Как рассчитать ключ транзистора

ElectronicsBlog

Минимальное значение коэффициента усиления по току, h_21э :

Омическое сопротивление базы транзистора (80 — 150 Ом), r_б : Ом

Рассчитываемые параметры схемы:

Сопротивление в цепи коллектора, R_K : кОм

Сопротивление в цепи базы, R_Б : кОм

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Расчет ключа транзистора: подбираем правильный параметр

Транзисторы являются одним из основных элементов электроники, используемых для управления электрическими сигналами. Они могут использоваться в качестве ключей, позволяющих управлять потоком энергии в схеме. Расчет ключа транзистора является важным этапом проектирования электронной схемы и позволяет подобрать оптимальные значения компонентов для обеспечения требуемой работы транзистора.

Одним из основных параметров, влияющих на работу транзистора, является его базовый ток. Расчет базового тока требует знания токов утечки транзистора, максимального значения тока, протекающего через его эмиттер и коэффициента усиления. На основе этих параметров можно рассчитать необходимый базовый ток, который будет исправно управлять транзистором.

Для расчета ключа транзистора также необходимо учитывать его рабочее напряжение. Расчет рабочего напряжения позволяет определить минимальное и максимальное значение напряжения, при котором транзистор будет работать надежно. Важно учитывать, что рабочее напряжение может варьироваться в зависимости от входного сигнала и условий эксплуатации, поэтому необходимо выбрать такой ключ, который будет работать в широком диапазоне напряжений.

В данной статье мы рассмотрим подробную инструкцию по расчету ключа транзистора. Мы разберемся с базовым током, рабочим напряжением и другими важными параметрами, которые необходимо учитывать при проектировании электронных схем. С помощью правильного расчета ключа транзистора вы сможете создать надежные и эффективные электронные устройства.

Расчет ключа транзистора: шаги к успеху

Рассчитывая ключ транзистора, нужно учесть несколько важных факторов. В данном разделе приведены основные шаги, которые помогут вам успешно выполнить расчет.

Прежде чем приступить к расчету ключа транзистора, необходимо определить основные параметры. Это включает в себя напряжение питания, сопротивление нагрузки, максимальный ток и другие характеристики вашей схемы.

На основе заданных параметров, выберите тип транзистора, который лучше всего подходит для вашей схемы. Учтите его максимальную мощность, ток переключения и другие технические характеристики.

Для правильного функционирования транзистора необходимо рассчитать базовый ток. Он определяется формулой IB = (IC / hFE), где IC — коллекторный ток, hFE — коэффициент усиления.

Базовое сопротивление нужно определить, чтобы гарантировать, что базовый ток будет достаточным для управления транзистором. Рассчитайте его по формуле RB = (VBE / IB), где VBE — напряжение между базой и эмиттером.

Коллекторное сопротивление определяется величиной нагрузки и максимальным током. Рассчитайте его по формуле RC = (Vcc — VCEsat) / IC, где Vcc — напряжение питания, VCEsat — насыщенное напряжение коллектор-эмиттер.

После расчета всех параметров, рекомендуется провести проверку результатов. Убедитесь, что полученные значения соответствуют требованиям вашей схемы и что транзистор будет работать стабильно и безопасно.

Следуя этим шагам, вы сможете успешно рассчитать ключ транзистора для вашей схемы. Важно помнить, что расчет зависит от конкретной задачи, поэтому применение общих правил может потребовать дополнительной настройки и оптимизации.

Определение необходимой нагрузки

Определение необходимой нагрузки является одним из важных шагов при расчете ключа транзистора. Нагрузка – это элемент в схеме, к которому подключается транзистор для выполнения определенной функции.

Для определения необходимой нагрузки необходимо учитывать следующие факторы:

• Тип транзистора: различные типы транзисторов имеют разные характеристики и способы использования. Определите, какой тип транзистора вы планируете использовать.
• Класс работы: определите класс работы транзистора (A, AB, B или C), так как это влияет на выбор нагрузки и его параметры.
• Задачи и требования: определите, какую задачу должен выполнять ваш транзистор. Какие требования к нагрузке у вас есть? Например, это может быть усиление сигнала, коммутация или регулирование тока.
• Электрические характеристики: учитывайте необходимые электрические характеристики, такие как напряжение, сила тока, частота и импеданс.
• Мощность: определите мощность, которую должно обеспечивать ваше устройство. Учтите, что нагрузка должна быть способна работать с требуемой мощностью.

После определения указанных факторов можно переходить к выбору конкретной нагрузки для вашего транзистора. Обратите внимание на эксплуатационные характеристики нагрузки, такие как мощность, сопротивление, импеданс и допустимые значения тока и напряжения. Также учитывайте совместимость и взаимодействие нагрузки с другими компонентами вашей схемы.

Важно помнить, что выбор нагрузки должен быть согласован и оптимизирован с задачей и требованиями, поставленными перед вашим устройством. Выбор неправильной нагрузки может привести к неэффективному функционированию вашего транзистора или даже его повреждению.

Таким образом, правильное определение необходимой нагрузки является ключевым моментом при рассчете ключа транзистора и должно проводиться с учетом всех факторов и требований для вашего конкретного устройства.

Выбор транзистора для работы

Когда рассчитывается ключ транзистора, очень важно выбрать подходящий транзистор для работы. Вот несколько факторов, которые следует учитывать при выборе:

• Тип транзистора: Существуют различные типы транзисторов, такие как биполярные (NPN, PNP), MOSFET и IGBT. Выбор типа транзистора зависит от требований конкретного приложения.
• Максимальное напряжение и ток: Транзистор должен иметь достаточную мощность, чтобы справиться с максимальным напряжением и током в схеме.
• Частота переключения: Если схема требует высоких частот переключения, то необходимо выбрать транзистор, который обладает достаточной способностью к переключению.
• Тепловое сопротивление: Тепловое сопротивление транзистора влияет на его способность справиться с выделяющимся теплом. Тепловое сопротивление должно быть достаточно низким, чтобы обеспечить надежную работу транзистора.
• Цена: В зависимости от бюджета проекта, стоимость транзистора может играть роль в его выборе.

Помимо этих факторов, также важно обратить внимание на характеристики транзистора, такие как коэффициент усиления тока (hFE), максимальная потеря напряжения (VCE), быстродействие и температурный диапазон.

В итоге, выбор правильного транзистора для работы требует тщательного анализа требований проекта и характеристик доступных транзисторов на рынке. А если вы не уверены, всегда можно проконсультироваться со специалистами в области электроники.

Расчет основных параметров транзистора

При расчете основных параметров транзистора необходимо учесть несколько ключевых показателей. Основные из них:

1. Ток коллектора (I_C) — это ток, который проходит через коллектор транзистора при работе.
2. Ток базы (I_B) — это ток, который необходимо подать на базу транзистора для открытия эмиттер-коллекторного перехода.
3. Ток эмиттера (I_E) — это ток, который проходит через эмиттер транзистора при работе.
4. Максимальный допустимый ток коллектора (I_Cmax) — это максимальное значение тока коллектора, которое может протекать через транзистор без его повреждения.
5. Ток утечки коллектора (I_CBO) — это ток, который протекает через коллектор транзистора при закрытом базе-эмиттерном переходе.
6. Коэффициент усиления по току (β или h_FE) — это отношение изменения коллекторного тока к изменению базового тока.

При расчете транзистора важно учитывать эти параметры, чтобы подобрать подходящую модель транзистора для конкретного применения. Неправильный расчет может привести к перегреву транзистора или его повреждению в результате превышения максимально допустимых значений токов.

Для более точного расчета параметров транзистора полезно обратиться к технической документации производителя, где указаны значения всех характеристик конкретной модели транзистора.

Вопрос-ответ

Какой транзистор выбрать для моего проекта?

Выбор транзистора зависит от различных факторов, таких как ток, напряжение, мощность и тип сигнала, который вы хотите управлять. Рекомендуется использовать спецификации, указанные в даташите на транзистор, чтобы принять решение об использовании конкретного транзистора в вашем проекте.

Как рассчитать базовый ток для транзистора?

Расчет базового тока для транзистора включает учет коэффициента усиления тока (beta) транзистора и желаемого коллекторного тока. Базовый ток можно рассчитать, разделив желаемый коллекторный ток на beta транзистора. Например, если желаемый коллекторный ток составляет 1 мА, а beta транзистора равна 100, то базовый ток будет составлять 0,01 мА.

Как рассчитать необходимый резистор для базы транзистора?

Для расчета необходимого резистора для базы транзистора нужно знать напряжение питания, базовый ток и напряжение на базе. Резистор можно рассчитать с помощью закона Ома, используя формулу R = (Vпит — Vбаза) / Ib, где Vпит — напряжение питания, Vбаза — напряжение на базе, Ib — базовый ток. Например, если напряжение питания составляет 5 В, напряжение на базе — 0,7 В, а базовый ток — 0,01 мА, то необходимый резистор будет равен (5 — 0,7) / 0,01 мА = 430 кОм.

Электронный ключ на транзисторе — принцип работы и схема

В импульсных устройствах очень часто можно встретить транзисторные ключи. Транзисторные ключи присутствуют в триггерах, коммутаторах, мультивибраторах, блокинг-генераторах и в других электронных схемах. В каждой схеме транзисторный ключ выполняет свою функцию, и в зависимости от режима работы транзистора, схема ключа в целом может меняться, однако основная принципиальная схема транзисторного ключа — следующая:

Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа — это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.

В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние — состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние — состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт. Когда транзистор переключается из одного состояния в другое, это активный режим, при котором процессы в каскаде протекают нелинейно.

Статические состояния описываются в соответствии со статическими характеристиками транзистора. Характеристик две: семейство выходных — зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и семейство входных — зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер.

Для режима отсечки характерно смещение обеих p-n переходов транзистора в обратном направлении, причем бывает глубокая отсечка и неглубокая отсечка. Глубокая отсечка — это когда приложенное к переходам напряжение в 3-5 раз превышает пороговое и имеет полярность обратную рабочей. В таком состоянии транзистор разомкнут, и токи его электродов чрезвычайно малы.

При неглубокой же отсечке напряжение, приложенное к одному из электродов, ниже, и токи электродов больше чем при глубокой отсечке, в результате токи уже зависят от приложенного напряжения в соответствии с нижней кривой из семейства выходных характеристик, эту кривую так и называют «характеристика отсечки».

Для примера проведем упрощенный расчет для ключевого режима транзистора, который будет работать на резистивную нагрузку. Транзистор будет длительное время находиться лишь в одном из двух главных состояний: полностью открыт (насыщение) или полностью закрыт (отсечка).

Пусть нагрузкой транзистора будет обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого при номинальных 12 В будет составлять 400 Ом. Пренебрежем индуктивным характером обмотки реле, пусть разработчики предусмотрят снаббер для защиты от выбросов в переходном режиме, мы же проведем расчет исходя из того, что реле включат один раз и очень надолго. Ток коллектора найдем по формуле:

Iк = (Uпит-Uкэнас) / Rн.

Где: Iк — постоянный ток коллектора; Uпит — напряжение питания (12 вольт); Uкэнас — напряжение насыщения биполярного транзистора (0,5 вольт); Rн — сопротивление нагрузки (400 Ом).

Получаем Iк = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.

Для верности возьмем транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдет BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкэмакс = 80 В. Будет хороший запас.

Чтобы обеспечить ток коллектора в 28,7 мА, необходимо обеспечить соответствующий ток базы. Ток базы определяется формулой: Iб = Iк / h21э, где h21э – статический коэффициент передачи по току.

Современные мультиметры позволяют измерять этот параметр, и в нашем случае он составил 50. Значит Iб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Если значение коэффициента h21э неизвестно, можно для надежности взять минимальное из документации на данный транзистор.

Чтобы нужно определить необходимое значение резистора базы. Напряжение насыщения база-эмиттер составляет 1 вольт. Значит, если управление будет осуществляться сигналом с выхода логической микросхемы, напряжение которого 5 В, то для обеспечения требуемого тока базы в 574 мкА, при падении на переходе 1 В, получим:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / Iб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом

Выберем в меньшую сторону (чтобы тока точно хватило) из стандартного ряда резистор 6,8 кОм.

НО, чтобы транзистор переключался быстрее и чтобы срабатывание было надежным, будем применять дополнительный резистор R2 между базой и эмиттером, а на нем будет падать некоторая мощность, значит необходимо понизить сопротивление резистора R1. Примем R2 = 6,8 кОм и скорректируем значение R1:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+I(через резистор R2) = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+Uбэнас/R2)

R1 = (5-1) / (0,000574+1/6800) = 5547 Ом.

Пусть будет R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.

Посчитаем потери на ключе: P = Iк * Uкэнас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Радиатор транзистору не потребуется.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

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 U_КЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор R_К. Обратите внимание, положительный потенциал U_КЭ посредством R_К подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания U_КЭ изменяется на противоположную.

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

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением U_БЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор R_Б. Величина U_БЭ 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 U_КЭ и управляющего сигнала U_БЭ 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 U_КЭ. Коллекторный ток I_К близок к нулю. При этом ток в цепи базы I_К 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 I_К имеет некое значение, которое зависит от величин U_КЭ и R_К. В цепи база-эмиттер также протекает ток I_Б, 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 R_К и базы R_Б. 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 R_К, который предназначен для ограничения величины тока I_К, протекающего через светодиод VD. R_К находится по закону Ома:

Величина I_К равна I_VD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение U_КЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔU_VD 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 ΔU_КЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление R_К:

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

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы R_Б:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔU_Rб и I_Б. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔU_Rб:

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

Для определения тока базы I_Б необходимо знать I_К, который мы ранее пересчитали (I_К = 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 R_К и R_Б 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.