sdelaysam-svoimirukami.ru

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 h_21Э). 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.

www.syl.ru

Тема 16. Электронные ключи

Статические параметры электронных ключей (параметры установившегося режима) наиболее полно характеризуются передаточной характеристикой — зависимостью величины выходного напряжения или тока от величины входного напряжения (тока). Обычно используется передаточная характеристика, определяющая зависимость выходного напряжения ключа от входного .

Рис 16.1. Передаточная характеристика электронного ключа

По передаточной характеристике можно определить два важных статических параметра электронного ключа:

1)Ku = dUвых/dUвх- коэффициент усиления ключа, который определяется в дифференциальной форме.

2) Помехоустойчивость ключа, которая физически выражается напряжением помехи, способной изменить состояние ключа. Величина этой помехи оценивается по передаточной характеристике ключа как разность входных напряжений в точках А и а (помехоустойчивость по уровню единицы – U⁺_п ) и в точках в и В (помехоустойчивость по уровню нуля – U^—_п).

Точки на характеристике а и в определены таким образом, что соответствуют устойчивым состояниям, в которых Ku = 1. Тогда помехоустойчивость ключа определится как:

U⁺_п=U⁰_п— U⁰_вх, U^—_п=- (U¹ -U¹_п) ( рис. 7.1. ),

Где — U^1- максимальное напряжение на выходе ключа ,

U⁺_п, U^—_п — максимальная величина напряжения помехи, не вызывающая ложного переключения.

На рис. 7.1. представлена передаточная характеристика для инвертирующей схемы ключа. В электронном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют пологим участкам, ограниченным точками А и В. На пологом участке, соответствующем малым значениям (точка А), ключ разомкнут (ключ закрыт), и на нем падает большое напряжение – напряжение логической единицы

Динамические параметры электронного ключа определяются скоростью протекания переходных процессов, возникающих в схеме при подаче на вход ключа прямоугольного импульса напряжения или тока. Поэтому динамические параметры ключа называют еще параметрами быстродействия, природу которых необходимо рассматривать на примере конкретной схемы электронного ключа на биполярном транзисторе.

16.1. Электронный ключ на биполярном транзисторе

Принципиальная схема электронного ключа на БТ с ОЭ показана на рис. 16.2, а. Для уменьшения остаточного тока коллектора до величины обратног тока коллекторного перехода

В исходном состоянии при илиБТ закрыт, т.е. работает в режиме отсечки.

При использовании в качестве активного элемента кремниевых транзисторов, имеющих малое значение тока , и непосредственной связи ключа с источником сигнала дополнительный источник напряжения можно исключить.

Передаточная характеристика ключа может быть рассчитана графоаналитическим методом с использованием известных семейств входных при и выходныхприхарактеристик транзистора. Для этого принципиальную схему ключа приводят к эквивалентной, показанной на рис. 16.2, б, где

, (16.1 )

. (16.2 )

а б

Рис. 16.1.

. (16.3)

По координатам точек пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы , определяются значения напряжения коллектор — эмиттер, которое является выходным. Далее по входной характеристике БТпридля тех же значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-эмиттер, как показано на рис. 16.2, б. Входное напряжение рассчитывается согласно выражению

. (16.4)

По известным парам значений напряжения строится передаточная характеристика, показанная на рис. 16.2, в. Форма характеристики зависит от параметров элементов электронного ключа. На передаточной характеристике можно выделить три характерных участка, которые разграничены точками, соответствующими входному пороговому напряжению нуляи единицы.

При ключ закрыт (транзистор находится в режиме отсечки), на выходе высокий (единичный) уровень напряжения:

. ( 16.5 )

Входной ток при этом, поскольку , определяется выражением

. ( 16.6 )

Пороговое напряжение нуля — значение входного напряжения, при котором БТ переходит из режима отсечки в активный режим работы, и рассчитывается по формуле

, ( 16.7)

где — пороговое напряжение база-эмиттер БТ. Для кремниевых транзисторов можно принять.

а б в

Рис. 16.2

При транзистор находится в активном режиме. При этом выходное напряжение линейно зависит от входного:

. (16.8)

Коэффициент передачи K определяется усилительными свойствами БТ:

, (16.9)

где — статический коэффициент передачи по току БТ с ОЭ;— входное сопротивление БТ с ОЭ.

На участке усиления для входного тока ключа справедливо выражение

. ( 16.10)

При на выходе низкий (нулевой) уровень напряжения, который определяется напряжением коллектор-эмиттер насыщения:

. (16.11 )

Пороговое напряжение единицы соответствует входному напряжению, при котором БТ из активного режима работы входит в режим насыщения

. (16.12 )

Ток базы насыщения, соответствующий этой точке, определяется выражением

. (16.13 )

Коллекторный ток БТ в этой точке достигает максимального значения

. ( 16.14)

При дальнейшем росте ток базы растет, однако коллекторный ток практически не изменяется. Степень насыщения БТ определяетсякоэффициентом насыщения, который рассчитывается по формуле

, (16.15 )

где — ток базы при максимальном значении входного напряжения. Если, то ключ насыщенный.

Для повышения КПД электронного ключа необходимо, чтобы транзистор в нем надежно насыщался, в этом случае на открытом БТ будет рассеиваться минимальная мощность, а значит, будут минимальными потери. Поскольку значения параметра имеют существенный разброс для партии БТ конкретного типа, достигающий порой сотен процентов, то для надежного насыщения БТ в ключе без подбора транзисторов необходимо при расчете ключа принимать значение коэффициента насыщения. Следует помнить, что чрезмерное увеличениеS снижает быстродействие ключа.

Быстродействие транзисторного ключа (параметры быстродействия) зависят от параметров используемого транзистора, номинальных значений элементов схемы, сопротивления нагрузки и ее характера. Диаграммы напряжений и токов, действующих в транзисторном ключе, при подаче на вход прямоугольного импульса показаны на рис.16.3. На них указаны временные интервалы, определяющие количественно параметры быстродействия ключа.

На интервале времени происходит нарастание коллекторного тока и уменьшение выходного напряжения ключа. Коллекторный ток не может измениться мгновенно, что обусловлено тремя причинами: задержкой фронта импульса за счет перезаряда входной емкости транзистора, конечным временем пролета носителей через базу БТ и перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода.

Задержка фронта обусловлена зарядом входной ёмкости закрытого транзистора (рис.16.3.б), который начинается после того, как управляющее напряжение изменит свою величину от Е₁ до Е₂. Процесс заряда описывается уравнением

U_б(t) = E₂ (1 — e ^{– t / c}) — E₁ e ^{– t / c}

где _с = С_вхR_б — постоянная времени заряда. Обычно считают, что С_вх =С_э + С_к = 1…2пФ.

Когда напряжение U_б, нарастая, становится равным напряжению U_отп, отпирается эмиттерный переход транзистора, этап заряда заканчивается, и время задержки

 _зф = _с ln [(E₂ + E₁) / (E₂ — U_отп)]

Например, если E₁ = 0 и E₂ = 3 В, то  _{з ф} ≈ 0,25 _с. При С_вх = 2 пФ и R_б = 2 кОм получается, что _с = 4 нс, a  _{з ф} ≈ 1 нс.

Поскольку время пролета носителей заряда в базе сказывается только на предельных частотах, практически можно оценить влияние времени перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода, которое называется длительностью фронта импульса и приближенно рассчитывается по формуле

, (16.16 )

где — постоянная времени включения, определяется выражением

, (16.17 )

; . (16.18 )

Время включения ключа определяется суммой времени задержки фронта и длительности фронта импульса.

На промежутке времени при действии максимального входного напряжения коллекторный ток транзистора и выходное напряжение ключа не изменяются, в базе происходит накопление неосновных носителей заряда.

Рис. 16.3.

В течение промежутка под действием отрицательного входного напряжения происходит рассасывание накопленных в базе носителей. При этом транзистор все еще находится в режиме насыщения, коллекторный ток и выходное напряжение соответствуют этому режиму и не изменяются. Наблюдается обратный бросок тока базы. Данный промежуток называется временем задержки выключения и определяется следующим выражением:

, ( 16.19)

где — запирающий ток базы.

Если , то. Привремя задержки выключения определяется как

. (16.20 )

После рассасывания неосновных носителей в базовой области ток коллектора уменьшается — транзистор закрывается. Интервал времени , в течение которого происходит уменьшение коллекторного тока,называется временем спада:

. ( 16.21)

Суммарное время называетсявременем выключения. В случае, если , время нарастания коллекторного напряженияможет превысить время спада:

Для повышения быстродействия ключа необходимо уменьшать коэффициент насыщения транзистора, одновременно обеспечив большой отпирающий ток в момент его отпирания и увеличить ток запирания. Это достигается использованием следующих схем ключа: ключ с форсирующей емкостью (рис. 7.5.) и ключ с диодом на барьере Шотки (ДБШ) (рис. 7.6).

studfile.net

Устройство задержки включения другого устройства

Устройство задержки включения другого устройства

   Изучая принцип работы RC-цепей и логических элементов, решил я перейти от теоретической части к более интересной — практической. В итоге закрепил знания и получил моральное удовлетворение от своего творения) Я постараюсь описать принцип работы отдельных узлов схемы насколько у меня это получится. Если будут какие поправки со стороны более опытных котов, — пишите в форум).

И так, начнём со схемы девайса. 

Также вашему вниманию представляю структурную схему К561ЛА7:

 Хочу сразу назвать аналоги К561ЛА7 — это микросхема CD4011A; диод 1N4001  — аналог КД243, транзистор КТ816 — аналог КТ814, КТ8121, BD612, BD614, TIP32. Схема незамысловата, однако (как обещал) поясню принцип работы отдельных ее узлов. Начнём с RC-цепочки. Она является главным узлом, без нее ничего б не получилось. Ниже представлено ее схематичное изображение. 

Конденсатор накапливает электрические заряды, резистор контролирует их поток. В итоге получается схема, контролирующая заряд конденсатора. Электроны движутся от плюса источника питания через резистор, который контролирует их поток, на первую обкладку конденсатора. Далее электроны переходят на вторую обкладку конденсатора, то есть происходит его заряд. Пока происходит заряд конденсатора, на выходе Vвых напряжение постепенно возрастает с 0В до напряжения источника питания (ИП). Другими словами, повышение напряжения на выходе Vвых прямопропорционально уровню заряда конденсатора. Время, через которое на выходе Vвых напряжение будет равно напряжению ИП, высчитывается по формуле:

Допустим, у нас есть резистор на 2 мегаома и конденсатор на 15 микрофарад. Переводим мегаомы в омы (по системе Си): 2мОм=2 000 000 Ом. Микрофарады — в фарады: 15мкф=0,000015 Ф. Подставляем значения в формулу постоянной времени RC-цепочки и получаем: 

Т = 2 000 000 * 0,000015 = 30 (секунд). Получается, что в течение 30 секунд после подачи питающего напряжения, будет происходить заряд конденсатора. По истечении данного промежутка времени, он зарядится и на выходе Vвых установится напряжение, равное питающему. 

  Все бы хорошо. Можно на Vвых вешать какую-нибудь нагрузку, и схема готова! Но, нет. Не так всё просто. Допустим, питающее напряжение RC-цепи равно 5 В (вольт). На Vвых тоже будет 5 В. А каков же будет ток? Здесь нас выручает закон Ома. Возьмём сопротивление резистора 10кОм и напряжение 5 В. Сила тока вычисляется по формуле: 

Считаем: I = 5/10 000 = 0,0005 (А). То есть сила тока на Vвых равна 0,0005 Ампер или 0,5 мА (миллиампер). Боюсь, таким током мало что запитаешь. И здесь на помощь приходят микросхемы стандартной логики. Их уникальность состоит в том, что на их вход можно подавать логический ноль или логическую единицу с мизерными токами (порядка трех микроампер), а на их выходе управляющий ток достаточен для подключения транзисторного ключа, к примеру. Именно так я и сделал. В своей схеме я использовал отечествуенную микросхему К561ЛА7. Она и стоит недорого, и достать нетрудно, и есть зарубежный аналог CD4011A. Функциональное её назначение — 4 независимых элемента И-НЕ. Ниже представлено схематичное изображение элемента и таблица истинности: 

   Исходя из таблицы истинности, мы понимаем следующее: если на входе А и на входе В присутствует напряжение низкого уровня, то на выходе присутствует напряжение высокого уровня и наоборот. Ну а теперь смотрим на целиковую схему в начале статьи и соображаем: на оба входа логического элемента И-НЕ по истечении времени заряда конденсатора, подаётся напряжение, равное питающему (то есть Высокий уровень). На выходе элемента — Низкий уровень. Если поставим транзистор p-n-p проводимости, то получим транзисторный ключ. А это — верный шаг, который помогает всерьёз управлять какой-нибудь нагрузкой. Однако управление другим устройством при помощи транзистора означает, что: 1). диапазон питающего напряжения нагрузки равен питающему напряжению схемы задержки включения, 2). надо учитывать максимальную рассеиваемую мощность транзистора. И дабы избежать этих двух нюансов, я поставил реле. Оно коммутирует включение/выключение другого устройства. И тут есть свои плюсы: 1). гальваническая развязка, 2). возможность подключения устройств с большим напряжением и большим током. 

   Как я говорил чуть выше, микросхема К561ЛА7 — это 4 независимых друг от друга элемента И-НЕ. Согласитесь, как-то жалко из четырёх задействовать только один логический элемент. Недолго думая, я решил задействовать второй. На оба его входа также подаётся либо лог.1, либо лог.0 с RC-цепочки, на его выходе — светодиод HL1 (красный). В данном сучае он является сигнализатором заряда конденсатора (или сигнализирует о том, что управляемое устройство пока еще не включено). Что касается светодиода HL2 (зелёного), то он сигнализирует о питании катушки реле (или сигнализирует о том, что управляемое устройство включено). 

   Теперь вернёмся к вопросу о времени задержки включения. Значения сопротивления 10кОм или 10000 Ом, конденсатора — 2000мкФ или 0,002 Фарада. Перемножая оба числа, получаем время заряда Т = 20 секунд. В иделае реле должно сработать лишь через 20 секунд, но надо учитывать: происходит постепенное повышение напряжения на Vвых до напряжения ИП, а не скачообразное с 0В до напряжения ИП. Также надо учесть, что в микросхемах КМОП-технологии лог.0 — это практически нулевой потенциал, лог.1 — это напряжение, приближенное (или равное) питающему. Это означает, что на выходе элемента И-НЕ установитя сигнал низкого уровня, когда напряжение на Vвых ещё будет повышаться. И, как показала практика, при сопротивлении 10кОм и конденсаторе в 2000мкФ через 7 секунд на выходе И-НЕ устанавливаетя низкий уровень. Фууух, понимать-то понимаю, а доступно описать иногда проблематично. Надеюсь, вы меня поняли. 

   Таким образом, при вычислении Т (постоянной времени) мы имеем приблизительное представление смены на выходе логического элемента лог.1 на лог.0. А точное время узнаем эеспериментальным путём. Я собирал всё это дело на макетке и замерял секундомером этот самый промежуток времени. Он (как я уже говорил выше) равен 7 секундам. 

   Хочу отметить, что использованием лишь И-НЕ данная схема не ограничивается. Вполне реально использовать и инверторы сигнала («НЕ»), и элементы «ИЛИ». Я собирал из того, что было под рукой, а под рукой у меня оказалась именно К561ЛА7. НО: при использовании других логиеских элементов может потребоваться установка транзистора другой проводимости (n-p-n) и соответственно изменение его включения в схему, изменение включения реле, светодиода HL2 и диода VD1. Эти изменения надо делать, исходя из таблицы истинности того логиеского элемента, который вы будете использовать в схеме! 

   Что ещё хотелось отметить… Диапазон питающего напряжения устройства: 3 — 15 Вольт. Входной ток низкого и высокого уровней минимум 0,3мкА (по даташиту). И самое главное — практическое применение устройства. Например, вы уходите из дома и включаете сигнализацию. Но вам надо закрыть за собой дверь. Для этого нужно время. Другими словами, вам надо организовать задержку включения сигнализации. На помощь приходит данное устройство. В общем каждый может придумать своё применение сему девайсу. Поэтому оставлю это дело за вами 🙂

   Ниже вы можете найти печатную плату устройства и схему. Также представляю фото и видео работы Если что, вот ссылка на видео: https://www.youtube.com/watch?v=kgyGkrnQdag. Если будут вопросы, как всегда — в форум. Всего вам хорошего! 

Файлы:

Схема устройства

Архив 7Zip
Фотография

Все вопросы в Форум.

www.radiokot.ru

Транзисторные ключи. Схема, принцип работы

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Статический режим работы

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Взаимодействие с другими ключами

Что выбрать

1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

fb.ru

Электронный ключ с регулированием тока в нагрузке

В статье рассматривается мощный электронный ключ с гальванической развязкой от управляющего напряжения. Он также позволяет регулировать, либо ограничивать максимальный ток нагрузки.

Иногда требуется регулировать ток в нагрузке, питающейся от сети 220 В / 50 Гц. Обычно для этой цели используют ре­зисторы или мощные биполярные транзисторы. В предлага­емом устройстве ток через нагрузку регулируется с помо­щью мощного полевого транзистора, и можно также вклю­чать и выключать эту нагрузку. Электронный ключ имеет галь­ваническую развязку цепи управления от силовой цепи. Пи­тание ключа осуществляется от источника питания нагрузки.

Работа устройства

Электрическая схема электронного ключа с регулированием тока в нагрузке показана на рисунке. Устройство рабо­тает следующим образом. Учтем, что за­щитные диоды полевых транзисторов вклю­чены катодом к стоку. В исходном состо­янии каналы полевых транзисторов за­крыты (нет питания). Пусть положитель­ная полуволна сетевого напряжения при­сутствует на выводе N. Ток проходит через резистор R6, стабилитрон VD2, защитный диод полевого тран­зистора VT1, фаза А. На стабилитроне VD2 возникает паде­ние напряжения в 12 В. Через диод VD1 заряжается кон­денсатор С1, и микросхема VR1 получает питание.

Микросхема VR1 представляет собой регулируемый ста­билизатор положительного напряжения с малым падением напряжения вход-выход. Она имеет встроенную защиту по току и перегреву. Выходное напряжение может регулировать­ся в пределах от 1,2…34 В. Отечественный аналог ИМС LT1085 — КР142ЕН22.

На микросхеме DA1 выполнен инвертирующий триггер Шмитта. Использование интегрального таймера DA1 в каче­стве инвертирующего триггера Шмитта позволяет улучшить работу схемы. Как видно из схемы, затворы VT1, VT2 под­ключены к выводу 7 DA1. Это позволяет шунтировать затво­ры напрямую к общему проводу при низком напряжении (уро­вень лог. «О») на выходе DA1, что ускоряет разряд емкос­тей затворов VT1, VT2, тем самым уменьшая коммутацион­ные потери ключа.

Пусть светодиод оптрона U1 не светит, тогда его транзи­стор будет закрыт. В результате на выводах 2, 6 инвертиру­ющего триггера DA1 присутствует высокий уровень напря­жения, а на выходе (выв. 3) — низкий. Транзисторы VT1, VT2 закрыты, и нагрузка обесточена.

Если светодиод оптрона U1 светит, то он открывает его транзистор. На выводах 2, 6 инвертирующего триггера DA1 присутствует низкий уровень напряжения, а на выводе 3 — высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1, VT2, и нагрузка получает питание. Ток на­грузки проходит через открытый канал транзистора VT1, открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для слу­чая, когда на фазе А положительная полуволна сетевого на­пряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток на­грузки проходит через открытый канал транзистора VT1 и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2 (за­щитный диод закрыт).

При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1 и VT2 необхо­димо установить супрессор типа 1,5КЕ400СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации.

Регулировка тока нагрузки

Рассмотрим, как осуществляется регулировка тока в на­грузке. Выходное напряжение с микросхемы DA1 поступает на затворы полевых транзисторов. Изменяя напряжение пи­тания микросхемы DA1, мы изменяем уровень её выходного сигнала, который, в свою очередь, является управляющим на­пряжением для полевых транзисторов. Полевые транзисторы с индуцированным затвором при нулевом напряжении между затвором и истоком имеют нулевой ток стока. Появление то­ка стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового уровня U_пор. Увеличение напря­жения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Обычно пороговое напряжение находится в пределах 4…5 В. Но существуют полевые транзисторы, имеющие пороговое напряжение в 2…3 В. Фирма IRF добавляет в обозначение таких транзисторов букву L. Выходные характеристики поле­вых транзисторов, как правило, имеют две области: линей­ную и насыщения. В линейной области вольтамперные харак­теристики вплоть до точки перегиба представляют собой пря­мые линии, наклон которых зависит от напряжения на затво­ре. В области насыщения вольтамперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о неза­висимости тока стока от напряжения на стоке.

Особенности этих характеристик обуславливают области применения таких транзисторов. В линейной области поле­вой транзистор используется как сопротивление, управляе­мое напряжением на затворе. Области насыщения и отсеч­ки используют как ключ, управляемый напряжением на за­творе. Таким образом, изменяя с помощью резистора R4 ве­личину выходного напряжения стабилизатора VR1, можно за­давать максимальный ток через электронный ключ.

Ключ может коммутировать, регулировать и постоянный ток. К выводу А (см. рисунок) необходимо подключить (-)Еп, а к выводу N — (+)Еп. Величину резистора R5 выбирают в зависимости от приложенного к ключу напряжения (исходя из тока через стабилитрон VD2 равного 30 мА). При этом транзистор VT1 можно исключить из устройства, замкнув его сток и исток перемычкой.

Достоинством устройства является неискаженная форма сигнала на нагрузке. Это устройство можно использовать так­же в качестве нагрузочного сопротивления, при условии обду­ва радиаторов транзисторов потоком воздуха от вентилятора.

Светодиод VD3 служит для индикации включения элек­тронного ключа. Устройство собрано на печатной плате размерами 112×55 мм.

При работе с низкими питающими напряжениями жела­тельно в качестве VT1, VT2 использовать низковольтные тран­зисторы. Например, IRFP4368PbF с напряжением исток-сток 75 В, длительным током (при температуре 25°С) 350 А, со­противлением канала 1,4 мОм и др. подобные.

Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж

Возможно, вам это будет интересно:

meandr.org