Транзистор - це основний активний елемент в електронній техніці. «Активний», оскільки з його допомогою можна посилювати сигнал по потужності. Для порівняння, трансформатор теж може збільшувати амплітуду сигналу, але тільки по напрузі або по струму, потужність завжди буде губитися. Отже, трансформатори (а також, резистори, конденсатори, індуктивності, діоди, кварцові резонатори, гучномовці, реле) відносяться до пасивних Ері.

У цифрових схемах транзистор, як правило, виконує функцію електронного ключа, що має два стійких стани: «відкрито» і «закрито». Іншими словами, струм через колектор транзистора або протікає, або не протікає. Дане положення в рівній мірі відноситься до біполярним транзисторам структури п-р-п і р-п-р.

Перші транзистори з'явилися в 1947 р Їх винахідники, фізики У. Браттейн, У.Шоклі і Д.Бардін, напевно, і не підозрювали, яку користь транзистори нададуть людству в майбутньому. Сучасні експериментальні транзистори мають надмалі розміри і унікальні параметри. Рахунок вже йде на електрони і терагерц. Зокрема, розроблений так званий «одноелектронний» транзистор, а також транзистори на нанотрубках і графенових структурах, що дозволяють підсилювати сигнал з частотою 1 ... 6 ТГц.

При використанні біполярних транзисторів треба враховувати особливості їх роботи в ключовому режимі:

• струм бази транзистора повинен бути досить великим, щоб ключ відкривався при будь-якому коефіцієнті передачі h2 (його технологічний розкид становить 2 ... 4 рази), у всьому діапазоні температур і напружень;

• струм бази транзистора повинен бути досить малим, щоб усунути ефект глибокого насичення і не знижувати швидкодію ключа;

• напруга «база - емітер» відкритого транзистора залежить від його потужності, температури, коефіцієнта передачі і базового струму. Для малопотужних «кремнієвих» ключів орієнтовно приймають Ub3 = 0.6 ... 0.7 В (в одних джерелах округлено пишуть 0.6 В, в інших 0.7 В);

• струм колектора / к і струм бази / Б транзистора пов'язані наближеною формулою / к = Л21Е / Б. Якщо / Б = 1 мА, й21Е = 100, то / к = 100 мА. Коли навантажувальний опір в колекторі занадто велике, то воно не може «вмістити» в себе весь струм 100 мА, а пропустить тільки частина його, наприклад, 50 мА. Однак струм бази залишиться колишнім як при 50 мА, так і при 100 мА в колекторі. У цьому випадку говорять, що транзистор увійшов в насичення з коефіцієнтом Кн = 2, тобто / Кмах / к = 100/50. Чим більше Кі, тим повніше відкривається транзистор, але тим нижче його швидкодія;

• робочі напруги і струми повинні бути менше гранично допустимих по даташіту з «військовим» коефіцієнтом запасу 0.7 ... 0.8.

Доброю потуранням в аматорських конструкціях є можливість індивідуального підстроювання робочої точки транзисторного ключа оточуючими його резисторами. Можна також вибрати один кращий транзистор з декількох однотипних за оптимальному налаштуванні будь-якого параметра. Однак те, що допускається в одиничному аматорському виробництві, буде великим мінусом в промислової серії, де кожна зайва регулювальна операція забирає час, збільшує вартість і знижує технологічність. Саме тому діючими галузевими стандартами забороняється необґрунтована заміна однакових Ері, крім тих випадків, коли елемент спеціально призначений для регулювання і відзначений на схемі «зірочкою», наприклад, R1 *.

Біполярні транзисторні ключі служать в основному для комутації високовольтних і низькоомних навантажень (Рис. 2.67, a ... y), Транзистор захищає MK від перевантажень і аварійних ситуацій як при роботі, так і при налагодженні пристрою.

Мал. 2.67. Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах

(початок):

а) найпростіший ключ на транзисторі VT1 з інверсією сигналу. Тип транзистора вибирається залежно від напруги джерела живлення і потужності навантаження RH. При значній індуктивної складової RH ставлять діоди VD1, VD2 (або тільки VD1), що захищають транзистор від викидів негативного напруги і знижують перешкоди в ланцюзі харчування. Резистор R1 задає коефіцієнт насичення транзисторного ключа з розрахунку Кн = 1.1 ... 2;

б) для зменшення паразитної монтажної ємності між базою транзистора VT1 і лінією MK використовуються два послідовних резистора R1, R2. Це допомагає для зменшення так званих «наносекундних» імпульсних перешкод, що виникають при перемиканні високовольтних або потужних навантажень. Поява «наносекундних» перешкод заздалегідь передбачити складно, тому потреба в двох базових резисторах визначається експериментально;

в) резистор R3 ставлять, щоб транзистор VT1 був надійно закритий при перекладі лінії MK в Z-стан. Це відбувається кожного разу при рестарт MK, а також при початковій подачі живлення або при помилках в програмі, коли вихід випадково налаштовується як вхід. Зазвичай ставлення опорів R2: R3 вибирають 1: 2 ... 1: 10, але для збільшення швидкодії можна прийняти 1: 1 або навіть 2: 1. Як наслідок, знижується Кн, швидше розряджається вхідні ємність, але може знадобитися підбір транзистора за коефіцієнтом передачі Л21Е. Резистор R1 позначений пунктиром. Його ставлять замість резистора R3, але не часто, оскільки збільшується витрата енергії і неможливо регулювати робочу точку транзистора. З іншого боку, схема стає універсальною як для біполярних, так і для польових транзисторів. Резистори R1, R3 не обов'язкові в таких випадках: при роботі в вузькому температурному діапазоні (кімнатній температурі), при низкоомной навантаженні в колекторі транзистора K77, при відсутності перешкод, при низькому зворотному струмі / КБ0, що характерно для сучасних кремнієвих транзисторів; Про

Про Рис. 2.67. Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах (продовження):

г) стабілітрон VD1 підвищує стійкість спрацьовування ключа F77, якщо, наприклад, до виходу MK підключається зовнішнє навантаження до харчування, яка піднімає НИЗЬКИЙ логічний рівень з 0.1 ... 0.2 до 0.7 ... 1.5 В;

д) діод VD1 з одного боку підвищує стійкість, з іншого боку захищає MK від попадання в порт високої напруги в разі пробою переходу «база - колектор» транзистора VT1 \

е) лінія MK має вихід з відкритим або квазі відкритим стоком, тому в схему добавлтся резистор R1, який визначає струм бази транзистора VT1 При рестарт MK транзистор VT1 відкривається і через його колектор якийсь час протікає повний струм навантаження. Це нормально, якщо навантаженням є нешкідлива індикаторна лампа, але може стати проблемою, якщо навантаженням служить потужний пусковий двигун. Дану схему також застосовують для тестування каналу АЦП. Лінія порту переводиться в режим входу АЦП без «pull-up» резистора і програмно вимірюється напруга в точці з'єднання резисторів R1, R2. Якщо напруга близько до харчування +5 В, значить перехід «база - емітер» транзистора VT1 знаходиться в обриві. Якщо напруга 0.7 ... 1 В, то за законом Ома обчислюють струм через резистор R1 і, знаючи коефіцієнт Л21Е, приблизно оцінюють струм в навантаженні RH;

ж) іноді намагаються під будь-стало включити / вимкнути навантаження «стрибком», але в даній схемі фронти спеціально згладжуються конденсатором C1 і індуктивністю L1;

з) аналогічно Рис. 2.67, в, але для транзистора VT1 структури р-п-р і з активним низьким рівнем на виході MK;

і) приклад диодной захисту транзистора VT1 при роботі на індуктивне навантаження, в якості якої виступає первинна обмотка трансформатора 77; Про

Про Рис. 2.67. Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах (продовження):

к) емітерний повторювач на транзисторі VT1 виконує функцію неинвертирующего ключа зі зменшеною на 0.6 ... 0.7 В амплітудою вихідного сигналу. Резистор R2 закриває транзистор під час рестарту MK. Резистор R1 ставиться замість резистора R2, якщо потрібно, щоб навантаження в момент скидання була включена, а не виключена. Для підвищення швидкодії резистор R3 можна замінити перемичкою, при цьому опір навантаження RH і коефіцієнт передачі h2] 3 транзистора КП повинні бути досить великими, щоб струм бази не перевищував 20 ... 25 мА. З іншого боку, резистор R3 служить фільтром ВЧ-перешкод, які можуть ззовні проникати через колекторну ємність транзистора VT1 Крім того, резистор R3 захищає MK від високої напруги +9 В при пробої переходу «база - колектор» транзистора F77;

л) резистором R1 плавно регулюється напруга в навантаженні RH від 0 до 4.3 В. Струм емітера, а значить і струм навантаження, в першому наближенні в И2] Е разів більше струму бази транзистора VT1. Установкою НИЗЬКОЇ рівня на лінії MK навантаження можна гарантовано знеструмити. Амплітуда сигналу в навантаженні буде в тій же мірі залежати від температури навколишнього середовища, що і напруга ІБЕ транзистора VT1;

м) лінія MK має вихід з квазівідкриті стоком, поєднаним з входом АЦП. Струм через стабілітрон VD1 задається резистором R1. Коли транзистор VT1 відкритий, то напруга в навантаженні RH становить приблизно +3.2 В (залежить від розкиду порогового напруги стабілітрона VD1). За допомогою входу АЦП можна виміряти точне напруга на стабілітроні VD1 \ н) при ВИСОКОМУ рівні на лінії MK напруги на виходах # вих1> вих2 складають, відповідно, 4.3 і 1.25 В. При НИЗЬКОМУ рівні на лінії MK ці напруження дорівнюють нулю; о) ланцюжок R1, C1 згладжує перехідні процеси на фронтах сигналу управління; п) всередині мікросхеми DA1 знаходиться польовий транзистор з захисним діодом між висновками 2 і 3 (перехід «стік - витік»); Про

Про Рис. 2.67. Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах (закінчення):

p) робочий струм в навантаженні RH стабілізується мікросхемою DA 1 і розраховується за формулою / Н [А] = 1.25 / (2-j [OM] + Л3 [Ом]), де R2A - це опір між середнім і правим висновками резистора R2 після регулювання. Частота імпульсів з виходу MK може бути досить великий, аж до 1 МГц;

с) підключення IGBT-транзистора VT1 до MK через потужний драйвер на мікросхемі DA1. Резистор R1 обмежує амплітуду струму заряду вхідний ємності транзистора VT1;

т) транзистор VT1 включається за схемою із загальною базою, що дозволяє комутувати навантаження RH, з'єднану з джерелом негативної напруги. Резистор R1 задає робочий струм в навантаженні.

у) струм в навантаженні RH регулюється вручну змінним резистором R2. Існує також програмний спосіб регулювання через канал ШІМ MK і ЯС-фільтр R1, C1. Постійна напруга на конденсаторі C1 може використовуватися як опорна для інших вузлів.

Джерело: Рюмик, С. М., 1000 і одна мікроконтролерна схема. Вип. 2 / С. М. Рюмик. - М.: ЛР Додека-ХХ1, 2011. - 400 с .: іл. + CD. - (Серія «Програмовані системи»).