Тема №7. Ключові елементи на біполярних і уніполярних транзисторах

У цифрових пристроях термін ключ означає формувач одного із двох можливих логічних рівней і із загальновживаним терміном, його пов’язує зміна внутрішнього опору активного пристрою в нелінійній схемі. Схемна реалізація ключів значно залежить від типу (і технології) активного елементу, який використовується в основі схеми. У цьому плані існують базові схемні конфігурації на основі біполярних і МДН транзисторах. Логічні елементи, побудовані з використанням концепції перемикачів струму, до цього часу залишаються найшвидкодіючими логічними елементами.

Ключ, зібраний на транзисторі, називається транзисторним ключем. Транзисторний ключ виконує тільки дві операції: вмикати і вимикати, проміжний режим між "включено" і "вимкнено" ми будемо розглядати в наступних розділах. Електромагнітне реле виконує ту ж саму функцію, але його швидкість перемикання дуже повільна з точки зору сучасної електроніки, та й комутуючі контакти швидко зношуються.

 Що з себе являє транзисторний ключ? Давайте розглянемо його ближче:

Знайома схемка чи не так? Тут все елементарно і просто Подаємо на базу напругу необхідного номіналу і у нас починає текти струм через ланцюг від плюсової клеми + Bat2-> лампочка-> колектор> еміттер-> до мінусової клеми Bat2. Напруга на Bat2 має дорівнювати робочій напрузі харчування лампочки. Якщо все так, то лампочка випромінює світло. Замість лампочки може бути будь-яка інша навантаження. Резистор "R" тут потрібно для того, щоб обмежити значення керуючого струму на базі транзистора. Про нього більш детально я писав ще в цій статті.

Умови для роботи транзисторного ключа

Отже, давайте згадаємо, які вимоги повинні бути, щоб повністю "відкрити" транзистор? Читаємо статтю принцип посилення біполярного транзистора і згадуємо:

1) Для того, щоб повністю відкрити транзистор, напруга база-емітер має бути більше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила струму, що тече через базу повинна бути такою, щоб електричний струм міг текти через колектор-емітер абсолютно безперешкодно. В ідеалі, опір через колектор-емітер має стати рівним нулю, в реалі ж воно матиме частки Ома. Такий режим називається "режимом насичення".

Цей малюнок - уяву мого розуму. Тут я намалював той самий режим насичення.

Як ми бачимо, колектор і емітер в режимі насичення з'єднуються накоротко, тому лампочка горить на всю міць.

Базова схема транзисторного ключа

А що тепер треба зробити, щоб лампочка взагалі не горіла? Відключити її ручками? Навіщо? Адже у нас є керований резистор: колектор-емітер, опір якого ми можемо змінювати, проганяючи через базу певну силу струму Отже, що потрібно для того, щоб лампочка взагалі перестала горіти? Можливі два способи:

Перший спосіб. Повністю відключити живлення від резистора бази, як на малюнку нижче

В реальності висновок бази є свого роду маленькою антеною, яка може приймати різні наводки і перешкоди з навколишнього простору. Від цих наведень в базі може почати текти струм малого номіналу. А як ви пам'ятаєте, для того, щоб відкрити транзистор багато і не треба. І може навіть трапиться так, що лампочка буде навіть дуже тихенько світиться!

Як же вийти з цієї ситуації? Так дуже легко! Досить поставити резистор між базою і емітером, тобто зробити так, щоб при відключенні напруги, на базі напруга була дорівнює нулю. А який висновок транзистора у нас знаходиться під нулем? Емітер! Тобто науковою мовою, ми повинні зробити так, щоб потенціал на базі дорівнював потенціалу на емітер

І що, тепер кожен раз при відключенні заземлювати базу? В ідеалі - так. Але є більш хитре рішення Досить поставити резистор між базою і емітером. Його номінал в основному беруть приблизно в 10 разів вище, ніж номінал базового резистора.

Так як в схемі з'явився ще один резистор, то базовий резистор назвемо RБ, а резистор між базою і емітером Не будемо вигадувати і назвемо RБЕ. Схема прийме ось такий вигляд:

Як же поводиться резистор RБЕ в схемі? Якщо ключ S замкнутий, то цей резистор не робить ніякого впливу на роботу схеми, так як через нього протікає і без того мала сила струму, яка управляє базою. Ну а якщо ключ S розімкнений, то, як я вже сказав, потенціал на базі буде дорівнювати потенціалу емітера, тобто нулю.

Другий спосіб. Домогтися того, щоб UБЕ <0,6 Вольт або щоб струм бази IБ = 0. Цей спосіб найчастіше використовується в МК і інших логічних схемах.

Що в першому, що в другому випадку транзистор у нас не пропускає струм через колектор-емітер. У цьому випадку говорять, що транзистор знаходиться в режимі "відсічення".

Розрахунок транзисторного ключа

Як же розрахувати приблизно значення резистора бази? Є нехитрі формули. Для того, щоб їх розібрати, розглянемо ось таку схемку:

 

Для початку можна зайти струм бази:

де

IБ - це базовий струм, в Амперах

kНАС - коефіцієнт насичення. В основному беруть в діапазоні від 2-5. Він уже залежить від того, наскільки глибоко ви хочете загнати ваш транзистор в насичення. Чим більше коефіцієнт, тим більше режим насичення.

IK - колекторний струм, в Амперах

β - коефіцієнт посилення струму транзистора

Ну а далі справа за малим

 

Це найбільш простий розрахунок.