Транзисторні ключі: схема, принцип роботи та особливості

Мікроконтролерами можна виробляти управління потужними пристроями – лампами розжарювання, нагрівальними Тенами, навіть електроприводами. Для цього використовуються транзисторні ключі – пристрою для комутації ланцюга. Це універсальні прилади, які можна застосувати буквально в будь-якій сфері діяльності – як у побуті, так і в автомобільній техніці.

Що таке електронний ключ?

Ключ – це, якщо спростити, звичайний вимикач. З його допомогою замикається і розмикається електричне коло. У біполярного транзистора є три висновки: Колектор. Емітер. База. На біполярних напівпровідниках будуються електронні ключі – конструкція проста, не вимагає наявності великої кількості елементів. За допомогою перемикача здійснюється замикання і розмикання ділянки ланцюга. Відбувається це за допомогою сигналу управління (який виробляє мікроконтролер), що подається на базу транзистора.

Комутація навантаження

Простими схемами на транзисторних ключах можна робити комутацію струму в інтервалі 015 14 А, напруг 50 500 Ст. Все залежить від конкретного типу транзистора. Ключ може здійснювати комутацію навантаження 5-7 кВт за допомогою керуючого сигналу, потужність якого не перевищує сотні мілліватт. Можна застосовувати замість транзисторних ключів прості електромагнітні реле. У них є перевага – при роботі не відбувається нагрівання. Але ось частота циклів включення і відключення обмежена, тому використовувати в інверторах або імпульсних блоках харчування для створення синусоїди їх не можна. Але в загальному принцип дії ключа на напівпровідниковому транзисторі і електромагнітного реле однаковий.

Електромагнітне реле

Реле – це електромагніт, яким здійснюється управління групою контактів. Можна провести аналогію зі звичайним кнопковим вимикачем. Тільки у випадку з реле зусилля береться не від руки, а від магнітного поля, яке знаходиться навколо котушки збудження. Контактами можна комутувати дуже велике навантаження – все залежить від типу електромагнітного реле. Дуже велике поширення ці пристрої отримали в автомобільній техніці – з їх допомогою відбувається включення всіх потужних споживачів електроенергії.

Це дозволяє розділити всі електрообладнання автомобіля на силову частину і керуючу. Струм споживання в обмотки збудження реле дуже маленький. А силові контакти мають напилення з дорогоцінних або напівдорогоцінних металів, що виключає ймовірність появи дуги. Схеми транзисторних ключів на 12 вольт можна застосовувати замість реле. При цьому поліпшується функціональність пристрою – включення безшумне, контакти не клацають.

Висновки електромагнітного реле

Зазвичай в електромагнітних реле є 5 висновків: Два контакти, призначених для управління. До них підключається обмотка збудження. Три контакту, призначених для комутації. Один загальний контакт, який нормально замкнутий і нормально розімкнений з іншими. В залежності від того, яка схема комутації застосовується, використовуються групи контактів. Польовий транзисторний ключ має 3-4 контакту, але функціонування відбувається таким же приблизно чином.

Як працює електромагнітне реле

Принцип роботи електромагнітного реле досить простий: Обмотка через кнопку з'єднується з харчуванням. В розрив ланцюга живлення споживача включаються силові контакти реле. При натисканні на кнопку подається живлення на обмотку, відбувається притягання пластини і замикання групи контактів. Подається струм на споживача. Приблизно за такою ж схемою транзисторні ключі працюють – немає тільки групи контактів. Їх функції виконує кристал напівпровідника.

Провідність транзисторів

Один з режимів роботи транзистора – ключовий. По суті, він виконує функції вимикача. Зачіпати схеми підсилювальних каскадів немає сенсу, вони не ставляться до цього режиму роботи. Напівпровідникові триоды застосовуються у всіх типах пристроїв – в автомобільній техніці, побуті, в промисловості. Всі біполярні транзистори можуть мати такий тип провідності: P-N-P. N-P-N. До першого типу відносяться напівпровідники, виготовлені на основі німеччина. Ці елементи отримали широке розповсюдження понад півстоліття тому. Трохи пізніше в якості активного елемента почали використовувати кремній, у якого провідність зворотна – n-p-n. Принцип роботи приладів однаковий, відрізняються вони лише полярністю напруги, а також окремими параметрами. Популярність у кремнієвих напівпровідників на даний момент вище, вони майже повністю витіснили германієві. І більша частина пристроїв, включаючи транзисторні ключі, виготовляються на біполярних кремнієвих елементах з провідністю n-p-n.

Транзистор в режимі ключа

Транзистор в режимі ключа виконує ті ж функції, що і електромагнітне реле або вимикач. Струм управління протікає наступним чином: Від мікроконтролера через перехід база - емітер". При цьому канал "колектор - емітер" відкривається. Через канал "колектор - емітер" можна пропустити струм, величина якого в сотні разів більше, ніж базової. Особливість транзисторних перемикачів в тому, що частота комутації набагато вище, ніж у реле. Кристал напівпровідника здатний за одну секунду зробити тисячі переходів з відкритого стану в закрите і назад. Так, швидкість перемикання у найпростіших біполярних транзисторів - близько 1 млн разів в секунду. З цієї причини транзистори використовують в інверторах для створення синусоїди.

Принцип роботи транзистора

Елемент працює точно так само, як і в режимі підсилювача потужності. По суті, до входу подається невеликий струм управління, який посилюється в кілька сотень разів за рахунок того, що змінюється опір між емітером і колектором. Причому цей опір залежить від величини струму, що протікає між емітером і базою.
В залежності від типу транзистора змінюється цокольовка. Тому, якщо вам потрібно визначити висновки елемента, потрібно звернутися до довідника або даташіту. Якщо немає можливості звернутися до літератури, можна скористатися довідниками для визначення висновків. Ще є особливість у транзисторів – вони можуть не повністю відкриватися. Реле, наприклад, можуть перебувати у двох станах – замкнутому і розімкнутому. А ось у транзистора опір каналу "емітер - колектор" може змінюватися у великих межах.

Приклад роботи транзистора в режимі ключа

Коефіцієнт посилення – це одна з основних характеристик транзистора. Саме цей параметр показує, у скільки разів струм, що протікає по каналу "емітер - колектор", вище базової. Припустимо, коефіцієнт дорівнює 100 (позначається цей параметр h 21Э ). Отже, якщо в ланцюг управління подається струм 1 мА (струм бази), то на переході "колектор - емітер" він буде 100 мА. Отже, відбулося посилення вхідного струму (сигналу). При роботі транзистор нагрівається, тому він потребує в пасивному або активному охолодженні – радіаторах і кулерах. Але нагрів відбувається тільки в тому випадку, коли прохід "колектор - емітер" відкривається не повністю. У цьому випадку велика потужність, що розсіюється – її потрібно кудись дівати, доводиться «жертвувати» ККД і випускати її у вигляді тепла. Нагрівання буде мінімальним тільки в тих випадках, коли транзистор закритий або відкритий повністю.

Режим насичення

У всіх транзисторів є певний поріг значення вхідного струму. Як тільки відбудеться досягнення цього значення, коефіцієнт посилення перестає відігравати велику роль. При цьому вихідний струм не змінюється взагалі. Напруга на контактах "база - емітер" може бути вище, ніж між колектором і емітером. Це стан насичення, транзистор відкривається повністю. Режим ключа говорить про те, що транзистор працює в двох режимах – або він повністю відкритий або закритий. Коли повністю перекривається подача струму управління, транзистор закривається і перестає пропускати струм.

Практичні конструкції

Практичних схем використання транзисторів у режимі ключа дуже багато. Нерідко їх використовують для включення і відключення світлодіодів з метою створення спецефектів. Принцип роботи транзисторних ключів дозволяє не тільки робити «іграшки», але і реалізовувати складні схеми управління. Але обов'язково в конструкціях необхідно використати резистори для обмеження струму (вони встановлюються між джерелом сигналу, що управляє, і базою транзистора). А ось джерелом сигналу може бути що завгодно – датчик, кнопковий вимикач, мікроконтроллер і т. д.

Робота з мікроконтролерами

При розрахунку транзисторного ключа потрібно враховувати всі особливості роботи елемента. Для того щоб працювала система управління на мікроконтролері, використовуються підсилювальні каскади на транзисторах. Проблема в тому, що вихідний сигнал у контролера дуже слабкий, його не вистачить для того, щоб включити живлення на обмотку електромагнітного реле (або ж відкрити перехід дуже потужного силового ключа). Краще застосувати біполярний транзисторний ключ, яким справити управління MOSFET-елементом. Застосовуються нескладні конструкції, що складаються з таких елементів: Біполярний транзистор. Резистор для обмеження вхідного струму. Напівпровідниковий діод. Електромагнітне реле. Джерело живлення 12 вольт. Діод встановлюється паралельно обмотці реле, він необхідний для того, щоб запобігти пробою транзистора імпульсом з високим ЕРС, який з'являється в момент відключення обмотки. Сигнал керування виробляється мікроконтролером, надходить на базу транзистора і посилюється. При цьому відбувається подача живлення на обмотку електромагнітного реле – канал "колектор - емітер" відкривається. При замиканні силових контактів відбувається включення навантаження. Управління транзисторним ключем відбувається в повністю автоматичному режимі – участь людини практично не потрібно. Головне – правильно запрограмувати мікроконтроллер і підключити до нього датчики, кнопки, виконавчі пристрої.

Використання транзисторів у конструкціях

Потрібно вивчати всі вимоги до напівпровідників, які збираєтеся використовувати в конструкції. Якщо плануєте проводити управління обмоткою електромагнітного реле, то потрібно звертати увагу на його потужність. Якщо вона висока, то використовувати мініатюрні транзистори типу КТ315 навряд чи вийде: вони не зможуть забезпечити струм, необхідний для живлення обмотки. Тому рекомендується в силовий техніці застосовувати потужні польові транзистори або складання. Струм на вході у них дуже маленький, зате великий коефіцієнт підсилення. Не варто застосовувати для комутації слабких навантажень потужні реле: це нерозумно. Обов'язково використовуйте якісні джерела живлення, намагайтеся напруга вибирати таким, щоб реле працювало в нормальному режимі. Якщо напруга виявиться занадто низьким, то контакти не притягнуться і не станеться включення: величина магнітного поля виявиться маленькою. Але якщо застосувати джерело з великою напругою, обмотка почне грітися, а може і зовсім вийти з ладу. Обов'язково використовуйте в якості буферів транзистори малої і середньої потужності при роботі з мікроконтролерами, якщо необхідно включати потужні навантаження. В якості силових пристроїв краще застосовувати MOSFET-елементи. Схема підключення мікроконтролера така ж, як і у біполярного елемента, але є невеликі відмінності. Робота транзисторного ключа з використанням MOSFET-транзисторів відбувається так само, як і на біполярних: опір переходу може змінюватися плавно, переводячи елемент з відкритого стану в закрите і назад.