Как подобрать транзистор для ключа

Как подобрать транзистор для ключа

Начинающим />Практические советы />Расчёт транзисторного ключа

Расчёт транзисторного ключа

Для транзисторного ключа не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току.
Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток определяется по справочнику или datasheet на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле:

h_21э=I_к/I_б
I_к — ток колектора
I_б — ток базы
В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через лампу, а ток базы — это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (Iвых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107.
Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор. Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме
В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле:
UR1=U1-Uб=2,4В-0,7В=1,7В .
Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него:
R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом .
При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали, чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока
В схеме, приведённой на рисунке 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 3) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора.

Рисунок 3 – Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока Iко транзисторного ключа резистором.
В схеме, приведённой на рисунке 3, можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен:
IR2=4 мА/3 =1,3 мА .
Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В.
R2 = Uб/IR2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом
В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно, и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!

Транзисторы работающие как реле в ключевом режиме

Если нужно использовать транзистор в качестве «реле», то есть чтоб он или был полностью открыт, или полностью закрыт (не проводил ток совсем), лучше всего подключить его в конфигурации с общим эмиттером (если это биполярный транзистор) или с общим истоком, если используем полевой МОП-транзистор. В зависимости от того как требуется управлять нагрузкой и надо выбрать соответствующий транзистор:

• NPN (биполярный) или с каналом N-типа (MOSFET), если отрицательный кабель должен быть отключен, а положительный – подключен постоянно,
• PNP (биполярный) или с каналом P-типа (MOSFET), если положительный кабель должен быть отключен, а отрицательный подключен постоянно.

Все четыре варианта включения показаны на схемах ниже:

Чтобы включить такой транзистор, на его базу или затвор должно подаваться напряжение:

• выше, чем на эмиттер или исток (для транзисторов NPN или с каналом N)
• ниже, чем на эмиттер или исток (для транзисторов PNP или с каналом P).

Напряжение может поступать от микроконтроллера, оптрона или другой схемы управления, например компаратора. Вот как это делается на практике.

В случае биполярных транзисторов надо установить соответствующий высокий базовый ток. Только тогда транзистор может насыщаться и нормально функционировать как реле. А двухпозиционное транзисторное управление ограничит потери рассеиваемой мощности.

Если нужно использовать MOSFET, значение этого управляющего напряжения должно превышать пороговое напряжение UGSth транзистора в несколько раз. Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет ток, когда он полностью открыт. Для перезарядки пропускной способности затвора требуется протекание тока. Также обратите внимание на максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно составляет 12 – 20 В – подробности в даташите для данного транзистора. Превышение этого значения может привести к выходу из строя радиоэлемента.

Транзистор выключается путем приведения его напряжения база-эмиттер (или затвор-исток) к нулю. Самый простой способ сделать это – подключить управляющий вход к линии, к которой подключен эмиттер (или исток). Остерегайтесь PNP или P-канальных транзисторов – если схема управления запитана от напряжения ниже чем транзистор, его нельзя будет выключить. Тут необходимо использовать дополнительную схему управления или брать транзистор типа NPN (или с каналом N).

Резисторы R1 в каждом из решений отключают транзистор, когда управляющий сигнал не подан. Его сопротивление не критично, обычно принимают в пределах 10 – 100 кОм. Резисторы R2 ограничивают ток, протекающий через базы биполярных транзисторов, и их сопротивление можно рассчитать по формуле:

R2 = ((USTER – UBE) · bMIN) / (Icmax · k)

• Icmax – максимальный ток, который может потреблять нагрузка.
• bMIN – минимальное значение коэффициента усиления по току данного транзистора.
• USTER – базовое управляющее напряжение от цепи управления.
• UBE – напряжение в открытом состоянии база-эмиттер (около 0,7 В для обычных биполярных транзисторов, около 1,5 В для транзисторов Дарлингтона).
• k – коэффициент ограничения, определяющий степень насыщения транзистора. Предполагается, что должен быть 2 и более.

Резисторы R3 играют аналогичную роль – ограничивают ток затвора. Однако их значение не так критично, потому что они ограничивают ток только при переключении транзистора. Обычно можно использовать тоже 10 – 100 Ом.

Биполярный транзистор или полевой

Когда следует выбирать биполярный транзистор, а когда – полевой МОП-транзистор? В подавляющем большинстве устройств MOSFET победит – у него низкие потери мощности. Биполярный же транзистор стоит рассмотреть при низком управляющем напряжении (например, 1,8 В).

В схемах с биполярными транзисторами резисторы R1 подключались непосредственно рядом с управляющим выходом, а в случае полевых МОП-транзисторов – между затвором и истоком. В связи с этим они не принимают базовый ток биполярных транзисторов, необходимый для их надлежащего насыщения. С другой стороны, в случае полевых МОП-транзисторов резисторы R1 не оказывают такого большого влияния на их работу, потому что сопротивления R1 и R3 существенно различаются, R1 больше R3.

Далее приведены 4 примера управления Arduino нагрузкой, потребляющей ток до 0,5 А. Все питаются от 5 В.

Если данная нагрузка включает в себя катушку или двигатель, соответствующий защитный диод должен быть обязательно подключен параллельно к ней. Это защитит транзистор от повреждения во время его выключения при возникновении перенапряжения на индуктивности.

Управление полевым транзистором от микроконтроллера

При управлении полевыми МОП-транзисторами непосредственно с выхода микроконтроллера следует помнить о нескольких вещах: пороговое напряжение транзистора UGSth, входная емкость транзистора, уровень напряжения, если стоит P-канальный.

Резистор R2 (схема выше) удерживает транзистор закрытым при выключении микроконтроллера. Его сопротивление не критично, обычно его принимают в пределах 10 кОм – 100 кОм. С другой стороны, резистор R1 снижает ток потребляемый с выхода микроконтроллера, при изменении логического состояния. Точное значение определить сложно, поэтому оно может быть в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом. Схема для MOSFET-P будет работать только тогда, когда напряжение питания микроконтроллера и схемы, управляемой транзистором, одинаковы.

Для полного открытия полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвор-исток, в 2 – 3 раза превышающее пороговое напряжение. Если производитель указывает, что например у BUZ11, пороговое напряжение UGSth не более 4 В, то полное открытие произойдет при UGS = 8 – 12 В. Так что управление им с микроконтроллера на 5 В точно будет некорректным. Понадобится использовать транзистор с более низким пороговым напряжением, например IRLML0030, где максимальное UGSth = 2,3 В.

Входная емкость полевого МОП-транзистора составляет от нескольких сотен пикофарад до нескольких нанофарад. Выход микроконтроллера может проводить ток в несколько десятков миллиампер. Это означает, что время перезарядки затвора значительно. Например, току 20 мА требуется 1 мкс, чтобы перезарядить емкость 4 нФ на 5 В.

Ещё одна проблема возникнет только с транзисторами с каналом P-типа. Для их выключения необходимо довести напряжение затвор-исток до нуля, что предполагает уравнивание потенциала затвора с потенциалом истока. Следовательно, в такой схеме транзисторный исток может быть подключен к тому же напряжению, от которого запитан микроконтроллер, то есть 5 В. Управление транзистором (отключение) будет некорректным, если напряжение затвор-исток слишком сильно отличается от нуля.

Так что если: транзистор с высоким пороговым напряжением UGSth должен быть активирован, напряжение питания микроконтроллера очень низкое (например 1,8 В), сигнал ШИМ имеет высокую частоту, или транзистор с каналом P подключен к гораздо более высокому напряжение (например, 24 В), тогда необходимо использовать драйвер MOSFET. На рынке есть множество таких типов микросхем. Они обеспечат соответствующую скорость переключения и регулируют уровни напряжения. Пример – TC4426. Он работает с напряжением до 18 В и хорошо поддерживает выходы микроконтроллеров даже от 3,3 В.

Как подобрать транзистор для ключа

Из-за того, что в открытом состоянии транзистор имеет очень малое сопротивление сток-исток, падение напряжения на нём мало. Именно поэтому имеет значение в какое «плечо» включать нагрузку. Например, для открытия полевого транзистора N-типа на затвор нужно подать положительное напряжение относительно истока. Рассмотрим случай, когда нагрузка включена в цепь истока (в нижнее плечо). Напряжение на истоке в таком случае будет равно:

Здесь R_отк. это сопротивление открытого транзистора. Так как данное сопротивление мало (десятки-сотни миллиом), если притянуть затвор к питанию, разница напряжений между затвором и истоком будет недостаточна для полного открытия транзистора даже при большом токе. Данное ограничение можно обойти используя разные источники для питания нагрузки и для управления затвором, но нужно чётко понимать как это работает.

• На биполярных транзисторах соорудить цепочку, подающую питание с высоковольтной цепи на затвор.
• Применить специальную микросхему-драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117. Надо только не забывать, что есть драйверы как верхнего так и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и коммутирующего транзистора. Для того, чтобы поддерживать N-канальный транзистор открытым в верхнем плече, ему на затвор нужно подать напряжение выше напряжения истока, а с учётом малого падения на самом транзисторе, получается что это выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Этим и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

Как подобрать транзистор для ключа

Но это так, в общем.

• Ограничивать ток там, где большой ток опасен или не нужен
• Ограничивать напряжение там, где оно может выйти за допустимые для какой-либо детальки пределы
• Подавлять резонансные явления там, где они делают работу схемы менее устойчивой (поэтому иногда ставят конденсаторы по питанию)
• Все токи и напряжения рассчитывать с запасом, чтобы они не выходили за пределы допустимых для каждой детали в схеме
• Стараться делать устройства экономичными в плане энергопотребления настолько, насколько это возможно. Это означает, что нужно стараться выбирать токи минимальными, но достаточными для работы с учетом всех факторов (изменяющейся температуры, производственного разброса параметров деталей)

Макс. ток без радиатора 1500мА. Это меньше наших 900 мА. Подходит.
Макс. мощность без радиатора 1 Вт. У нас 0.7В * 0.9А = 0.63 Вт. Подходит, радиатор ставить не нужно.

КТ814А имеет минимальный коэффициент передачи тока h21э, который равен 40. Человеческим языком это значит, что транзистор будет без потерь пропускать через эммиттер-коллектор ток 900 мА при управляющем токе эмиттер-база 900 мА / 40 = 23 мА. Отсюда можно рассчитать R2. R2 = U / I = (12 В — 0.8 В) / 0.023 А = 486 Ом. Добавляем 30% безопасности (чтобы схема работала при всех температурах и при разных деталях). R2 = 486 Ом — (486 Ом * 0.3) = 340 Ом. Ближайший стандартный номинал R2 = 330 Ом. R1 выбирается так, чтобы обеспечить запирание транзистора VT2 при закрытом VT1. Поскольку транзисторы кремневые, то для надежного запирания можно взять R1 = 4.7 кОм. Здесь нужно понимать, что номинал R1 я взял с потолка, так как знаю, что кремневые транзисторы устойчиво запираются при малых токах утечки с базы на эмиттер.

Идем дальше. VT1 должен обеспечивать ток коллектора как минимум 23 мА. На эту роль прекрасно подойдет, например, КТ315Г (http://www.chipinfo.ru/dsheets/transistors/1315.html). Его минимальный обеспечиваемый коэффициент передачи тока h21э = 50. Значит, минимальный и достаточный ток базы равен 23 мА / 50 = 0.46 мА. Поскольку управление цифровое +5В, то значит нужно выбрать порог устойчивого включения схемы. Для цифровых схем это обычно 5В / 2 = 2.5В. Зная это рассчитаем R3 по закону Ома, не забывая учесть подение 0.7В на переходе база-эмиттер. R3 = (2.5 В — 0.7 В) / 0.00046 А = 3913 Ом = 3.9 кОм. Не забываем о 30% надбавке на надежность. R3 = 3.9 кОм * (1 — 0.3) = 2.7 кОм. Получили R3 = 2.7 кОм.

На этом все. Получили устойчивую схему с почти максимальным КПД и почти минимальной стоимости.