Термин «твердотельный переключатель» относится к переключателю, который не имеет движущихся частей. Транзисторы хорошо подходят для использования в качестве переключателей, поскольку их можно включать с помощью тока базы или напряжения на затворе, создавая путь с низким сопротивлением (переключатель включен), или выключать, убирая ток базы или напряжение на затворе, создавая высокое сопротивление (переключатель выключен). Они получили широкое распространение, так как являются маленькими, бесшумными, недорогими, надежными, способными работать на высокой скорости, простыми в управлении и относительно эффективными.
На рисунке 5-47 показано типичное применение. Это компьютерный контроллер зарядного устройства для аккумуляторов. Он используется для определения состояния перезаряжаемых батарей. Устройство автоматически циклически заряжает и разряжает аккумулятор, одновременно отслеживая напряжение батареи и её температуру. Современные перезаряжаемые батареи часто дороги. Многие из них требуют специальных методов зарядки для максимального срока службы.
Транзистор Q2 на рисунке 5-47 включается, когда компьютер подает сигнал на блок управления зарядом/разрядом, чтобы смещать переход база-эмиттер в прямом направлении. В типичной схеме к резистору базы сопротивлением 1 кОм может быть приложено напряжение около +5 В. При использовании транзистора в качестве переключателя, транзистор либо выключен, либо включен «на полную». Другими словами, когда он включен, от коллектора до эмиттера должно падать очень небольшое напряжение. Когда транзистор включен «на полную», говорят, что он находится в состоянии насыщения. Таким образом, на рисунке 5-47, когда Q2 включен, только резистор сопротивлением 10 Ом ограничивает ток разряда. Мы можем использовать закон Ома, чтобы найти ток разряда:
Давайте оценим ток базы Q2, предполагая, что NPN-транзистор Дарлингтона имеет коэффициент усиления по току β=1000:
Предполагая, что схема управления зарядом/разрядом выдает сигнал 5 В, мы можем рассчитать значение резистора базы Q2:
Использование этого значения базового резистора привело бы к мягкому насыщению. Схемы переключения используют жесткое насыщение. Резистор базы сопротивлением 1 кОм гарантирует, что транзистор будет работать в режиме насыщения, даже если используется транзистор с меньшим коэффициентом усиления. Резистор базы сопротивлением 4,7 кОм привел бы к мягкому насыщению, и в этом случае транзистор с низким коэффициентом усиления не достигнет насыщения. Мягкое насыщение не используется в силовых коммутационных схемах, поскольку напряжение на нагрузке и ток нагрузки могут быть ниже нормы, а коммутирующий транзистор может сильно нагреваться. Когда переключающий транзистор включен, но не находится в режиме насыщения, напряжение на нем падает на несколько вольт, и рассеиваемая мощность в транзисторе станет аномально высокой. Вспомните, что:
В насыщенном транзисторе Vсе очень низкое, что обеспечивает низкое рассеивание мощности на коллекторе и высокую эффективность схемы даже при больших значениях тока коллектора. Совет для поиска неисправностей: иногда выход из строя коммутирующих транзисторов можно объяснить недостаточным управляющим током или напряжением. Когда Q2 включен на рисунке 5-47, Q1 должен быть выключен, поскольку одновременно зарядка и разрядка невозможны. Компьютер изменит состояние, когда придет время заряжать аккумулятор. Для зарядки Q1 должен быть включен, чтобы источник питания 20 В был эффективно подключен к батарее через резистор 40 Ом. Q1 будет включен «на полную», поэтому, как и ранее, ток можно рассчитать, рассматривая транзистор как замкнутый переключатель. Однако на этот раз напряжение батареи должно быть вычтено из напряжения источника:
Компьютер через схему управления зарядом/разрядом включает Q3, когда приходит время заряжать аккумулятор. Когда Q3 включен, ток базы течет через резистор 1 кОм в базу PNP-транзистора Дарлингтона, что приводит к его включению. Как обсуждалось ранее, и Q3, и PNP-транзистор теперь находятся в режиме жесткого насыщения. Когда Q3 выключен, пути для тока базы нет, поэтому PNP-транзистор также выключен, и ток зарядки батареи не течет. Совет для поиска неисправностей: на рисунке 5-47 выходы схемы управления зарядом/разрядом должны быть либо 5 В, либо 0 В, но никогда одновременно оба 5 В.
Рисунок 5-48 представляет собой контроллер "автоматического включения света при ослаблении внешнего освещения" без механического реле или фототранзистора. Эта схема использует светозависимый резистор (LDR) в качестве датчика вместе с двумя транзисторами, которые действуют как переключатели. LDR (R6) изготовлен из материала, который лучше проводит ток при воздействии света. Когда восходит солнце, Q2 включается, и его напряжение на коллекторе падает до некоторого низкого значения, как и напряжение на затворе Q1. Нагрузка теперь выключена (свет выключается на рассвете). Когда наступает темнота, сопротивление R6 увеличивается, и Q2 выключается. Когда Q2 выключен, напряжение на его коллекторе становится высоким, как и напряжение на затворе Q1, что включает его; нагрузка теперь включена (свет включается в сумерках).
Схема на рисунке 5-48 проста, но имеет дополнительную функцию, называемую гистерезисом, которая иногда необходима для управления включением и выключением. Гистерезис можно определить как наличие двух пороговых точек срабатывания. Резистор R1 обеспечивает положительную обратную связь от стока Q1 (выход) к базе Q2 (вход), и это является основой для двух порогов срабатывания. Увеличение напряжения на базе Q2 в положительном направлении также увеличивает напряжение на стоке Q1 в положительном направлении. Когда выходной сигнал подается обратно на вход таким образом, что усиливает любое изменение, такая обратная связь называется положительной. Схемы с положительной обратной связью обладают гистерезисом.
Зачем используется гистерезис? В контроллере без него часто возникает "дребезг". Дребезг — это звук, который иногда издают реле. Хотя реле сейчас используются реже, термин "дребезг" сохранился. Что может произойти в схеме на рисунке 5-48, если нет физического реле, которое могло бы "дребезжать"? На рассвете и в сумерках схема может войти в режим, при котором нагрузка (свет, управляемый этой схемой) будет мигать или работать тускло. Дребезг был плохим явлением в реле, потому что он иногда повреждал контактные точки и вызывал раздражение. Кроме того, может быть трудно предотвратить попадание выходного сигнала контроллера "от сумерек до рассвета" (света) на датчик, что может привести к колебаниям. Дребезг — это колебания.
Как работал бы термостат в здании с кондиционером без гистерезиса? Возникли бы проблемы. Когда достигается заданная температура, кондиционер должен выключиться, и он выключится, если все работает нормально. Однако даже самое незначительное возмущение (например, кто-то проходит мимо или шум попадает в схему цепи, или ветер создает теплый поток воздуха), это вызовет потребность в охлаждении, и компрессор попытается снова запуститься. Это плохо! Компрессоры не любят немедленного перезапуска.
На рисунке 5-49 показан еще один контроллер включения/выключения, но этот управляется кнопкой. Q2 и Q3 образуют защелку (триггер). Когда защелка выключена, она остается выключенной до тех пор, пока какое-либо событие не активирует её. В данном случае событие инициируется нажатием кнопки S1. Это приводит к разряду конденсатора C1 на базу Q2. Q2 включается, и ток начинает течь через R1 и R2. Ток через R1 создает напряжение на переходе база-эмиттер Q3, и он также включается. Когда Q3 включен, Q2 остается включенным даже после того, как кнопка S1 отпущена. Q2 и Q3 теперь находятся в состоянии защелкивания. Нагрузка выключена, потому что напряжение на затворе Q4 находится на низком уровне. Q1 также включен, и C1 разряжается через R7. После разрядки конденсатора схема готова к следующему нажатию кнопки S1, которое включит нагрузку.
При втором нажатии кнопки на базовую цепь Q2 подается ноль вольт (поскольку C1 в данный момент разряжен), что выключает Q2. Когда Q2 выключен, R1 и R2 подтягивают напряжение на затворе Q4, и он включается, активируя нагрузку. Q1 теперь выключен, поэтому C1 может снова зарядиться, что делает схему готовой к следующему циклу, который снова включит Q2 при повторном нажатии кнопки. Схемы такого типа сейчас распространены и заменили тумблеры, кнопочные и ползунковые переключатели во многих устройствах и приборах.
На рисунке 5-50 показано еще одно применение транзисторных переключателей. Шаговые двигатели могут использоваться в приложениях, где требуется точный контроль скорости и положения. Такие применения включают жесткие диски компьютеров, числовое программное управление (автоматизированные токарные и фрезерные станки), а также автоматизированные линии сборки поверхностного монтажа. Вал шагового двигателя перемещается определенными шагами, например, по 1, 2 или 5 градусов за шаг. Если двигатель имеет шаг в 1 градус, то 180 импульсов повернут вал ровно на пол-оборота. Как показано на рисунке 5-50(b), для этого конкретного двигателя требуются четыре группы импульсов.
Компьютер или микропроцессор отправляет точно синхронизированные сигналы на коммутирующие транзисторы для управления четырьмя выводами двигателя: W, X, Y и Z на рисунке 5-50(a). Управляющие сигналы показаны как фазы A, B, C и D на рисунке 5-50(b); обратите внимание, что они прямоугольные. Это типично, когда транзисторы используются в качестве переключателей. Они либо включены, либо выключены (высокий или низкий уровень). На рисунке 5-50(d) показано, что силовые MOSFET-транзисторы также могут использоваться для управления шаговыми двигателями.
Двигатели представляют собой индуктивные нагрузки. При их выключении возникает большое противо-ЭДС (CEMF). Обратите внимание на защитные диоды на рисунке 5-50(a). Они могут быть отдельными диодами или встроенными в транзистор, как было показано ранее (интегральные диоды корпуса). Когда транзистор выключается, противо-ЭДС на соответствующей обмотке двигателя включает диод. Без этого диода сток коммутирующего транзистора мог бы выйти из строя из-за высокого напряжения, и транзистор был бы поврежден.