Однотранзисторные биполярные ключи в схемах на микроконтроллере

May 11, 2014 by admin Комментировать »

Транзистор — это основной активный элемент в электронной технике. «Активный», поскольку с его помощью можно усиливать сигнал по мощности. Для сравнения, трансформатор тоже может увеличивать амплитуду сигнала, но только по напряжению или по току, мощность всегда будет теряться. Следовательно, трансформаторы (а также, резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, кварцевые резонаторы, громкоговорители, реле) относятся к пассивным ЭРИ.

В цифровых схемах транзистор, как правило, выполняет функцию электронного ключа, имеющего два устойчивых состояния: «открыто» и «закрыто». Другими словами, ток через коллектор транзистора или протекает, или не протекает. Данное положение в равной мере относится к биполярным транзисторам структуры п—р—п и р—п—р.

Первые транзисторы появились в 1947 г. Их изобретатели, физики У. Браттейн, У.Шокли и Д.Бардин, наверное, и не подозревали, какую пользу транзисторы окажут человечеству в будущем. Современные экспериментальные транзисторы имеют сверхмалые размеры и уникальные параметры. Счёт уже идёт на электроны и терагерцы. В частности, разработан так называемый «одноэлектронный» транзистор, а также транзисторы на нанотрубках и графеновых структурах, позволяющие усиливать сигнал с частотой 1…6 ТГц.

При использовании биполярных транзисторов надо учитывать особенности их работы в ключевом режиме:

•                 ток базы транзистора должен быть достаточно большим, чтобы ключ открывался при любом коэффициенте передачи h2(его технологический разброс составляет 2…4 раза), во всём диапазоне температур и напряжений;

•                 ток базы транзистора должен быть достаточно малым, чтобы устранить эффект глубокого насыщения и не снижать быстродействие ключа;

•                 напряжение «база — эмиттер» открытого транзистора зависит от его мощности, температуры, коэффициента передачи и базового тока. Для маломощных «кремниевых» ключей ориентировочно принимают Ub3 = 0.6…0.7 В (в одних источниках округлённо пишут 0.6 В, в других 0.7 В);

•                 ток коллектора /к и ток базы /Б транзистора связаны приближённой формулой /к = Л21Э /Б. Если /Б = 1 мА, й21Э = 100, то /к = 100 мА. Когда нагрузочное сопротивление в коллекторе слишком большое, то оно не может «вместить» в себя весь ток 100 мА, а пропустит только часть его, например, 50 мА. Однако ток базы останется прежним как при 50 мА, так и при 100 мА в коллекторе. В этом случае говорят, что транзистор вошёл в насыщение с коэффициентом Кн = 2, т.е. /кмАх/ к = 100/50. Чем больше Ки, тем полнее открывается транзистор, но тем ниже его быстродействие;

•                 рабочие напряжения и токи должны быть меньше предельно допустимых по даташиту с «военным» коэффициентом запаса 0.7…0.8.  

Хорошей поблажкой в любительских конструкциях является возможность индивидуальной подстройки рабочей точки транзисторного ключа окружающими его резисторами. Можно также выбрать один лучший транзистор из нескольких однотипных по оптимальной настройке какого-либо параметра. Однако то, что допускается в единичном любительском производстве, будет большим минусом в промышленной серии, где каждая лишняя регулировочная операция забирает время, увеличивает стоимость и снижает технологичность. Именно поэтому действующими отраслевыми стандартами запрещается необоснованная замена одинаковых ЭРИ, кроме тех случаев, когда элемент специально предназначен для регулирования и отмечен на схеме «звёздочкой», например, R1*.

Биполярные транзисторные ключи служат в основном для коммутации высоковольтных и низкоомных нагрузок (Рис. 2.67, a…y), Транзистор защищает MK от перегрузок и аварийных ситуаций как при работе, так и при отладке устройства.

Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах

(начало):

а) простейший ключ на транзисторе VT1 с инверсией сигнала. Тип транзистора выбирается в зависимости от напряжения источника питания и мощности нагрузки RH. При значительной индуктивной составляющей RH ставят диоды VD1, VD2 (или только VD1), защищающие транзистор от выбросов отрицательного напряжения и снижающие помехи в цепи питания. Резистор R1 задаёт коэффициент насыщения транзисторного ключа из расчёта Кн = 1.1…2;

б) для уменьшения паразитной монтажной ёмкости между базой транзистора VT1 и линией MK используются два последовательных резистора R1, R2. Это помогает для уменьшения так называемых «наносекундных» импульсных помех, возникающих при переключении высоковольтных или мощных нагрузок. Появление «наносекундных» помех заранее предсказать сложно, поэтому надобность в двух базовых резисторах определяется экспериментально;

в) резистор R3 ставят, чтобы транзистор VT1 был надёжно закрыт при переводе линии MK в Z-состояние. Это происходит каждый раз при рестарте MK, а также при начальной подаче питания или при ошибках в программе, когда выход случайно настраивается как вход. Обычно отношение сопротивлений R2:R3 выбирают 1:2…1:10, но для увеличения быстродействия можно принять 1:1 или даже 2:1. Как следствие, снижается Кн, быстрее разряжается входная ёмкость, но может потребоваться подбор транзистора по коэффициенту передачи Л21Э. Резистор R1 обозначен пунктиром. Его ставят вместо резистора R3, но не часто, поскольку увеличивается расход энергии и невозможно регулировать рабочую точку транзистора. С другой стороны, схема становится универсальной как для биполярных, так и для полевых транзисторов. Резисторы R1, R3 не обязательны в следующих случаях: при работе в узком температурном диапазоне (комнатной температуре), при низкоомной нагрузке в коллекторе транзистора K77, при отсутствии помех, при низком обратном токе /КБ0, что характерно для современных кремниевых транзисторов; О

О Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах (продолжение):

г) стабилитрон VD1 повышает помехоустойчивость срабатывания ключа F77, если, например, к выходу MK подключается внешняя нагрузка к питанию, которая поднимает НИЗКИЙ логический уровень с 0.1 …0.2 до 0.7…1.5 В;

д) диод VD1 с одной стороны повышает помехоустойчивость, с другой стороны защищает MK от попадания в порт высокого напряжения в случае пробоя перехода «база — коллектор» транзистора VT1\

е) линия MK имеет выход с открытым или квази открытым стоком, поэтому в схему добавлтся резистор R1, который определяет ток базы транзистора VT1 При рестарте MK транзистор VT1 открывается и через его коллектор какое-то время протекает полный ток нагрузки. Это нормально, если нагрузкой является безобидная индикаторная лампа, но может стать проблемой, если нагрузкой служит мощный пусковой двигатель. Данную схему также применяют для тестирования канала АЦП. Линия порта переводится в режим входа АЦП без « pull-up» резистора и программно измеряется напряжение в точке соединения резисторов R1, R2. Если напряжение близко к питанию +5 В, значит переход «база — эмиттер» транзистора VT1 находится в обрыве. Если напряжение 0.7…1 В, то по закону Ома вычисляют ток через резистор R1 и, зная коэффициент Л21Э, приближённо оценивают ток в нагрузке RH;

ж) иногда стараются во чтобы то ни стало включить/выключить нагрузку «скачком», но в данной схеме фронты специально сглаживаются конденсатором C1 и индуктивностью L1;

з) аналогично Рис. 2.67, в, но для транзистора VT1 структуры р—п—р и с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK;

и) пример диодной защиты транзистора VT1 при работе на индуктивную нагрузку, в качестве которой выступает первичная обмотка трансформатора 77; О

О Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах (продолжение):

к) эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 выполняет функцию неинвертирующего ключа с уменьшенной на 0.6…0.7 В амплитудой выходного сигнала. Резистор R2 закрывает транзистор во время рестарта MK. Резистор R1 ставится вместо резистора R2, если требуется, чтобы нагрузка в момент сброса была включена, а не выключена. Для повышения быстродействия резистор R3 можно заменить перемычкой, при этом сопротивление нагрузки RH и коэффициент передачи h2]3 транзистора КП должны быть достаточно большими, чтобы ток базы не превышал 20…25 мА. С другой стороны, резистор R3 служит фильтром ВЧ-помех, которые могут извне проникать через коллекторную ёмкость транзистора VT1 Кроме того, резистор R3 защищает MK от высокого напряжения +9 В при пробое перехода «база — коллектор» транзистора F77;

л) резистором R1 плавно регулируется напряжение в нагрузке RH от 0 до 4.3 В. Ток эмиттера, а значит и ток нагрузки, в первом приближении в И2]Э раз больше тока базы транзистора VT1. Установкой НИЗКОГО уровня на линии MK нагрузку можно гарантированно обесточить. Амплитуда сигнала в нагрузке будет в той же степени зависеть от температуры окружающей среды, что и напряжение иБЭ транзистора VT1;

м) линия MK имеет выход с квазиоткрытым стоком, совмещённым с входом АЦП. Ток через стабилитрон VD1 задаётся резистором R1. Когда транзистор VT1 открыт, то напряжение в нагрузке RH составляет примерно +3.2 В (зависит от разброса порогового напряжения стабилитрона VD1). При помощи входа АЦП можно измерить точное напряжение на стабилитроне VD1\ н) при ВЫСОКОМ уровне на линии MK напряжения на выходах #вЫх1>  вых2 составляют, соответственно, 4.3 и 1.25 В. При НИЗКОМ уровне на линии MK эти напряжения равны нулю; о) цепочка R1, C1 сглаживает переходные процессы на фронтах сигнала управления; п) внутри микросхемы DA1 находится полевой транзистор с защитным диодом между выводами 2 и 3 (переход «сток — исток»); О

О Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах (окончание):

p) рабочий ток в нагрузке RH стабилизируется микросхемой DA 1 и рассчитывается по формуле /Н[А] = 1.25/( 2-j[OM] + Л3[Ом]), где R2A — это сопротивление между средним и правым выводами резистора R2 после регулирования. Частота импульсов с выхода MK может быть достаточно большой, вплоть до 1 МГц;

с) подключение IGBT-транзистора VT1 к MK через мощный драйвер на микросхеме DA1. Резистор R1 ограничивает амплитуду тока заряда входной ёмкости транзистора VT1;

т) транзистор VT1 включается по схеме с общей базой, что позволяет коммутировать нагрузку RH, соединённую с источником отрицательного напряжения. Резистор R1 задаёт рабочий ток в нагрузке.

у) ток в нагрузке RH регулируется вручную переменным резистором R2. Существует также программный способ регулирования через канал ШИМ MK и ЯС-фильтр R1, C1. Постоянное напряжение на конденсаторе C1 может использоваться как опорное для других узлов.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты