1, подключенному между затвором и базой полевого МОП-транзистора Q1, можно замедлить снижение напряжения затвора, что постепенно уменьшит Rds (вкл.) И подавит пусковой ток.

    Эквивалентная электрическая схема переключателя нагрузки


    Противодействие пусковому току (когда переключатель нагрузки N-канального МОП-транзистора включен)

    Nch MOSFET Переключатель нагрузки: RSQ020N03

    Vin = 5 В, Io = 1 А, Q1_1G = 1 В? 12 В

    • Переключатель нагрузки Q1 включен, когда Q2 выключен (напряжение затвора Q1 будет больше, чем Vo (Q1 Vgs))
    • Переключатель нагрузки Q1 выключен, когда Q2 включен
    • В качестве контрмеры был добавлен C2 для минимизации пускового тока при включении Q1

    Эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки на полевом МОП-транзисторе

    нм


    Обратный ток при выключении переключателя нагрузки

    Даже когда переключатель нагрузки Q1 переключается с ВКЛ на ВЫКЛ, напряжение на выходе Vo будет оставаться в течение определенного периода времени в зависимости от емкости CL нагрузки на выходной стороне.

    Если напряжение на Vi ниже, чем Vo, обратный ток может течь с выхода Vo на вход Vin через паразитный диод, сформированный между стоком и истоком полевого МОП-транзистора Q1. Убедитесь, что номинальный ток полевого МОП-транзистора Q1 никогда не превышается ни при каких обстоятельствах. Кроме того, при определении значения емкости входного шунтирующего конденсатора CIN следует учитывать время нарастания с учетом условий нагрузки.

    Эквивалентная электрическая схема переключателя нагрузки

    Страница продукта

    Как переключать большие нагрузки с помощью микроконтроллера с помощью транзисторов

    Микроконтроллеры

    отлично подходят для реализации интеллектуальных функций данного продукта.Эта статья научит вас, как обойти некоторые из их основных ограничений.

    Опубликовано Джон Тил

    Микроконтроллеры не могут напрямую управлять чем-либо, кроме, может быть, одного светодиода. Это связано с тем, что выходной ток большинства микроконтроллеров может напрямую подавать или потреблять только около 10 мА.

    Давайте рассмотрим несколько способов переключения более тяжелых нагрузок на низкую нагрузку с типичного выхода микроконтроллера. Для определения типичных значений компонентов требуется несколько простых математических вычислений, которые будут представлены в легко доступных форматах.Однако такой подход означает, что были приняты некоторые вольности с техническими требованиями.

    Одним из простейших подходов к управлению большими нагрузками, работающими от постоянного тока, является переключатель насыщения. Фактический электронный переключающий элемент представлен в двух вариантах: биполярные переходные транзисторы, или BJT, и MOSFET.

    Прежде чем перейти к собственно самому переключателю, давайте определим, что подразумевается под переключением нижнего уровня . На рисунке 1 показан этот тип переключения нагрузки.

    Рисунок 1 — Реле нагрузки низкого давления

    Переключатель контролирует отрицательную сторону нагрузки.Это означает, что когда переключатель разомкнут, нагрузка по существу плавающая по отношению к минусу источника питания, который обычно является опорным заземлением в большинстве конструкций.

    Если этот тип коммутационного устройства приемлем, то переключатель нижнего уровня обычно является самым дешевым способом переключения нагрузки.

    Переключатель низкого уровня BJT

    BJT может использоваться в качестве переключателя нагрузки и бывает двух видов: NPN и PNP. Для переключения на стороне низкого напряжения используются транзисторы NPN, а для переключения на стороне высокого уровня используется PNP.

    Прежде чем перейти к реальным методам, давайте определим некоторую номенклатуру, которая используется при работе с NPN-транзисторами.

    На рис. 2 показаны соответствующие соглашения об именах напряжения и тока. Начиная с тока, I B — это базовый ток, и показано, что он входит в базу NPN. Те же аргументы применимы для I C и I E , при этом показано, что I E выходит из транзистора.

    Видно, что: I E = I C + I B

    Для напряжений V CE — это напряжение между коллектором и эмиттером и обычно является положительным значением для NPN-транзисторов.Другими словами, для NPN-транзистора напряжение коллектора обычно выше, чем напряжение эмиттера.

    Согласно тому же соглашению, V BE — это напряжение между базой и эмиттером. В целом это положительно для NPN.

    Рисунок 2 — Напряжение и ток NPN BJT

    Ключом к пониманию того, как транзистор может управлять большой нагрузкой, является следующее уравнение:

    I C = βI B, , где β — коэффициент усиления постоянного тока, который может составлять от 20 до 300 или более.

    Это говорит о том, что ток коллектора равен значению β, умноженному на ток базы. Итак, если β = 100, то ток коллектора будет в 100 раз больше базового тока.

    Значение β указано в техническом описании данного транзистора как h FE. Для целей данной статьи они означают одно и то же. Обратите внимание, что это не фиксированное значение для данного транзистора, но несколько зависит от значения тока коллектора и температуры, но это не имеет большого значения для целей данной статьи.

    Когда BJT используются в качестве переключателей нагрузки, они используются в двух режимах: Cutoff и Saturation. Рассмотрим рисунок 3 ниже. Как было сказано ранее, I C = βI B. Итак, если I B = 0, то I C также должен быть 0. В этом состоянии транзистор находится в режиме отсечки. Обратите внимание, что, поскольку в транзисторе не течет ток, он не рассеивает мощность; также в этом случае V C совпадает с V CC .

    Для следующей части предположим, что V CC = 10 В, R = 10 Ом и β = 100.Посмотрим, что произойдет, если I B = 1 мА. В данном случае I C = 100 мА, поскольку β = 100. Напряжение на резисторе I C x R L , или 1 В. Это означает, что тогда V C должен быть 9 В, поскольку V CC составляет 10 В, а падение напряжения на R L составляет 1 В. Тот же аргумент применим, если I B = 2 мА и так далее.

    А что будет, если I B = 20 мА. По расчетам это означает, что I C = 2000мА, или 2А.Однако этого не может быть. Поскольку V CC = 10 В и R L = 10 Ом, максимальный ток, который может протекать через R L , составляет 1 А.

    Другими словами, максимальное значение I C также равно 1A. Это происходит, когда V C = 0, что означает, что транзистор полностью замкнут на землю.

    В этом состоянии транзистор находится в режиме насыщения. В этом режиме ток коллектора транзистора является максимальным, который позволяют условия схемы, и увеличение тока базы не приведет к его увеличению.

    Итак, уравнение I C = βI B выполняется только до насыщения транзистора. Обратите внимание, что если в только что описанном примере V CC теперь увеличивается, скажем, до 25 В или R L изменяется на 1 Ом, транзистор больше не будет насыщаться. Таким образом, насыщение определяется в зависимости от условий внешней цепи.

    Наконец, обратите внимание, что настоящие транзисторы не могут полностью замыкать свои коллекторы и эмиттеры, если они не неисправны.Когда реальный транзистор насыщен, его V CE будет иметь значение V CEsat . Это значение указано в таблице данных транзистора и обычно составляет от 0,2 В для небольшого транзистора до более 1 В для большого.

    В CEsat также зависит от тока коллектора и температуры. Эта зависимость обычно приводится в виде набора кривых в таблице данных.

    В режиме насыщения транзистор рассеивает некоторую мощность, заданную параметром

    .

    Рассеиваемая мощность = I C x V CEsat

    Однако, поскольку V CEsat обычно довольно низок, рассеиваемая мощность также будет низкой.Таким образом, отсечка и насыщение — это два состояния, при которых транзистор будет рассеивать наименьшую мощность.

    Сфокусируясь теперь на базе транзистора, быстрый способ установить I B — это предположить, что V BE составляет 0,7 В. Это значение подходит для большинства транзисторов.

    Итак, в данном случае по закону Ома

    I B = (V BB — 0,7) / R B

    Если необходимо заданное значение I B , то R B можно рассчитать как:

    R B = (V BB — 0.7) / I B

    Для насыщения транзистора требуется минимальное значение I B , которое вызовет максимальное значение I C , учитывая значение β транзистора и условия схемы.

    На практике это значение I B должно быть больше этого минимума примерно на 10–15%, чтобы учесть изменения значения β от устройства к устройству.

    Рисунок 3 — Работа транзистора

    Управление BJT от микроконтроллера

    То, что было только что описано, на самом деле является переключателем NPN BJT нижнего уровня.Если бы V BB был выходным контактом микроконтроллера, то, зная его высокое логическое значение, требуемый ток нагрузки и значение β транзистора, можно легко вычислить значение R B .

    Еще несколько вещей, которые необходимо проверить, это убедиться, что:

    Расчетное значение I B не превышает допустимый ток возбуждения микроконтроллера.

    Ток нагрузки не превышает максимального тока коллектора транзистора.

    Рассеиваемая мощность в режиме насыщения не превышает максимальной рассеиваемой мощности транзистора.

    Напряжение V CC не превышает максимального значения V CE транзистора.

    Для обеспечения надежной работы в приведенный выше пример также должны быть включены некоторые запасы безопасности и снижения номинальных характеристик. Около 20% — это разумно.

    Перемещение тяжелых грузов с помощью Darlington

    Поскольку ток возбуждения вывода GPIO микроконтроллера редко превышает 10 мА, а минимальное значение β транзистора обычно не превышает около 50 для силового транзистора, то максимальный ток, которым можно управлять, составляет около 500 мА.

    ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

    Для управления более высокими токами можно использовать схему Дарлингтона. Есть Дарлингтоны, доступные в одном корпусе, или он может быть собран с использованием двух транзисторов, как показано на рисунке 4.

    Рисунок 4 — NPN Darlington

    В этой схеме Q1 обычно представляет собой транзистор малой мощности с высоким коэффициентом усиления, а Q2 — транзистор большой мощности.Если предположить, что резистор R на данный момент отсутствует, то видно, что весь ток эмиттера Q1 течет в базу Q2.

    Как указывалось ранее, ток эмиттера — это сумма тока коллектора и тока базы.

    Итак, I E = I C + I B

    Таким образом, I E = β x I B + I B , или I E = (β + 1) I B

    Поскольку β довольно велико, (β + 1) близко к β.

    Это означает:

    I E ≈ I C

    Теперь, поскольку I E Q1 течет непосредственно в базу Q2, это означает, что I C2 , ток коллектора Q2 определяется как:

    I C2 = β1 x β2 x I B1 .

    Итак, небольшой входной базовый ток может вызвать большой выходной ток коллектора. Однако следует отметить несколько моментов. Во-первых, V BE этого составного транзистора теперь является суммой V BE двух транзисторов.Это необходимо учитывать при расчете номинального сопротивления базового резистора, как описано ранее.

    Что касается резистора R, то он влияет на время выключения Q2. Когда Q2 проводит, в его базу текут заряды. Теперь, когда на входе Q1 становится низкий уровень, Q1 отключается, и заряд, хранящийся в Базе Q2, некуда деваться.

    В конечном итоге он исчезнет в результате внутреннего процесса, называемого рекомбинацией носителей, но до тех пор, пока это не произойдет, Q2 останется в проводящем состоянии. Это может длиться от нескольких микросекунд до десятков микросекунд в зависимости от транзистора.

    По сути, микроконтроллер отключает свой выход, но после этого нагрузка остается включенной еще некоторое время. R используется для ускорения выключения Q2 путем стравливания сохраненного базового заряда.

    Для таких приложений, как ШИМ, рекомендуется использовать этот резистор. Для большинства встроенных приложений подходят значения от 1 кОм до 5 кОм.

    R также шунтирует часть базового тока Q2 при нормальной работе. Этот ток равен (V BE2 / R) или приблизительно 0.7 / Р. Чтобы компенсировать этот ток, просто увеличьте базовый ток Q1. Поскольку этот базовый ток x β1 должен быть равен 0,7 / R, из этого следует, что базовый ток в Q1 должен быть увеличен на (0,7 / (β1 x R)).

    Переключатель нижнего уровня на полевом МОП-транзисторе

    Как и BJT, MOSFET поставляется в двух основных вариантах: N-канал и P-канал. N-канальный MOSFET похож на NPN и используется для переключения нижнего уровня. Аналогичным образом, полевой МОП-транзистор с P-каналом похож на PNP BJT и используется для переключения высокого уровня.

    N-канальный MOSFET-транзистор относительно легко подключить к выходному выводу GPIO микроконтроллера при соблюдении определенных условий.

    На рисунке 5 показан этот тип полевого МОП-транзистора вместе с некоторыми из его наиболее важных аспектов, когда это устройство рассматривается как переключатель нижнего уровня.

    Рисунок 5 — MOSFET расширения с N-каналом

    Когда напряжение подается между затвором и источником, ток начинает течь между стоком и источником, если напряжение выше порогового напряжения, V th , которое указано в его техническом описании.

    Выше этого порогового значения, чем выше V GS , тем больше ток стока I D , пока V GS не достигнет V GSMax , что опять же указано в таблице данных.I D vs V GS определяется набором кривых в таблице данных, и, как и в случае BJT, полевой МОП-транзистор насыщается, когда ток стока является максимальным, что позволяют условия схемы.

    Поскольку полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением, для его включения почти не требуется ток. Таким образом, GPIO от микроконтроллера может управлять полевым МОП-транзистором, который затем может управлять очень большими токами. Нет необходимости в аранжировках Дарлингтона. Доступны полевые МОП-транзисторы с низким напряжением V и , которые полностью усилены приводом затвора 5 В, которые, в свою очередь, могут управлять несколькими усилителями.

    Еще одним преимуществом полевого МОП-транзистора перед биполярным транзистором является отсутствие V DS sat. Вместо этого, когда полевой МОП-транзистор является проводящим, соединение сток-исток ведет себя как резистор со значением R DS , которое является функцией V GS и может быть очень низким значением для мощного полевого МОП-транзистора.

    Таким образом, рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, когда он является проводящим или увеличенным, представляет собой просто значение (I D ) 2 , где I D — ток стока, умноженный на R DS , То же, что и мощность, рассеиваемая в резисторе R, пропускающем ток I, определяется выражением P = I 2 R.

    Таким образом, во многих случаях мощность, рассеиваемая насыщенным MOSFET, будет меньше, чем мощность эквивалентного BJT. Это особенно актуально, если у меня D достаточно высокий.

    Следует отметить, что все N-канальные МОП-транзисторы имеют встроенные диоды-подложки, как показано на рисунке 5. Это заложено в конструкции МОП-транзистора. На практике это означает, что Утечка должна быть более положительной, чем Источник; в противном случае этот диод будет проводить.

    Наконец, одна большая проблема с полевыми МОП-транзисторами — это емкость затвор-исток.Он может быть довольно большим для мощного полевого МОП-транзистора — 3 нФ и более не редкость. На практике это означает, что перед тем, как МОП-транзистор сможет начать проводить, эта емкость затвора должна сначала зарядиться. Учитывая, что большинство микроконтроллеров могут подавать ограниченный ток, для зарядки этого конденсатора потребуется время.

    Итак, при непосредственном управлении выходом микроконтроллера MOSFET просто не может переключаться очень быстро. Таким образом, использование полевого МОП-транзистора для быстрой ШИМ, вероятно, не сработает.

    В таких ситуациях драйвер полевого МОП-транзистора, такой как TI UCC27511, должен использоваться между выводом GPIO и затвором полевого МОП-транзистора.Это, конечно, увеличивает стоимость и без того более высокой стоимости MOSFET по сравнению с BJT.

    Наконец, не забудьте загрузить бесплатный PDF-файл : Ultimate Guide to Develop and Sell Your New Electronic Hardware Product . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

    Другой контент, который может вам понравиться:

    4.2 5 голоса

    Рейтинг статьи

    6,6. Коммутационные аппараты | EME 812: Энергетика и концентрация солнечных батарей для коммунальных предприятий

    6.6. Коммутационные аппараты

    Функция переключения в инверторах необходима для изменения направления постоянного тока для выработки переменного тока. Обычно для переключения используются электронные полупроводниковые устройства, такие как транзисторы и тиристоры.

    Тиристоры используются в базовых моделях инверторов. Они имеют три вывода и обычно «включаются» в ответ на ток, приложенный к одному из выводов. У тиристоров всего два режима: ВКЛ и ВЫКЛ, как и у механических переключателей.Более подробную информацию о тиристорах можно найти на этой странице в Википедии о тиристорах.

    Транзисторы по коммутационной способности аналогичны тиристорам, но вместо этого они реагируют на приложенное напряжение, а не на ток. Это позволяет плавно изменять внутреннее сопротивление транзистора. Таким образом, в дополнение к функциям включения и выключения транзисторы также позволяют использовать диммер. Более подробную информацию о транзисторах можно найти на этой странице в Википедии о транзисторах.

    В солнечных инверторах используются два основных типа транзисторов:

    • Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
    • Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

    Тип MOSFET подходит для очень высоких скоростей переключения (до 800 кГц), но работает при относительно низком напряжении.Тип IGBT переключается на более низких скоростях (ниже 20 кГц), но выдерживает более высокое напряжение и большой ток (Dunlop, 2010).

    Управление переключением

    Коммутационные устройства, такие как тиристоры и транзисторы, должны управляться внешним сигналом. В базовых конструкциях инверторов переключение контролируется сетью электроснабжения. Такие коммутационные устройства называются линейно-коммутируемыми. Они включаются и выключаются чередующимися полупериодами сетевого напряжения, таким образом синхронизируя выход инвертора с током сети.Несмотря на свою эффективность, инверторы с линейной коммутацией имеют один недостаток: они не могут работать независимо от сети.

    Некоторые инверторы могут содержать внутреннее устройство, контролирующее переключение. Такое устройство обычно представляет собой микропроцессор, обеспечивающий точную синхронизацию. Такие инверторы называются самокоммутируемыми. Самокоммутируемые инверторы имеют дополнительные возможности формирования выходного сигнала переменного тока и подавления гармоник. И они могут работать независимо от электросети. Есть две разновидности инверторов с автоматической коммутацией: источник напряжения и источник тока.Они принимают вход постоянного тока в качестве источника напряжения или источника тока, соответственно, для преобразования мощности в выход переменного тока. Большинство современных инверторов, используемых в солнечных установках, являются самокоммутируемыми (Dunlop, 2010).

    Интеллектуальные переключатели низкого и высокого уровня — Infineon

    Портфель переключателей высокого напряжения

    Infineon Classic PROFET ™ пользуется солидной рыночной репутацией благодаря надежной и долговечной защите многочисленных автомобильных (12 В / 24 В) и промышленных приложений.

    Устройства

    Infineon Classic PROFET ™ 12 В представляют собой очень универсальные защищенные переключатели верхнего плеча, подходящие для широкого диапазона применений, от автомобилей (кузов, трансмиссия, трансмиссия, шасси, рулевое управление) до промышленных применений (робототехника, автоматизация процессов, распределение энергии). Некоторые члены семейства поставляются с ограничением по низкому току, что делает их идеальными для нагрузок ADAS (камеры, радары, датчики).

    Все продукты (одно-, двух- и четырехканальные устройства) имеют несколько функций защиты; большинство из них также имеют функцию диагностики состояния, а некоторые даже предлагают дополнительную диагностику измерения тока.Высокая энергоустойчивость, расширенный диапазон рабочего напряжения (до 38 В) и низкое ограничение тока — ключевые характеристики семейства Classic PROFET ™ 12 В. Могут работать все виды нагрузок (индуктивные, емкостные, резистивные) от 0,2 А до 20 А (номинальный ток нагрузки). Доступны различные пакеты (DSO-8, DSO-14, DSO-20, SOT223) и силовые пакеты (D 2 PAK, DPAK).

    Члены семейства

    Classic PROFET ™ 24 V от Infineon представляют собой универсальные защищенные переключатели верхнего плеча, предназначенные для всего: от коммерческих, строительных и сельскохозяйственных машин (CAV) — грузовых автомобилей и автобусов — до промышленных приложений (робототехника, автоматизация процессов, распределение энергии и т.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *