Приветствую всех подписчиков и гостей канала. Сегодня пойдет речь о самом, пожалуй, простом для понимания, но очень важном применении транзистора. При рассмотрении ключевой схемы работы транзистора будем использовать биполярный транзистор n -p -n структуры, как наиболее используемый в интегральных схемах и обладающий большим быстродействием, чем p -n -p .
Одной из важнейших схем включения транзистора является так называемая ключевая схема, то есть схема, при рассмотрении которой наиболее важными являются два состояния. “Включено”, когда ток от коллектора к эмиттеру максимален, потенциал коллектора близок к потенциалу общего провода, то есть ноля, соответственно на выходе имеем логический «0», и “выключено”, когда ток между коллектором и эмиттером очень мал и, следовательно, потенциал коллектора близок к напряжению источника питания. При таком состоянии схемы считается, что на выходе логическая «1».
На вход нашего транзисторного ключа подается также “логический” сигнал, то есть сигнал, принимающий два устойчивых состояния – «0», либо «1». Здесь сразу необходимо заметить, что ключевой каскад в данной схеме является инвертором, то есть Uвых =Uвх’. Условимся, что знаком “ ` “ здесь и далее будем обозначать операцию инверсии, таким образом запись вида Y =X` означает Y =”не X ”. То есть, при подаче на вход данной схемы высокого потенциала, или логической «1», на выходе получим низкий потенциал, или логический «0», а при подаче на вход низкого потенциала, на выходе получим логическую «1», т.е. потенциал, близкий к напряжению источника питания.
Простейшая схема ключевого каскада, работающего на резистивную нагрузку (Rк), приведена на рисунке. Предположим, что в качестве Rк у нас выступает, скажем, лампочка, а в качестве источника питания – источник напряжения +12 в. Тогда у нашего ключа, в зависимости от входного сигнала с амплитудой, скажем, 5 в, будет два состояния: “Включено”, когда Uвх=+5 в, транзистор насыщен и его Uкэ, оно же Uвых, близко к 0, через лампу течет ток Iк=Eк/Rк и она горит, и “выключено”, когда Uвх=0, транзистор “в отсечке”, через коллектор течет пренебрежимо малый ток утечки, то есть его Uкэ, или Uвых близко к Eк. В этом состоянии лампа не горит.
Зачем нужен такой ключ? Одно из применений, не самое главное, это управление мощной нагрузкой. Ведь для этого управления мы можем использовать управляющий сигнал амплитудой и 3,3 в, и еще меньше. Например, от микроконтроллера или другой интегральной микросхемы. Управлять при этом мы можем почти любой нагрузкой постоянного тока, зависящей только от параметров выбранного транзистора (максимальное напряжение коллектор-эмиттер, допустимая рассеиваемая мощность и др.). Особенно ценен данный способ управления нагрузкой там, где мощная нагрузка удалена от устройства управления. Нет необходимости далеко тянуть толстые кабеля, достаточно тонких слаботочных проводов. Соответственно, и помех, создаваемых при переключениях, будет значительно меньше.
Кроме того, ключевая схема является основой многих более сложных схем – триггеров, мультивибраторов, коммутаторов и других электронных схем, о которых речь пойдет в будущих статьях. Не будет преувеличением сказать, что вся цифровая электроника построена на ключах той или иной технологии.
Далее следуют основные моменты, которые необходимо учесть для разработки приведенной схемы. Из того факта, что потенциал коллектора бывает близок к напряжению источника питания следует, что Uкэмакс для применяемого транзистора должно быть больше напряжения источника, примененного в схеме. Также необходимо учесть, что максимальный ток коллектора Iкмакс выбираемого транзистора должен быть больше, чем Iк в нашей схеме. Rб выбирается таким, чтобы, с одной стороны, выполнялось неравенство Uin (1)/R б < Iбмакс выбранного транзистора, а с другой Uin (1)/Rб > I к/h21 для обеспечения режима насыщения транзистора. Здесь Uin (1) – входное напряжение логической единицы, h21 – коэффициент передачи транзистора по току для схемы с общим эмиттером. Кроме того, максимальная рассеиваемая мощность выбранного транзистора, приводимая в его документации, должна быть больше, чем мощность, рассеиваемая в полученной нами схеме. Ее можно посчитать, сложив мощность, рассеиваемую переходом база-эмиттер Pбэ=IбUб и мощность, рассеиваемую коллектором Pк=IкUк. Здесь Uб это не Uвх, а именно падение напряжения на переходе база-эмиттер, равное для кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В.
На этом сегодня все, в будущих статьях мы узнаем о применении транзисторных ключей при создании различных электронных устройств.