Транзисторни превключватели: верига, принцип на работа и функции

Микроконтролерите могат да се използват за управление на мощни устройства - лампи с нажежаема жичка, нагреватели, дори електрически задвижвания. За целта се използват транзисторни превключватели - устройства за превключване на веригата. Това са универсални устройства, които могат да се използват буквално във всяка област на дейност - както в ежедневието, така и в автомобилната техника.

Какво представлява електронният ключ?

Ключът е, ако е опростен, обикновен превключвател. С нея електрическата верига се затваря и отваря. в биполярен транзистор Има три извода:

1. Collector.
2. Емитер.
3. Base.

Електронните ключове са изградени върху биполярни полупроводници - дизайнът е прост, не изисква голям брой елементи. С помощта на ключа, веригата се затваря и отваря. Това се случва с контролен сигнал (който произвежда микроконтролер), който се подава към основата на транзистора.

Превключване на товара

Прости вериги на транзисторни превключватели могат да се използват за превключване на токове в диапазона от 0,15 ... 14 A, напрежения от 50 ... 500 V. Всичко зависи от специфичния тип транзистор. Ключът може да превключва натоварване от 5-7 kW с помощта на контролен сигнал, чиято мощност не надвишава стотици миливатта.

Вместо транзисторни превключватели могат да се използват обикновени електромагнитни релета. Те имат достойнство - по време на работа няма нагряване. Но честотата на цикли на включване и изключване е ограничена, така че ги използвайте в инвертори или импулсни захранвания да се създаде синусоида от тях е невъзможно. Но като цяло, принципът на действие на ключ на полупроводниковия транзистор и електромагнитно реле е същото.

Електромагнитно реле

Релето е електромагнит, който контролира група контакти. Можете да направите аналогия с конвенционален бутон. Само в случай на реле, силата се взема не от ръката, а от магнитното поле, което се намира около възбуждащата бобина. Контактите могат да превключват много голям товар - всичко зависи от вида на електромагнитното реле. Тези устройства са много популярни в автомобилната технология - те се използват за включване на всички мощни потребители на електроенергия.

Това ви позволява да разделите цялото електрическо оборудване на автомобила на захранващ блок и контрол. Консумацията на ток на възбуждащата намотка на релето е много малка. А силовите контакти имат отлагане на скъпоценни или полу-благородни метали, което елиминира вероятността за дъга. Вместо релета могат да се използват 12 волта транзисторни превключватели. В същото време функционалността на устройството се подобрява - включването е безшумно, контактите не се натискат.

Щифтове на електромагнитното реле

Обикновено има 5 щифта в електромагнитни релета:

1. Два контакта за управление. Възбуждащата намотка е свързана с тях.
2. Три контакта, предназначени за превключване. Един общ контакт, който е нормално затворен и нормално отворен с другите.

В зависимост от това коя комутационна верига се използва, се използват контактни групи. Транзисторният превключвател за полеви ефект има 3-4 контакта, но операцията е същата приблизително по същия начин.

Как работи електромагнитното реле

Принципът на работа на електромагнитното реле е съвсем прост:

1. Намотката чрез бутона се свързва към захранването.
2. В пропастта електрическа верига Включени са консумативи за мощност.
3. Когато бутонът е натиснат, намотката се захранва, пластината се привлича и контактната група се затваря.
4. Токът се доставя на потребителя.

Приблизително по същия начин работят транзисторни превключватели - има не само група от контакти. Функциите им се изпълняват от полупроводникови кристали.

Транзисторна проводимост

Един от режимите на работа на транзистора - ключът. Всъщност той служи като превключвател. Няма смисъл да се докосвате до схемите на усилвателните етапи, те не принадлежат към този режим на работа. Полупроводниковите триоди се използват във всички видове устройства - в автомобилната техника, в ежедневието, в промишлеността. Всички биполярни транзистори могат да имат този тип проводимост:

1. PNP.
2. NPN.

Първият тип включва полупроводници, изработени на базата на германий. Тези елементи са широко разпространени преди повече от половин век. Малко по-късно, като активен елемент, те започнаха да използват силиций, чиято обратна проводимост - npn.

Принципът на работа на устройствата е един и същ, те се различават само по полярността на захранващото напрежение, както и в отделните параметри. Популярността на силиконовите полупроводници в момента е по-висока, те са почти изцяло изместен германий. И повечето от устройствата, включително транзисторни превключватели, са направени на биполярни силициеви клетки с проводимост npn.

Режим на транзисторен ключ

Транзисторът в режим ключ изпълнява същите функции като електромагнитно реле или превключвател. Контролният ток протича, както следва:

1. От микроконтролера през прехода "base - emitter".
2. В този случай се отваря каналът "колектор - емитер".
3. Чрез канала "колектор - емитер" можете да пропуснете тока, чиято стойност е стотици пъти повече от базата.

Особеността на транзисторните превключватели е, че честотата на превключване е много по-висока от тази на релето. Полупроводниковият кристал може да направи хиляди преходи от отворени към затворени и обратно в една секунда. Така скоростта на превключване на най-простите биполярни транзистори е около 1 милион пъти в секунда. Поради тази причина транзисторите се използват в инвертори за създаване на синусоида.

Принцип на работа на транзистора

Елементът работи точно като в режим на усилвател. В действителност към входа се прилага малък контролен ток, който се усилва няколкостотин пъти поради факта, че съпротивлението между излъчвателя и колектора се променя. Освен това, това съпротивление зависи от количеството ток, протичащ между излъчвателя и основата.

В зависимост от вида на транзистора варира pinout. Ето защо, ако трябва да определите заключенията на елемента, трябва да се обърнете към директорията или таблицата с данни. Ако не можете да се обърнете към литературата, можете да използвате референцията, за да определите констатациите. Има и функция с транзистори - те може да не са напълно отворени. Релета, например, могат да бъдат в две състояния - затворени и отворени. Но при транзистора съпротивлението на канала "емитер - колектор" може да варира в широки граници.

Пример за транзистор в режим ключ

Gain - това е една от основните характеристики на транзистора. Именно този параметър показва колко пъти токът, протичащ през канала на емитер-колектор, е по-висок от базовия ток. Да предположим, че коефициентът е равен на 100 (този параметър е обозначен с h _21E ). Това означава, че ако се приложи ток от 1 mA към управляващата верига (базов ток), тогава той ще бъде 100 mA при възела "колектор-емитер". Следователно, имаше увеличение на входящия ток (сигнал).

По време на работа транзисторът се загрява, така че се нуждае от пасивно или активно охлаждане - радиатори и охладители. Но нагряването се случва само когато проходът на „колектор-емитер“ не се отваря напълно. В този случай повече енергия се разсейва - тя трябва да бъде поставена някъде, трябва да се жертва ефективността и да се освободи под формата на топлина. Отоплението ще бъде минимално само в случаите, когато транзисторът е затворен или отворен напълно.

Режим на насищане

Всички транзистори имат определена прагова токова входна стойност. Веднага след като се достигне тази стойност, печалбата престава да играе голяма роля. В този случай изходният ток изобщо не се променя. Напрежението на контакта "база - емитер" може да бъде по-високо, отколкото между колектора и излъчвателя. Това е състоянието на насищане, транзисторът се отваря напълно. Клавишният режим показва, че транзисторът работи в два режима - или е напълно отворен или затворен. Когато захранването на управляващия ток е напълно блокирано, транзисторът се затваря и няма токови потоци.

Практически проекти

Има много практически схеми за използване на транзистори в ключовия режим. Често те се използват за включване и изключване на светодиодите за създаване на специални ефекти. Принципът на работа на транзисторните превключватели позволява не само да се произвеждат "играчки", но и да се реализират сложни контролни схеми. Но е необходимо да се използват резистори в проектите за ограничаване на тока (те се инсталират между източника на управляващия сигнал и основата на транзистора). Но източникът на сигнал може да бъде всичко - сензор, бутон, микроконтролер и др.

Работа с микроконтролери

При изчисляване на транзисторния превключвател трябва да вземете под внимание всички характеристики на елемента. За да може системата за управление да работи на микроконтролера, се използват усилващи каскади на транзистори. Проблемът е, че изходният сигнал на контролера е много слаб, не е достатъчно да включите захранването на намотката на електромагнитното реле (или да отворите прехода на много мощен превключвател). По-добре е да се използва биполярен транзисторен ключ, който контролира MOSFET елемента.

Прилагат се простите конструкции, състоящи се от такива елементи:

1. Биполярният транзистор.
2. Резистор за ограничаване на входния ток.
3. Полупроводникови диоди.
4. Електромагнитно реле.
5. Захранване 12 волта.

Диодът е инсталиран успоредно на бобината на релето, необходимо е да се предотврати разпадането на транзистора с висок импулс на ЕМП, който се появява, когато намотката е изключена.

Контролният сигнал се произвежда от микроконтролера, влиза в основата на транзистора и се усилва. Когато това се случи, мощността се подава към намотката на електромагнитното реле - отваря се каналът "колектор-емитер". Когато захранващите контакти са затворени, товарът се включва. Контролът на транзисторния ключ се осъществява в напълно автоматичен режим - човешкото участие на практика не се изисква. Основното нещо е да програмирате правилно микроконтролера и да свържете сензори, бутони, задвижващи устройства към него.

Използването на транзистори в дизайна

Необходимо е да се проучат всички изисквания за полупроводници, които ще се използват в строителството. Ако планирате да контролирате навиването на електромагнитно реле, тогава трябва да обърнете внимание на неговата мощност. Ако е висока, тогава използването на миниатюрни транзистори като KT315 е малко вероятно да работи: те няма да могат да осигурят тока, необходим за захранване на намотката. Затова в енергетиката се препоръчва да се използва мощно полеви транзистори или монтаж. Техният входен ток е много малък, но печалбата е голяма.

Не е необходимо да се използват мощни релета за превключване на ниски товари: това е неразумно. Уверете се, че използвате висококачествени източници на енергия, опитайте се да изберете напрежението, така че релето да работи в нормален режим. Ако напрежението е твърде ниско, контактите няма да бъдат привлечени и включването няма да се случи: магнитното поле ще бъде малко. Но ако използвате източник с голямо напрежение, навиването ще започне да се затопля, а може би дори ще се провали.

Не забравяйте да използвате транзистори с ниска и средна мощност като буфери, когато работите с микроконтролери, ако трябва да включите мощни товари. Като енергийни устройства е по-добре да се използват MOSFET елементи. Връзката с микроконтролера е същата като тази на биполярния елемент, но има някои малки разлики. Работата на транзисторен превключвател с MOSFET транзистори е същата като при биполярни: съпротивлението на кръстовището може да се промени гладко, пренасяйки елемента от отвореното към затвореното състояние и обратно.