Транзистор – це основний активний елемент в електронній техніці «Активний», оскільки з його допомогою можна підсилювати сигнал по потужності Для порівняння, трансформатор теж може збільшувати амплітуду сигналу, але тільки по напрузі або по струму, потужність завжди буде втрачатися Отже, трансформатори (а також, резистори, конденсатори, індуктивності, діоди, кварцові резонатори, гучномовці, реле) відносяться до пасивних ЕРІ

У цифрових схемах транзистор, як правило, виконує функцію електронного ключа, що має два стійких стани: «відкрито» і «закрито» Іншими словами, струм через колектор транзистора або протікає, або не протікає Дане положення в рівній мірі відноситься до біполярним транзисторам структури п-р-п і р-п-р

Перші транзистори зявилися в 1947 р Їх винахідники, фізики У Браттейн, УШоклі і ДБардін, напевно, і не підозрювали, яку користь транзистори нададуть людству в майбутньому Сучасні експериментальні транзистори мають надмалі розміри і унікальні параметри Рахунок вже йде на електрони і терагерц Зокрема, розроблено так званий «одноелектронний» транзистор, а також транзистори на нанотрубках і графенових структурах, що дозволяють підсилювати сигнал з частотою 1 .. 6 ТГц

При використанні біполярних транзисторів треба враховувати особливості їх роботи в ключовому режимі:

• струм бази транзистора повинен бути достатньо великим, щоб ключ відкривався при будь-якому коефіцієнті передачі h2(Його технологічний розкид становить 2 .. 4 рази), у всьому діапазоні температур і напруг

• струм бази транзистора повинен бути досить малим, щоб усунути ефект глибокого насичення і не знижувати швидкодію ключа

• напруга «база – емітер» відкритого транзистора залежить від його потужності, температури, коефіцієнта передачі і базового струму Для малопотужних кремнієвих» ключів орієнтовно приймають Ub3 = 06 .. 07 В (в одних джерелах округлено пишуть 06 В, в інших 07 В)

• струм колектора /до і струм бази /Б транзистора повязані наближеною формулою /до = Л21Е /Б Якщо /Б = 1 мА, ї21Е = 100, то /до = 100 мА Коли навантажувальний опір в колекторі занадто велике, то воно не може «вмістити» в себе весь струм 100 мА, а пропустить тільки частина його, наприклад, 50 мА Однак струм бази залишиться колишнім як при 50 мА, так і при 100 мА в колекторі У цьому випадку говорять, що транзистор увійшов до насичення з коефіцієнтом Кн = 2, тобто / Кмах / к = 100/50 Чим більше Доі, Тим повніше відкривається транзистор, але тим нижче його швидкодія

• робочі напруги і струми повинні бути менше гранично допустимих за даташіту з «військовим» коефіцієнтом запасу 07..08  

Доброю поблажкою в аматорських конструкціях є можливість індивідуального підстроювання робочої точки транзисторного ключа оточуючими його резисторами Можна також вибрати один кращий транзистор з декількох однотипних за оптимальною налаштуванні якого параметра Однак те, що допускається в одиничному аматорському виробництві, буде великим мінусом в промислової серії, де кожна зайва регулювальна операція забирає час, збільшує вартість і знижує технологічність Саме тому діючими галузевими стандартами забороняється необгрунтована заміна однакових ЕРІ, крім тих випадків, коли елемент спеціально призначений для регулювання і відзначений на схемі «зірочкою», наприклад, R1 *

Біполярні транзисторні ключі служать в основному для комутації високовольтних і низькоомних навантажень (Мал 267, a .. y), Транзистор захищає MK від перевантажень та аварійних ситуацій як при роботі, так і при налагодженні пристрою

Рис 267 Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах

(Початок):

а) найпростіший ключ на транзисторі VT1 з інверсією сигналу Тип транзистора вибирається залежно від напруги джерела живлення і потужності навантаження RH При значній індуктивної складової RH ставлять діоди VD1, VD2 (або тільки VD1), що захищають транзистор від викидів негативної напруги і знижують перешкоди у мережі живлення Резистор R1 задає коефіцієнт насичення транзисторного ключа з розрахунку Дон = 11..2

б) для зменшення паразитної монтажної ємності між базою транзистора VT1 і лінією MK використовуються два послідовних резистора R1, R2 Це допомагає для зменшення так званих «наносекундних» імпульсних перешкод, що виникають при перемиканні високовольтних або потужних навантажень Поява «наносекундних» перешкод заздалегідь передбачити складно, тому потреба в двох базових резисторах визначається експериментально

в) резистор R3 ставлять, щоб транзистор VT1 був надійно закритий при перекладі лінії MK в Z-стан Це відбувається кожного разу при рестарт MK, а також при початковій подачі живлення або при помилках в програмі, коли вихід випадково настроюється як вхід Зазвичай ставлення опорів R2: R3 вибирають 1:2 .. 1:10, але для збільшення швидкодії можна прийняти 1:1 або навіть 2:1 Як наслідок, знижується Дон, Швидше розряджається вхідна ємність, але може знадобитися підбір транзистора за коефіцієнтом передачі Л21Е Резистор R1 позначений пунктиром Його ставлять замість резистора R3, але не часто, оскільки збільшується витрата енергії і неможливо регулювати робочу точку транзистора З іншого боку, схема стає універсальної як для біполярних, так і для польових транзисторів Резистори R1, R3 не обовязкові в таких випадках: при роботі у вузькому температурному діапазоні (кімнатній температурі), при низкоомной навантаженні в колекторі транзистора K77, при відсутності перешкод, при низькому зворотному струмі /КБ0, Що характерно для сучасних кремнієвих транзисторів Про

Про Рис 267 Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах (продовження):

г) стабілітрон VD1 підвищує завадостійкість спрацьовування ключа F77, якщо, наприклад, до виходу MK підключається зовнішнє навантаження до харчування, яка піднімає НИЗЬКИЙ логічний рівень з 01 .. 02 до 07 .. 15 В

д) діод VD1 з одного боку підвищує завадостійкість, з іншого боку захищає MK від попадання в порт високої напруги у разі пробою переходу «база – колектор» транзистора VT1 \

е) лінія MK має вихід з відкритим чи квазі відкритим стоком, тому в схему добавлтся резистор R1, який визначає струм бази транзистора VT1 При рестарт MK транзистор VT1 відкривається і через його колектор якийсь час протікає повний струм навантаження Це нормально, якщо навантаженням є нешкідлива індикаторна лампа, але може стати проблемою, якщо навантаженням служить потужний пусковий двигун Дану схему також застосовують для тестування каналу АЦП Лінія порту переводиться в режим входу АЦП без «pull-up» резистора і програмно вимірюється напруга в точці зєднання резисторів R1, R2 Якщо напруга близько до харчування +5 В, значить перехід «база – емітер» транзистора VT1 знаходиться в обриві Якщо напруга 07 .. 1 В, то за законом Ома обчислюють струм через резистор R1 і, знаючи коефіцієнт Л21Е, Наближено оцінюють струм у навантаженні RH

ж) іноді намагаються в щоб те не стало включити / виключити навантаження «стрибком», але в даній схемі фронти спеціально згладжуються конденсатором C1 і індуктивністю L1

з) аналогічно Рис 267, в, але для транзистора VT1 структури р-п-р і з активним низьким рівнем на виході MK

і) приклад диодной захисту транзистора VT1 при роботі на індуктивне навантаження, в якості якої виступає первинна обмотка трансформатора 77 Про

Про Рис 267 Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах (продовження):

к) емітерний повторювач на транзисторі VT1 виконує функцію неінвертірующего ключа із зменшеною на 06 .. 07 В амплітудою вихідного сигналу Резистор R2 закриває транзистор під час рестарту MK Резистор R1 ставиться замість резистора R2, якщо потрібно, щоб навантаження в момент скидання була включена, а не вимкнена Для підвищення швидкодії резистор R3 можна замінити перемичкою, при цьому опір навантаження RH і коефіцієнт передачі h2]3 транзистора КП повинні бути досить великими, щоб струм бази не перевищував 20 .. 25 мА З іншого боку, резистор R3 служить фільтром ВЧ-перешкод, які можуть ззовні проникати через колекторну ємність транзистора VT1 Крім того, резистор R3 захищає MK від високої напруги +9 В при пробої переходу «база – колектор» транзистора F77

л) резистором R1 плавно регулюється напруга в навантаженні RH від 0 до 43 В Струм емітера, а значить і струм навантаження, в першому наближенні в І2] Е разів більше струму бази транзистора VT1 Установкою низького рівня на лінії MK навантаження можна гарантовано знеструмити Амплітуда сигналу в навантаженні буде в тій же мірі залежати від температури навколишнього середовища, що і напруга іБЕ транзистора VT1

м) лінія MK має вихід з квазівідкриті стоком, поєднаним з входом АЦП Струм через стабілітрон VD1 задається резистором R1 Коли транзистор VT1 відкритий, то напруга в навантаженні RH становить приблизно +32 В (залежить від розкиду порогового напруги стабілітрона VD1) За допомогою входу АЦП можна виміряти точну напругу на стабілітроні VD1 \ н) при високому рівні на лінії MK напруги на виходах # вИх1> вих2 складають, відповідно, 43 і 125 В При низькому рівні на лінії MK ці напруження дорівнюють нулю о) ланцюжок R1, C1 згладжує перехідні процеси на фронтах сигналу управління п) всередині мікросхеми DA1 знаходиться польовий транзистор із захисним діодом між висновками 2 і 3 (перехід «стік – витік») Про

Про Рис 267 Схеми підключення до MK однотранзісторний ключів на біполярних транзисторах (закінчення):

p) робочий струм в навантаженні RH стабілізується мікросхемою DA 1 і розраховується за формулою /Н[А] = 125 / (2-j [OM] + Л3[Ом]), де R2A – Це опір між середнім і правим висновками резистора R2 після регулювання Частота імпульсів з виходу MK може бути досить великою, аж до 1 МГц

с) підключення IGBT-транзистора VT1 до MK через потужний драйвер на мікросхемі DA1 Резистор R1 обмежує амплітуду струму заряду вхідний ємності транзистора VT1

т) транзистор VT1 включається за схемою із загальною базою, що дозволяє комутувати навантаження RH, Зєднану з джерелом негативної напруги Резистор R1 задає робочий струм у навантаженні

у) струм у навантаженні RH регулюється вручну змінним резистором R2 Існує також програмний спосіб регулювання через канал ШІМ MK і ЯС-фільтр R1, C1 Постійна напруга на конденсаторі C1 може використовуватися як опорне для інших вузлів

Джерело: Рюмік, С М, 1000 і одна мікроконтролерна схема Вип 2 / С М Рюмік – М: ЛР Додека-ХХ1, 2011 – 400 с: Ил + CD – (Серія «Програмовані системи»)