Сенсорный включатель – очень простая схема, которая состоит всего их двух транзисторов и нескольких радиоэлементов.
Сенсор – sensor – с англ. яз. – чувствительный или воспринимающий элемент. Данная схема позволяет подавать напряжение в нагрузку, прикоснувшись пальчиком к сенсору. В данном случае сенсором у нас будет проводок, идущий от базы . Итак, рассмотрим схемку:
Рабочее напряжение схемы 4-5 Вольт. Можно чуток и больше.
Схема ну очень простая. На мм макетной плате она будет выглядеть примерно вот так:
.JPG)
Желтый проводок от базы транзистора КТ315, который находится в воздухе, у нас будет сенсором.
Кто не помнит, где эмиттер, коллектор и база, ниже на фото показана цоколевка (расположение выводов) транзистора КТ361 (слева) и транзистора КТ315 (справа) . КТ361 и КТ315 различаются расположением буквы. У КТ361 эта буква находится посередине, а у КТ315 слева. Какая там буква – без разницы. В данном случае буква “Г” значит используются транзисторы КТ361Г и КТ315Г
В моем же случае я использовал транзисторы КТ315Б (ну что под руку попалось).
Вот видео работы этой схемы:
А что если с помощью такого сенсорного выключателя управлять мощной нагрузкой? Например, лампой накаливания на 220 Вольт? Просто вместо светодиода мы можем поставить ТТР.
В этой схеме я использовал Твердотельное реле (ТТР), хотя можно использовать и электромеханическое реле . При использовании электромеханического реле, не забываем параллельно катушке реле поставить защитный диод
Моя измененная схема на ТТР выглядит вот так:
.JPG)
А вот так она работает:
В интернете эта схема идет на трех транзисторах. Я ее немного упростил. Принцип работы схемы очень простой. При прикосновении пальчиком вывода базы транзистора VT2, на базу поступает синусоидальный сигнал с нашего тела. А откуда он берется? Наводки от сети 220 Вольт. Так вот, этих наводок вполне хватает, чтобы транзистор VT2 открылся, потом сигнал с VT2 поступает на базу VT1 и там усиливается еще больше. Мощности этого сигнала хватает, чтобы зажечь светодиод или подать управляющий сигнал на реле. Все гениально и просто!
Он обеспечивает открытую схему (незамкнутую), когда он находится в выключенном состоянии и обеспечивает замкнутую схему, когда находится во включенном состоянии. Это очень важная функция, без которой деятельность многих устройств была бы просто немыслима.
Другими словами, можно сказать, что выключатель обеспечивает бесконечное сопротивление или полное сопротивление во время своего выключенного состояния, и он обеспечивает нулевое сопротивление или полное сопротивление во время своего включенного состояния.
Отсюда получается, что выключатель можно назвать этаким резистором с контролируемым включением/выключением, который обеспечивает и нулевое и бесконечное сопротивление для схемы без какого-либо среднего значения. Да, возможно, кому-то подобное название покажется не самым точным, но оно более-менее передаёт суть деятельности выключателя в краткой форме.
С другой стороны, транзистор может быть рассмотрен как контролируемый резистор, ведь сопротивление между эмиттером и коллектором контролируется током в переходе базы-эмиттера. За счёт того, что ток на базе эмиттере производит контроль, сопротивление на эмиттере-коллекторе может быть установлено бесконечным, но подобным образом не получится сделать сопротивление равным нулю (результат не будет идеален). Впрочем, несмотря на то, что идеального значения не получается, это не мешает быть транзистору весьма популярным в качестве выключателя.
Транзистор обеспечивает довольно большое сопротивление для схемы, но оно не идеально бесконечно. Транзистор также обеспечивает очень маленькое сопротивление, но оно также не идеально нулевое.
В характеристиках транзистора имеется 3 области:
— область выключения;
— линейная область;
— область насыщения.
В линейной области, для того чтобы напряжение на коллекторе-эмиттере (VCE) имело широкий диапазон, ток на коллекторе (IC) сохраняется неизменным. В силу того, что напряжение имеет широкий диапазон и ток на коллекторе почти неизменный, будет очень сильная потеря энергии, если транзистор действует в этой области.
Но на практике, в выключателе, когда он выключен, напряжение, которое через него проходит, будет равно напряжению на открытой схеме, но ток при этом равен нулю, отсюда следует, что не происходит потери энергии. Подобным образом, когда выключатель включен, ток, проходящий через выключатель настолько силён, насколько силён ток на замкнутой схеме, но напряжение, которое проходит через выключатель, равно нулю, откуда следует, что также не происходит потери энергии.
Если нужно сделать так, чтобы транзистор действовал как выключатель, то нужно сделать, чтобы он работал таким образом, чтобы потери энергии во время включенного и выключенного состояния были бы близки к нулю, или очень низки. Единственный случай, когда это возможно, когда транзистор действует только в предельной области характеристик. Есть две предельные области в характеристиках транзистора. Это область выключения и область насыщения.
На рисунке, где ток на базе-эмиттере или просто ток на базе равен нулю, ток коллектора (IC) будет иметь очень маленькое неизменное значение для большого диапазона напряжения на коллекторе-эмиттере (VCE). Так что если транзистор действует с током на базе равным нулю или меньше нуля, то ток, проходящий через коллектор на эмиттер (IC) очень слабый.
Отсюда транзистор в выключенном состоянии, но в то же время, потеря энергии через транзистор (выключатель) i.e. IC x VCE несущественна в силу того, что IC очень мал. Отсюда вытекает, что транзистор работает как выключатель на открытой схеме или как выключающий переключатель.
Теперь, допустим, что транзистор подсоединён в серию с нагрузкой сопротивления RL. В нормальном состоянии напряжение, проходящее через нагрузку, является VL. Отсюда ток, проходящий через нагрузку, составляет:
Если транзистор действует с током на базе I1, для которого ток на коллекторе C1 больше, чем IL, то транзистор работает в области насыщения. Тут, для любого тока (C1), проходящего через коллектор транзистора на его эмиттер (IC), будет очень маленькое напряжение на коллекторе-эмиттере (VCE).
Отсюда следует, что в этой ситуации ток, проходящий через транзистор, настолько силён, насколько ток на нагрузке, но напряжение, проходящее через транзистор, (VCE) довольно низкое, откуда вытекает то обстоятельство, что потеря энергии в транзисторе опять несущественна.
Транзистор ведёт себя примерно как выключатель на замкнутой схеме или переключатель включения. Так что для использования транзистора как выключателя, необходимо убедиться в том, что применяемый на базе-эмиттере ток достаточно силён для того, чтобы удержать транзистор в области насыщения для обеспечения тока на нагрузке.
Как уже было сказано, потеря энергии в транзисторе, который является выключателем, очень низка, однако не равна нулю. Отсюда следует, что это не идеальный выключатель, но он приемлем для специфических устройств. Теперь, для регулирования энергии постоянного тока на входе, на нагрузке, необходимо использовать транзистор-выключатель таким образом, чтобы он периодически то включал схему, то выключал, обеспечивая тем самым желаемую энергию на выходе.
Для этого понадобится специфическая форма волны тока на базе, благодаря которой транзистор переходит в свои область выключения и область насыщения, периодически, для обеспечения тока на нагрузке. Типичная периодическая форма волны тока на базе в целом достигается за счёт импульсного генератора на базе микропроцессора.
Когда выбирается транзистор для использования в качестве выключателя, необходимо проявлять осторожность в отношении номинального значения транзистора. Дело в том, что во время включенного состояния, весь ток на нагрузке будет течь через транзистор. Если этот ток больше, чем безопасное значение способности транзистора к выдерживанию тока на коллекторе-эмиттере, то транзистор может перманентно выйти из строя из-за того, что перегреется.
Снова в выключенном состоянии, всё напряжение на открытой схеме, на нагрузке, появится в транзисторе. Транзистор должен быть в состоянии выдержать это напряжение, в противном случае переход коллектор-эмиттер будет разорван, и транзистор станет включенным, вместо того чтобы быть выключенным.
Ещё одна деталь должна быть учтена при использовании транзистора как выключателя. Приёмник тепла подходящего размера и проектирование, которое всегда необходимо для транзистора. Каждый транзистор нуждается в некотором времени для перехода из выключенного состояния во включенное состояние и наоборот.
Несмотря на то, что это самое время очень мало и оно может быть менее нескольких микросекунд, но это всё-таки не ноль. Во время периода, в течение которого выключатель находится во включенном состоянии, ток (IC) будет усиливаться, в то время как напряжение на коллекторе-эмиттере (VCE) будет падать к нулю.
Так как ток усиливается с нуля (в идеале) до своего максимума, и напряжение падает со своего максимального значения до нуля (в идеале), будет возникать момент, когда оба они будут иметь свои максимальные значения. В этой точке происходит пиковая потеря энергии.
Таким же путём происходит и максимальная потеря энергии в транзисторе, когда он переходит в выключенное состояние из включенного состояния. Отсюда следует, что максимальная потеря энергии происходит в транзисторе во время переходного периода изменения состояния, но растрата энергии всё ещё вполне средняя, так как переходный период довольно невелик.
Для работы с низкой частотой генерируемое тепло может быть средним. Но если частота работы весьма высока, то будет существенная потеря энергии и соответствующая генерация тепла. Стоит заметить, что генерация тепла не происходит только в течение переходного состояния. Она также происходит во время включенного или выключенного состояния транзистора. Однако количество тепла в течение постоянного состояния довольно мала и несущественна.
Возможно, кому-то использование транзистора в качестве выключателя покажется сложным после вышесказанного, однако это не так. Просто нужно обратить внимание на некоторые необходимые моменты и запомнить определённые вещи. Теоретическая часть, охватывающая эту тему, хоть и не маленькая, но относительно простая.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.
Основное назначение транзисторных выключателей, схемы которых предлагаются вниманию читателей, - включение и выключение нагрузки постоянного тока. Кроме этого, он может выполнять ещё дополнительные функции, например, индицировать своё состояние, автоматически отключать нагрузку при разрядке аккумуляторной батареи до предельно допустимого значения или по сигналу датчиков температуры, освещённости и др. На базе нескольких выключателей можно сделать переключатель. Коммутация тока осуществляется транзистором, а управление осуществляется одной простой кнопкой с контактом на замыкание. Каждое нажатие на кнопку изменяет состояние выключателя на противоположное.
Описание аналогичного выключателя было приведено в , но там для управления применены две кнопки. К достоинствам предлагаемых выключателей можно отнести бесконтактное подключение нагрузки, практически отсутствие потребляемого тока в выключенном состоянии, доступные элементы и возможность применения малогабаритной кнопки, занимающей мало места на панели прибора. Недостатки - собственный потребляемый ток (несколько миллиампер) во включённом состоянии, падение напряжения на транзисторе (доли вольта), необходимость принятия мер для защиты от импульсных помех надёжного контакта во входной цепи (может самопроизвольно выключаться при кратковременном нарушении контакта).
Схема выключателя показана на рис. 1. Принцип его работы основан на том, что у открытого кремниевого транзистора напряжение на переходе база-эмиттер транзистора - 0,5...0,7 В, а напряжение насыщения коллектор-эмиттер может быть 0,2...0,3 В. По сути, это устройство представляет собой триггер на транзисторах с разной структурой, управляемый одной кнопкой. После подачи питающего напряжения оба транзистора закрыты, а конденсатор C1 разряжен. При нажатии на кнопку SB1 ток зарядки конденсатора С1 открывает транзистор VT1, и следом за ним откроется транзистор VT2. При отпускании кнопки транзисторы остаются во включённом состоянии, питающее напряжение (за вычетом падения напряжения на транзисторе VT1) поступает на нагрузку и продолжится зарядка конденсатора С1. Он зарядится до напряжения, немногим большем, чем напряжение на базе этого транзистора, поскольку напряжение насыщения коллектор-эмиттер меньше напряжения база-эмиттер.
Рис. 1. Схема выключателя
Поэтому при следующем нажатии на кнопку напряжение база-эмиттер на транзисторе VT1 будет недостаточным для поддержания его в открытом состоянии и он закроется. Следом закроется транзистор VT2, и нагрузка обесточится. Конденсатор С1 разрядится через нагрузку и резисторы R3-R5, и выключатель вернётся в исходное состояние. Максимальный коллекторный ток транзистора VT1 I к зависит от коэффициента передачи тока h 21Э и базового тока I б: I к = I б · h 21Э. Для указанных на схеме номиналов и типов элементов этот ток - 100...150 мА. Чтобы выключатель работал нормально, ток, потребляемый нагрузкой, должен быть меньше этого значения.
У этого выключателя есть две особенности. Если на выходе выключателя будет короткое замыкание, после кратковременного нажатия на кнопку SB1 транзисторы на короткое время откроются и затем, после зарядки конденсатора С1, закроются. При уменьшении выходного напряжения примерно до 1 В (зависит от сопротивлений резисторов R3 и R4) транзисторы также закроются, т. е. нагрузка будет обесточена.
Второе свойство выключателя можно использовать для построения разрядного устройства для отдельных Ni-Cd или Ni-Mh аккумуляторов до 1 В перед составлением их в батарею и дальнейшей общей зарядке. Схема устройства показана на рис. 2. Выключатель на транзисторах VT1, VT2 подключает к аккумулятору разрядный резистор R6, параллельно которому подключён преобразователь напряжения , собранный на транзисторах VT3, VT4, питающий светодиод HL1. Светодиод индицирует состояние процесса разрядки и является дополнительной нагрузкой аккумулятора. Резистором R8 можно изменять яркость свечения светодиода, вследствие этого изменяется потребляемый им ток. Так можно производить корректировку разрядного тока. По мере разрядки аккумулятора снижается напряжение на входе выключателя, а также на базе транзистора VT2. Резисторы делителя в цепи базы этого транзистора подобраны так, что при напряжении на входе 1 В напряжение на базе уменьшится настолько, что транзистор VT2 закроется, а вслед за ним и транзистор VT1 - разрядка прекратится. При указанных на схеме номиналах элементов интервал регулировки тока разрядки - 40...90 мА. Если резистор R6 исключить, разрядный ток можно менять в интервале от 10 до 50 мА. При использовании сверхъяркого светодиода это устройство можно применить для построения карманного фонаря с защитой аккумулятора от глубокой разрядки.
Рис. 2. Схема разрядного устройства
На рис. 3 показано ещё одно применение выключателя - таймер. Он был использован мною в портативном приборе - испытателе оксидных конденсаторов. В схему дополнительно введён светодиод HL1, который индицирует состояние устройства. После включения загорается светодиод и конденсатор C2 начинает заряжаться обратным током диода VD1. При определённом напряжении на нём откроется транзистор VT3, который закоротит эмиттерный переход транзистора VT2, что приведёт к выключению устройства (светодиод погаснет). Конденсатор C2 быстро разрядится через диод VD1, резисторы R3, R4 и выключатель вернётся в исходное состояние. Время выдержки зависит от ёмкости конденсатора С2 и обратного тока диода. При указанных на схеме элементах оно составляет около 2 мин. Если взамен конденсатора С2 установить фоторезистор, терморезистор (или другие датчики), а взамен диода - резистор, получим устройство, которое будет выключаться при изменении освещённости, температуры и т. п.
Рис. 3. Схема таймера
Если в нагрузке есть конденсаторы большой ёмкости, выключатель может не включиться (это зависит от их ёмкости). Схема устройства, лишённого этого недостатка, показана на рис. 4. Добавлен ещё один транзистор VT1, который выполняет функцию ключа, а два других транзистора управляют этим ключом, чем исключается влияние нагрузки на работу выключателя. Но при этом потеряется свойство не включаться при наличии в цепи нагрузки короткого замыкания. Светодиод выполняет аналогичную функцию. При указанных на схеме номиналах деталей ток базы транзистора VT1 - около 3 мА.
Рис. 4. Схема устройства
Были опробованы несколько транзисторов КТ209К и КТ209В в качестве ключа. Они имели коэффициенты передачи тока базы от 140 до 170.
При токе нагрузки 120 мА падение напряжения на транзисторах было 120...200 мВ. При токе 160 мА - 0,5...2,2 В. Использование в качестве ключа составного транзистора КТ973Б позволило значительно увеличить допустимый ток нагрузки, но падение напряжения на нём было 750...850 мВ, и при токе 300 мА транзистор слабо грелся. В выключенном состоянии потребляемый ток настолько мал, что измерить его с помощью мультиметра DT830B не удалось. При этом транзисторы предварительно не отбирались ни по каким параметрам.
На рис. 5 представлена схема трёхканального зависимого переключателя. В ней объединены три выключателя, но при необходимости их число может быть увеличено. Кратковременное нажатие на любую из кнопок вызовет включение соответствующего выключателя и подключение соответствующей нагрузки к источнику питания. Если нажать на какую-либо другую кнопку, включится соответствующий выключатель, а предыдущий выключится. Нажатие на следующую кнопку включит следующий выключатель, а предыдущий опять отключится. При повторном же нажатии на ту же кнопку последний работающий выключатель выключится, и устройство возвратится в исходное состояние - все нагрузки будут обесточены. Режим переключения обеспечивает резистор R5. При включении какого-либо выключателя напряжение на этом резисторе возрастает, что приводит к закрыванию включённого ранее выключателя. Сопротивление этого резистора зависит от тока, потребляемого самими выключателями, в данном случае его значение - около 3 мА. Элементы VD1, R3 и С2 обеспечивают прохождение разрядного тока конденсаторов С3, С5 и С7. Через резистор R3 конденсатор С2 разряжает в паузах между нажатиями на кнопку. Если эту цепь исключить, останутся только режимы включения и переключения. Заменив резистор R5 проволочной перемычкой, получим три независимо работающих устройства.
Рис. 5. Схема трёхканального зависимого переключателя
Переключатель предполагалось применить в коммутаторе телевизионных антенн с усилителями, но с появлением кабельного телевидения необходимость в нём отпала, и проект не был реализован на практике.
В выключателях могут быть применены транзисторы самых разных типов, но они должны соответствовать определённым требованиям. Во-первых, все они должны быть кремниевыми. Во-вторых, транзисторы, коммутирующие ток нагрузки, должны иметь напряжение насыщения U к-э нас не более 0,2...0,3 В, максимальный допустимый ток коллектора I к макс должен быть в несколько раз больше коммутируемого тока, а коэффициент передачи тока h 21э достаточный, чтобы при заданном токе базы транзистор находился в режиме насыщения. Из имеющихся у меня в наличии транзисторов хорошо зарекомендовали себя транзисторы серий КТ209 и КТ502, несколько хуже - серий КТ3107 и КТ361.
Сопротивления резисторов можно изменять в значительных пределах. Если требуется большая экономичность и не нужна индикация состояния выключателя, светодиод не устанавливают, а резистор в цепи коллектора VT3 (см. рис. 4) можно увеличить до 100 кОм и более, но надо учесть, что при этом уменьшится базовый ток транзистора VT2 и максимальный ток в нагрузке. Транзистор VT3 (см. рис. 3) должен иметь коэффициент передачи тока h 21э более 100. Сопротивление резистора R5 в зарядной цепи конденсатора С1 (см. рис. 1) и аналогичных ему в других схемах может быть в интервале 100...470 кОм. Конденсатор C1 (см. рис. 1) и аналогичные ему в других схемах должны быть с малым током утечки, желательно применить оксиднополупроводниковые серии К53, но можно применять и оксидные, при этом сопротивление резистора R5 должно быть не более 100 кОм. При увеличении ёмкости этого конденсатора уменьшится быстродействие (время, по истечении которого устройство можно выключить после включения), а если уменьшить - снизится чёткость в работе. Конденсатор C2 (см. рис. 3) - только оксидно-полупроводниковый. Кнопки - любые малогабаритные с самовозвратом. Катушка L1 преобразователя (см. рис. 2) применена от регулятора линейности строк чёрно-белого телевизора, хорошо работает преобразователь и с дросселем на Ш-образном магнитопроводе от КЛЛ. Можно также воспользоваться рекомендациями, приведёнными в . Диод VD1 (см. рис. 5) может быть любым маломощным, как кремниевым, так и германиевым. Диод VD1 (см. рис. 3) должен быть обязательно германиевым.
Налаживания требуют устройства, схемы которых показаны на рис. 2 и рис. 5, остальные в налаживании не нуждаются, если нет особых требований и все детали исправны. Для налаживания разрядного устройства (см. рис. 2) потребуется источник питания с регулируемым напряжением на выходе. Прежде всего, взамен резистора R4 временно устанавливают переменный резистор сопротивлением 4,7 кОм (в максимум сопротивления). Подключают источник питания, предварительно установив на его выходе напряжение 1,25 В. Включают разрядное устройство нажатием на кнопку и устанавливают с помощью резистора R8 требуемый ток разрядки. После этого устанавливают на выходе источника питания напряжение 1 В, и с помощью добавочного переменного резистора добиваются выключения устройства. После этого надо несколько раз проверить напряжение выключения. Для этого необходимо увеличить напряжение на выходе источника питания до 1,25 В, включить устройство, затем необходимо плавно уменьшать напряжение до 1 В, наблюдая момент выключения. Затем измеряют введённую часть дополнительного переменного резистора и заменяют его постоянным с таким же сопротивлением.
Во всех других устройствах также можно реализовать аналогичную функцию выключения при снижении входного напряжения. Налаживание производится аналогично. При этом то обстоятельство, что вблизи точки выключения транзисторы начинают закрываться плавно и ток в нагрузке тоже будет плавно уменьшаться. Если в качестве нагрузки будет радиоприёмник, то это проявится как уменьшение громкости. Возможно, рекомендации, описанные в , помогут решить эту проблему.
Налаживание переключателя (см. рис. 5) сводится к временной замене постоянных резисторов R3 и R5 на переменные с сопротивлением в 2...3 раза больше. Последовательно нажимая на кнопки, с помощью резистора R5 добиваются надёжной работы. После этого повторными нажатиями на одну и ту же кнопку с помощью резистора R3 добиваются надёжного выключения. Затем переменные резисторы заменяют постоянными, как сказано выше. Для повышения помехоустойчивости параллельно резисторам R7, R13 и R19 надо установить керамические конденсаторы ёмкостью несколько нанофарад.
Литература
1. Поляков В. Электронный выключатель защищает аккумуляторную батарею. - Радио, 2002, № 8, с. 60.
Союз Советских
Социалистических
Республик
Завиоимое от авт. свидетельства %в
Заявлено 12.Ч.1969 (№ 1331460/26-9) МПК Н 03k 17/60
Н 031 17/!6 с присоединением заявки М—
Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров
В. И. Котельников, Л. П. Соляник и Ю. А. Замрыка
Заявитель
ДВУХПОЗИЦИОННЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности, к точным компенсационным устройствам электроизмер ительных прибо ров и может быть также.испол ьзова но в радиоиз мерительной технике.
Недо статком известных схем подоб1ного рода устройств является. наличие остаточного напряжения на переходах коллектор-эмиттер транзист,.;ров.
Цель изобретения — устранить остаточное напряжение между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора. Это достигается лутем включения нараллельно нагрузоч ному резистору цепочки, состоящей из последо вательно соединенных резистора и дополнительного источника питания.
Схезма предлагаемого устройства показана н а ч ер те же.
Д вухпозиционный транзистор ный переключатель состоит из двух транзисторов 1 и 2 типа P — N — P проводимост1и, соединенных между собой.коллекторами. Базы этих транзисторов через соответствующие переменные резисторы 8 и 4 подсоединены к управляющему устройству 5, имеющему два выхода. Нагрузочный резистор б включен между эмиттером и коллектором транзистора 2.
Вспомогательный источник 7 и резистор 8 включены параллельно резистору б. Источник
9 коммутирующего на пряжения с указанной лолярностью включен между эмиттерами транзисторов 1 и 2.
Звухпозиционный транзисторный переключатель работает следующим образом.
5 Если к цепи управления транзистором 1 приложено напряжение управляющего сигна;13 отрицательной полярности, тогда и цепи управления транзистором 2 прикладывается напряжение положительной полярности. Тра н10 зистор 1 будет находиться в открытом (насыщенном), а транзистор 2 — в за крытом состояниии
Напряжение управляющего сигнала отрицательной полярности должно обеспечить
15 пряхьое смещен5ие.перехода база-эхвиттер транзистора 1, а на пряжение управляющего сигнала положительной полярности — заниранне транзистора 2 (режим отсечками) .
При та ком смещении ток, вытекающий из базы транзистора 1, равен сумме эхтиттерного и коллекторного токов. Ток через переход коллектор †ба этого же транзистора 1 равен сумме токов, лротекаюшнх через резисторы б и 8. Значения этих токов постоянны, ес25 ли напряжение источников 7, 9 стабильны и напряжен;е на переходе коллектор — эмиттер транзистора 1 отсутствует.
Путем изменения сопротивления переменного резистора 5 можно регулировать ток чеЗ0 рез переход эмиттер-база и добиться компен299028
Предмет изобретения
Составитель Л. Рубинчик
Текред Л. Л. Евдонов Корректор А. П. Васильева
Редактор Э. Н. Шибаева
Заказ 111/460. Изд, № 343. Тираж 473 Подписное
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий IIpa Совете MHIII3cTpOD СССР
Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Тип, Харьк. фил, пред, «Патент» сяцип пядония ня п13яжен3!я ня переходе коллектор-эмиттер.
В этом случае напряжение на нагрузке равно напряженгно коммутируемого источника.
Если транзистор 1 закрыт, а тра нзистор 2 открыт, токи через переходы транзистора 2 протекают анялогич-ko, кяк и в транзисторе 1 (для случая открытого состояния) с той лишь разницей, что ток, протекающий через переход коллектор — база,определяется теперь только и сточни ком 7 и рези с гором 8.
Ток 3миттерно — оазсзого перехода регулируется аналогично вын!еизложенному для открытого состояния транзистора 1 с помощью переменного резистора 4 до компенсации падения напряжения на переходе коллектор— эмиттер транзистора 2., 1ля этого случая напряжение на нагрузке равно нулю.
Источник 7 напряжения и резистор 8 предназначены также для устранения дополнительной.погрешности напряжения на нагрузке от различных режимов работы транзисторов в открытом состоянии и повышения стабильности работы переключателя при изменении температуры и при подключении параллельно нескольких таких же переключателей (в naparIлельных делителях напряжения) .
С,помощью этого источника через коллекторно-базовые переходы открытых TpaiH3HcropoI3 !Зропускается до!волнительный ток, величина которого выбирается значительно больше основного тока (тока нагрузки) . Благодаря этому, транзисторы 1 и 2 переключателя работают в одинаковых режимах. При этом изменения тепловых токов значительно снижают свое влняние на состояние переходов открытых транзисторов, а также снижается взаимное влияние переключателей при их подключении, что и обеспечивает стабильность их работы.
Двухпозиционный транзисторный переключатель, образованный двумя последовательно соединенными транзисторами, коллекторы которых объединены и подключены к нагрузке, а базы подключены к выходам управляющего устройства через переменные резисторы, отличаюи1ийся тем, что, с целью устранения остаточного напряжения между коллектором и: эзпиттероз!,насыщенного транзистора, параллельно нагрузочному резистору подключена цепочка, состоящая на последовательно соединенных резистора и дополнительного источника питания.
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
Они выполняются с использованием полевых или Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р-n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.
Статический режим работы
В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.
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
А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:
- Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
- 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.
- Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.
Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.
Быстродействие
Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.
Что выбрать
С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах Поэтому в них применяются специальные где есть управляющий р-n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:
- Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
- Высокое сопротивление и, как результат - малый ток, что протекает по закрытому элементу.
- Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
- 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
Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:
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 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.
