Ключи на биполярных транзисторах

1.1. Ключи на биполярных транзисторах

Оглавление

1.Ключи на биполярных транзисторах…………………………………………………………………. 2

1.1.Общие сведения…………………………………………………………………………………………. 2

а)Идеальный ключ…………………………………………………………………………………………. 2

б)Реальный ключ………………………………………………………………………………………….. 2

в)Схемы транзисторных ключей……………………………………………………………………. 3

1.2.Модель биполярного транзистора………………………………………………………………….. 3

1.3.Режим работы биполярного n-p-n транзистора…………………………………………………. 4

1.Активный режим:……………………………………………………………………………………. 4

2.В режиме отсечки:………………………………………………………………………………….. 4

2.а)В режиме глубокой отсечки:………………………………………………………………. 4

2.б)Граница отсечки с активным режимом:………………………………………………. 5

3.В режиме насыщения:……………………………………………………………………………… 5

3.а)Граница насыщения с активным режимом:………………………………………….. 5

4.Инверсным режимом……………………………………………………………………………….. 5

1.4.Транзисторный ключ с ОЭ…………………………………………………………………………….. 6

2.Остаточные параметры ключа на БТ………………………………………………………………… 9

2.1.Остаточные параметры закрытого транзистора………………………………………………… 9

2.2.Остаточные параметры насыщенного транзистора…………………………………………. 12

3.Составной транзисторный ключ……………………………………………………………………… 15

3.1.???…………………………………………………………………………………………………………… 15

а)Если транзистор VT1 заперт, то………………………………………………………………. 17

б)Если транзистор насыщен, то………………………………………………………………… 17

3.2.Многоэмиттерный транзистор в ключевом режиме…………………………………………. 19

а)Подаем низкое напряжение на любой вход…………………………………………………… 20

Обозначение линий связи на электрических схемах

Но для их работы необходимо соблюдение целого ряда требований.

Найти на электрической схеме электродвигатели, определить их систему питания.

Не все контуры считаются электрическими цепями. Активный двухполюсник содержит источники электрической энергии, а пассивный двухполюсник их не содержит.

Такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса. Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Перед выполнением следующего задания хочется напомнить китайскую мудрость: Расскажи — и я забуду… Дай мне возможность действовать самому — и я научусь. Важным отличительным свойством элементов второго класса является наличие участка вольт-амперной характеристики, имеющего отрицательное сопротивление, что обеспечивает регенеративный лавинообразный переход таких элементов из выключенного состояния во включенное практически независимо от параметров входного переключающего сигнала. Зато на первый план выступает скорость переключения ключа, которая определяет число операций в единицу времени, т. В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать. Электродвигатели, лампы, плитки, всевозможные электробытовые приборы называют приёмниками или потребителями электрической энергии.

Схема электрической цепи – применение и классификация.

Дискретность разбиения определяется требуемой точностью аппроксимации и видом аппроксимируемой функции. Обсудить Редактировать статью Электротехнические устройства очень важны в жизни современного цивилизованного человека. На практике широко используются схемы замещения во время работы активных и пассивных элементов.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС. Время установления выходного сигнала время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью на заданной нагрузке. Если использовать оба режима, которые были уже рассмотрены, то по их результатам могут быть определены параметры активного двухполюсника. Сложная цепь обладает, как правило, несколькими ветвями. Эта энергия восполняется в источнике тока.

В зависимости от значения источника тока низкий уровень или высокий транзистор должен быть в закрытом режим отсечки или насыщенном статическом состоянии. Элементы с такой характеристикой, используемые в электронике, весьма многочисленны и разнообразны, однако все они объединяются важнейшим качеством — способностью работать в ключевом режиме. Задача на закон сохранения энергии в электрической цепи

2.2. Модель биполярного транзистора

Используется для получения статических вольт-амперных характеристик транзистора. Основывается на эквивалентной схеме(нелинейной).

Эквивалентная схема и уравнения Эберса-Молла описывают статический режим идеализированного транзистора и получены при следующих допущениях:

1) величины объемных сопротивлений базы, эмиттера и коллектора пренебрежимо малы;

;

— коэффициент переноса.

2) не учитывается эффект модуляции ширины базы при изменении напряжения на переходе база-коллектор(эффективность эмиттера не зависит от тока);

3) плотность токов инжекции мала (степень легирования базы остается постоянной и малой).

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

Советуем к прочтению: Закон кулона: формула, определение, сила взаимодействия зарядов, коэффициент

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

2.3. Режим работы биполярного n-p-n транзистора

В любой схеме, независимо от того, работает она в статическом или динамическом режиме, транзистор в каждый конкретный момент времени работает в одном из следующих режимов: активном, отсечки, насыщения, инверсном.

Активный режим:

эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный — в обратном. Потенциальный критерий активного режима n-p-n

БТ:

Рис. 1.3.а: ???

В режиме отсечки:

эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении. Потенциальный критерий отсечки:,.

2.1) В режиме глубокой отсечки:

если напряжение, запирающее эмиттерный и коллекторный переходы, значительно превышает величину температурного потенциала .

Потенциальный критерий:

2.2) Граница отсечки с активным режимом:

если коллекторный переход заперт, а напряжение на эмиттерном переходе равно «0».

В режиме насыщения:

оба перехода смещены в прямом направлении.(режим двойной инжекции).

3.1) Граница насыщения с активным режимом:

если эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а напряжение на коллекторном переходе равно нулю:

Инверсным режимом

называют режим, когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. В этом случае коллектор работает как эмиттер, т. е. инжектирует носители в базу, а эмиттер выполняет функции коллектора.

В транзисторных ключах транзистор может работать во всех указанных режимах. Если БТ работает в режиме отсечки или в активном режиме при очень малых токах коллектора, то он является разомкнутым ключом. Если он работает в режиме насыщения или в активном режиме при больших токах коллектора, он выполняет функции замкнутого ключа. Во время перехода из одного состояния в другое БТ работает в активном режиме.

Электрические аппараты ручного управления

К аппаратам ручного управления относятся командные маломощные устройства — кнопки и ключи управления, командоаппараты и силовые коммутационные аппараты (рубильники, пакетные выключатели и силовые контроллеры ).

Кнопки управления предназначены для подачи оператором управляющего воздействия на ЭП. Они различаются по размерам, числу замыкающихся и размыкающихся контактов, форме толкателя. Две, три или более кнопок, смонтированных в одном корпусе, образуют кнопочную станцию (рис.1,а).

Контакты на схемах изображаются в «нормальном» состоянии электрических аппаратов, т.е. когда на них не оказывается механического, электрического, магнитного или какого-либо другого воздействия. Особенностью кнопок управления является их способность возвращаться в исходное (нормальное) положение (самовозврат) после снятия воздействия. Выпускаются кнопки серий КУ 120 и КЕ (КМЕ), предназначенные для работы в цепях переменного и постоянного тока. На базе кнопок КЕ выпускают посты управления серии ПКЕ с одной, двумя и тремя кнопками. Кнопки и кнопочные посты имеют степень защиты IP40,IP54 при различных климатических исполнениях и категориях размещения.

Рисунок 1 – Условно-графические и буквенные обозначения кнопок управления (а), ключей управления (б), автоматических выключателей (г)

Ключи управления (универсальные переключатели) предназначены для подачи управляющего воздействия на ЭП и имеют два или более фиксированных положений рукоятки и несколько замыкающих и размыкающих контактов (рис.1,б). В среднем положении рукоятки (позиция 0) замкнут верхний контакт, что обозначается точкой на схеме, а два нижних контакты разомкнуты. В положении 1 рукоятки замыкается средний контакт а остальные размыкаются. Число контактов ключей и диаграмма их работы могут быть самыми различными.

Ключи управления серии ПЕ рассчитаны на те же напряжения и токи, что и кнопки управления КЕ. Универсальные переключатели серий УП 5300, УП 5400 и ПКУ3 используются для коммутации цепей катушек контакторов, масляных выключателей, управления многоскоростными АД. Они могут коммутировать до 32 цепей и иметь до восьми положений (позиций) рукоятки управления.

Командоконтролллеры (командоаппараты) служат для коммутации

нескольких маломощных (ток нагрузки до 16 А) электрических цепей. Эти аппараты, имеющие ручное управление от рукоятки или педали с несколькими положениями, находят широкое применение в схемах управления ЭП крановых механизмов, металлургического оборудования, на транспорте.

Командоаппараты классифицируются по числу коммутируемых цепей, виду привода контактной системы, числу рабочих положений рукоятки (педали), диаграммам включения и выключения контактов. Их электрическая схема изображается аналогично схеме ключей управления и переключателей (рис. 1).

Командоаппараты общепромышленного назначения серий серий КА 410 А, КА 420 А, КА 4000, КА 4100, КА 4200, КА 4500, КА 4600, КА 11 предназначены для коммутации цепей постоянного тока напряжением до 440 В и переменного тока напряжением до 500 В. Командо-контроллеры серий ККП 1000 и ККП 423 используются для управления ЭП крановых механизмов и металлургического оборудования.

Рубильники — это простейшие силовые коммутационные аппараты, которые в основном предназначены для неавтоматического нечастого замыкания и размыкания силовых электрических цепей двигателей постоянного и переменного тока напряжением до 500 В и током до 5000 А. Они различаются по силе коммутируемого тока, числу полюсов (коммутируемых цепей), виду привода рукоятки и числу ее положений (два или три). Рубильники серий Р и РА рассчитаны на токи 100…600 А, напряжения 220…660 В и имеют 1 …3 полюса.

Пакетные выключатели — это разновидность рубильников. Их контактная система набирается из отдельных пакетов по числу полюсов (коммутируемых цепей). Пакет состоит из изолятора, в пазах которого находятся неподвижный контакт с винтовыми зажимами для подключения проводов и пружинный подвижный контакт с устройством искрогашения (основное преимущество перед рубильниками).

Выпускаемые пакетные выключатели имеют серии ПВ, ПП, ПГВ.

Контроллеры — это многопозиционные электрические аппараты с ручным или ножным приводом для непосредственной коммутации силовых цепей двигателей постоянного и переменного тока. В ЭП используются контроллеры двух видов — кулачковые и магнитные.

В кулачковых контроллерах размыкание и замыкание контактов обеспечивается смонтированными на барабане кулачками, поворот которых осуществляется с помощью рукоятки, маховичка или педали. За счет профилирования кулачков обеспечивается необходимая последовательность коммутации контактных элементов.

В крановых ЭП используются кулачковые контроллеры серии ККТ-60А для управления асинхронными двигателями, рассчитанный ми на напряжение до 380 В, и серии KB 100 для управления двигателями постоянного тока напряжением до 440 В. Такие контроллер имеют до 12 силовых контактов, рассчитанных на номинальные токи до 63 А, а также маломощные контакты для коммутации цепей управления.

Магнитные контроллеры представляют собой коммутационные устройства, в состав которых входят командоконтроллер и силовые электромагнитные аппараты — контакторы. Командоконтроллер с помощью своих контактов управляет катушками контакторов, которые в свою очередь осуществляют коммутацию силовых цепей двигателей. Применение такого контроллера вместо кулачкового позволяет повысить степень автоматизации ЭП, а следовательно, и производительность рабочей машины или механизма, улучшить условия труда оператора, так как управление ЭП с помощью командоконтроллера или кнопочной станции не потребует приложения больших усилий. Срок службы магнитных контроллеров при одних и тех же условиях также существенно выше чем кулачковых, что объясняется высокой коммутационной способностью и износостойкостью электромагнитных контакторов.

Автоматические выключатели (автоматы)– предназначены для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей (десятки коммутаций в час). Они могут иметь как комбинированный расцепитель, защищающий цепи от коротких замыканий и перегрузок, так и только электромагнитный расцепитель, служащий для защиты от коротких замыканий.

В сельском хозяйстве наибольшее распространение имеют трехполюсные автоматические выключатели серий АЕ-2000, АЕ-2000М, А3700 и наиболее современные ВА-51 с частотой коммутации до 30 включений в час. Условное графическое и буквенное обозначение автоматических выключателей представлено на рисунке 3,г.

2 Электрические аппараты дистанционного управления

К аппаратам дистанционного управления относятся контакторы, магнитные пускатели и реле, коммутация контактов которых осуществляется при подаче на их катушки электрического сигнала (напряжения или тока) и снятии этого сигнала. Другими словами, это двух позиционные коммутационные аппараты с самовозвратом, включение и выключение которых осуществляется электрическим сигналами.

Рисунок 2 — Устройство контактора (а), графическое обозначение электромагнитной катушки (б), контактов силовых замыкающихся и размыкающихся без дугогашения (в) и с дугогашением (г)

Контактор представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для частых дистанционных коммутаций силовых цепей двигателей. Контакторы различаются по роду тока коммутируемой цепи, числу главных контактов (одно-, двух- и многополюсные), роду тока цепи катушки (управление постоянным или переменным токами), номинальным току и напряжению коммутируемых цепей, конструктивному исполнению и другим признакам.

Устройство однополюсного контактора постоянного тока представлено на рисунке 2. На неподвижном сердечнике 14 магнитной системы контактора установлена втягивающая катушка 12. С подвижной частью магнитной системы (якорем связан подвижный главный контакт 5, который присоединяется к цепи тока при помощи гибкого проводника 7. При подаче напряжения на катушку 12 (замыкании контакта 13) якорь притягивается к сердечнику и контакт 5 замыкается с неподвижным главным контактом 1, что обеспечивает коммутацию тока. Необходимое нажатие главных контактов в их рабочем положении обеспечивается пружиной 6. В процессе соприкосновения контактов 1 и 5 происходит их перекатывание и притирание, что уменьшает переходное сопротивление контакта.

С якорем 8 связаны также вспомогательные (блокировочные) контакты мостикового типа — замыкающие 10 и размыкающие, предназначенные для работы в цепях управления и рассчитанные на небольшие токи. Блокировочные контакты 10 замыкаются и 11 размыкаются одновременно с замыканием главных контактов.

Отключение контактора производится снятием напряжения с катушки 12 (контакт 13 размыкается), при этом его подвижная система под действием силы тяжести и возвратной пружины 9 возвращается в «нормальное» состояние. Возникающая при размыкании главных контактов электрическая дуга гасится в щелевой дугогасительной камере 4, изготовленной из жаростойкого изоляционного материала. Для ускорения гашения дуги могут применяться камеры с изоляционными перегородками 3, а также иногда устанавливается искрогасительная решетка из коротких металлических пластин 2.

Контакторы постоянного тока изготавливаются с одним или двумя полюсами на номинальные токи главных контактов от 4 до 2500 А. Главные контакты способны отключать токи пepeгpузки 7… 10 кратные номинальному току. Катушки контакторов постоянного тока имеют большое количество витков и обладают значительной индуктивностью, что затрудняет размыкание их цепей.

Блокировочные контакты могут отключать токи до 20 А при напряжении, до 500 В в цепях катушек аппаратов переменного тока, а в цепях катушек аппаратов постоянного тока — токи до 2,5А при 110 В, до 2 А при 220 В и до 0,5 А при 440 В.

На рисунке 2, представлены соответственно условные обозначения элементов контактора: втягивающей катушки; замыкающих, размыкающих главных контактов без дугогашения и с дугогашением. Условное обозначение вспомогательных контактов рис.2, в.

Контакторы переменного тока по принципу своего действия, основным элементам конструкции не отличаются от контактор постоянного тока. Особенностью их работы является питание катушки переменным током, что определяет повышение тока в при срабатывании в несколько раз по сравнению с током при втянутом якоре. По этой причине для контакторов переменного тока ограничивается число их включений в час (обычно не более 600). Кроме того, пульсирующий магнитный поток, создаваемый переменным током катушки, вызывает вибрацию и гудение магнитопровода, а также его повышенный нагрев. Для уменьшения этих нежелательных факторов магнитопровод набирают из тонколистовой трансформаторной стали, а на сердечник или якорь помещают короткозамкнутый виток.

В контакторах переменного тока проще условия гашения дуги, которая в этом случае менее устойчива и может погаснуть при прохождении переменного тока нагрузки через ноль. Контакторы переменного тока на электрических схемах обозначаются так же, как и контакторы постоянного тока.

Контакторы переменного тока серий КТ 6000, КТ 7000, КТП 600, рассчитанные на токи от 63 до 1000 А, имеют от двух до пяти главных контактов. Их катушки выполняются на напряжение переменного тока от 36 до 500 В частотой 50 Гц. Модификацией этих серий являются контакторы серий КТ 64, КТП 64, КТ 65 и КТП 65, в которых бездуговая коммутация осуществляется шунтированием главных контактов тиристорами во время их размыкания. Отсутствие дуги при отключении контакторов повышает их надежность, износостойкость главных контактов и взрывобезопасность, что позволяет, в частности, увеличить допустимое число их включений до 2000 в час.

Универсальными, т.е. служащими для коммутации силовых цепей как постоянного, так и переменного тока, являются контакторы серии МК. Такие контакторы обеспечивают коммутацию тока до 63 А в цепях постоянного тока напряжением до 440 В и в цепях переменного тока напряжением до 660 В частотой 50 и 60 Гц, имея число главных контактов от 1 до 3. Втягивающие катушки их рассчитаны на постоянный ток напряжением 24, 48, 110 и 220 В.

Магнитный пускатель представляет собой специализированный комплексный аппарат, предназначенный главным образом для управления трехфазными асинхронными двигателями, т. е. для их подключения к сети, отключения, обеспечения тепловой защиты и сигнализации о режимах работы. В соответствии с функциями пускателя в него могут входить контактор, кнопки управления, тепловые реле защиты, сигнальные лампы, размещаемые в одном корпусе. Магнитные пускатели различаются по назначению (нереверсивные и реверсивные), наличию или отсутствию тепловых реле и кнопок управления, степени защиты от воздействия окружающей среды, уровням коммутируемых токов, рабочему напряжению главной цепи.

До недавнего времени широко использовались устаревшие конструкции магнитных пускателей ПМЕ и ПАЕ. Постепенно их заменяют более совершенными сериями ПМА и ПМЛ.

Пускатели серии ПМЛ выпускаются на токи от 10 до 200 А. Структура буквенно-цифрового обозначения имеет буквенное обозначение пускателя и шесть цифр (величина пускателя, исполнение, степень защиты, число контактов вспомогательной цепи, климатическое исполнение).

Пускатели ПМЛ комплектуются трехполюсными тепловыми реле типа РТЛ.

Пускатели ПМА комплектуются трехполюсными тепловыми реле типа РТТ.

Для обеспечения требуемых функций они могут иметь разделительный трансформатор, кнопки управления, амперметр, сигнальную лампу. Их механическая износостойкость составляет (10…16)-106 циклов, а частота включений в час — 6000 для пускателей первого габарита и 2400 — для пускателей пятого и шестого габаритов.

Электромагнитное реле представляет собой аппарат, предназначенный для коммутации слаботочных цепей управления ЭП в соответствии с электрическим сигналом, подаваемым на его катушку. Область применения реле очень широкая. Они используются в качестве датчиков тока и напряжения, а также как промежуточный элементы для передачи команд из одной цепи в другую и размножения сигналов, как датчики времени, выходные элементы различных датчиков координат ЭП и датчики технологических параметров рабочих машин и механизмов. Другими словами, они выполняют самые разнообразные функции управления, контроля и блокировок в автоматизированном ЭП.

Электромагнитное реле действует аналогично контактору (рис. 3) На сердечнике 2 магнитной системы реле находится катушка 1, которую подается входной электрический сигнал. Когда ток (напряжение) в цепи катушки превышает некоторое значение, называемое током (напряжением) срабатывания реле, создаваемая им электромагнитная сила становится больше противодействующей силы возвратной пружины 10, якорь 3 реле притягивается к сердечнику 2 и траверса 6, поднявшись, обеспечивает замыкание контактов 8 и размыкание контактов 7. Сила нажатия в контактах создается пружиной 9. Если уменьшить (отключить) ток (напряжение) в катушке, якорь под действием пружины 10, перейдет в исходное положение контакты 7,8 вернутся в нормальное (исходное) положение.

Поскольку контакты реле коммутируют небольшие (5… 10 А) токи, то обычно имеют простую конструкцию без использования дугогасительных камер.

Рисунок 3 – Электромагнитное реле

В качестве промежуточных применяются также реле серий РП-250, РП-321, РП-341, РП-42 и ряд других, которые также могут использоваться и как реле напряжения.

Герконовые электромагнитные реле имеют герметизированные контакты, что повышает их износостойкость и надежность в работе. Рассмотрим устройство простейшего реле с герметичным контактом — герконом (рис. 4). Внутри стеклянной герметизированной капсулы 3, наполненной инертным газом, находятся неподвижный 1 и подвижный 2 контакты, изготовленные из сплава железа с никелем. Капсула 3 охвачена магнитопроводом 5, на части которого располагается катушка 4. Если на катушку 4 подать постоянный ток напряжением U, то он создаст в магнитопроводе 5 и контактах 1 и 2 магнитный поток, под воздействием которого конец подвижного контакта 2 переместится вниз и замкнется с контактом 7, в результате чего цепь коммутируемого тока замкнется.

При снятии напряжения с катушки магнитный поток исчезнет и упругий контакт 2 вернется в исходное положение, разомкнув цепь. Износоустойчивость реле с герконами, способных коммутировать токи до 5 А при напряжении до 100 В, достигает нескольких десятков миллионов срабатываний.

Реле серий РЭС 42, РЭС 43, РЭС 44, РЭС 55 на базе герконов типа КЭМ допускают коммутацию токов до 1 А при напряжении до 220 В.

Рисунок 4 – Герконовое электромагнитное реле

Командоконтролллеры (командоаппараты) служат для коммутации

Выпускаемые пакетные выключатели имеют серии ПВ, ПП, ПГВ.

2 Электрические аппараты дистанционного управления

Пускатели ПМЛ комплектуются трехполюсными тепловыми реле типа РТЛ.

Пускатели ПМА комплектуются трехполюсными тепловыми реле типа РТТ.

Рисунок 3 – Электромагнитное реле

Рисунок 4 – Герконовое электромагнитное реле

3.1. Остаточные параметры закрытого транзистора

а) При изменении величины запирающего напряжения на эмиттерном переходе, то есть при изменении глубины отсечки () ток базы не изменяется и остается равным . Это равенство называется токовым критерием отсечки.

б) Как в режиме глубокой отсечки, так и на границе отсечки , ток эмиттера .

Эквивалентную схему ключа в режиме отсечки можно представить в виде:

Рис. 2.1.а: Эквивалентная схема ключа в режиме отсечки

Выходное напряжение ключа

в) Из схемы видно, что напряжение, приложенное к эмиттерному, управляющему переходу, зависит от остаточного тока базы ;

В свою очередь .

Для сохранения режима отсечки при изменениях от и сопротивлений инеобходимо выполнить условие:

В противном случае, несмотря на отрицательную полярность управляющего сигнала, транзистор перейдет в активный режим.

г) В транзисторных ключах необходимо использовать транзисторы с малыми обратными токами переходов.

Примечание:

В интегральных схемах не используется отрицательная полярность управляющих сигналов для запирания транзисторов, поскольку цифровые микросхемы имеют однополярное питание. Разомкнутое состояние ключа соответствует не режиму отсечки, а активному режиму при малом токе коллектора. Это благоприятно сказывается на уменьшении длительности переходных процессов.

Рис. 2.1.б: Физическое строение биполярного транзистора???

Порог запирания транзистора — величина условная. Чем больше в открытом состоянии, тем больше может быть выбран. Обычно принимают.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

3.2. Остаточные параметры насыщенного транзистора.

Рис. 2.2.а Обозначение напряжений на выводах транзистора

;

а) Наименьшим из остаточных напряжений является . Поэтому желательно, использовать такой ключ, чтобы остаточным напряжением было , то есть предпочтительной схемой является ключ с ОЭ.

б) Зависимость остаточных напряжений от степени насыщения

Рис. 2.2.б: Зависимость остаточных напряжений от степени насыщения

иявляются напряжениями на открытых переходах, они увеличиваются с увеличением.

уменьшается с увеличением.

в) В реальных транзисторах остаточные напряжения зависят от падений напряжений на объемных сопротивлениях слоев. При больших токах падения напряжений увеличиваются.

Поскольку «К» слой имеет большое сопротивление и длина??? тока по нему велика, в конструкцию эпитаксиально-планарного транзистора вводят скрытый «n+» — подслой.

Рис. 2.2.в: Конструкция эпитаксиально-планарного транзистора

г) Слабая зависимость межэлектродных напряжений от «N» позволяет представить эквивалентную схему транзистора в режиме насыщения в следующем виде:

Рис. 2.2.г: Эквивалентная схема транзистора в режиме насыщения

;

Поскольку остаточные напряжения малы в сравнении с напряжением источника питания ими часто можно пренебречь. Упрощенная эквивалентная схема принимает вид:

Рис. 2.2.д: Транзистор-эквипотенциальная точка

Параметры и максимальные эксплуатационные условия транзистора

Проверим теперь напоследок, подойдет ли нам выбранный транзистор.

Максимальное напряжение коллектор — эмиттер должно быть выше коммутируемого напряжения, а для случая коммутирования индуктивной нагрузки, выше коммутируемого напряжения с учетом бросков напряжения при выбранной схеме демпфирования.

Максимальный ток базы должен быть выше, чем наш расчетный управляющий ток.

Максимальный ток коллектора должен быть выше, чем коммутируемый ток.

Допустимая пиковая рассеиваемая мощность должна быть выше, чем пиковая рассеиваемая мощность в момент коммутации. Дело в том, что даже при условии невысокой средней рассеиваемой мощности, большая тепловая энергия, выделяющаяся за очень короткое время при переключении, может погубить биполярный транзистор.

Допустимая средняя рассеиваемая мощность должна быть выше, чем суммарная средняя мощность, рассеиваемая ключом.

Частота, рекомендованная для транзистора, должна быть выше, частота переключений в схеме.

Система охлаждения транзистора (радиатор или другая система отвода тепла) должны быть в состоянии рассеять выделяемую мощность.

Для использования в качестве ключей лучше подбирать транзисторы с минимальными напряжением насыщения коллектор — эмиттер, база — эмиттер, это снизит потери мощности в открытом состоянии, минимальными временами включения и выключения (рассасывания), это снизит потери мощности при переключении, максимальным коэффициентом передачи тока, это снизит потери на управление.

4.1. ???

Если нагрузкой ключа ОЭ являются достаточно большая емкость , то ключ имеет невысокое быстродействие.

Предположим, что транзистор в схеме ключа запирается мгновенно.

Рис. 3.1.а: Схема ключа после переключения(ранее был насыщен)

Выходным напряжением является напряжение на емкости .

Ранее разряженная емкость начинает заряжаться током .

Длительность фронта определяется временем заряда емкость , то есть . Поскольку составляет несколько кОм, длительность заднего фронта оказывается недопустимо большой.

Например:

;

Тогда .

Для улучшения параметров ключа его строят по структурной схеме:

Рис. 3.1.б: Структурная схема ключа

В этой схеме для заряда имеется низкоомная цепь.

Принцип действия составного ключа состоит в следующем.

При поступлении положительного импульса на вход ключ ОЭ замыкается, а ключ ОК размыкается. Емкость нагрузки быстро разряжается через насыщенный ключ ОЭ. Напряжение на выходе близко к нулю.

По окончании положительного импульса ключ ОЭ размыкается, а ключ ОК замыкается. Теперь емкость нагрузки заряжается через насыщенный ключ ОК. Так как ток насыщения транзистора велик, то заряд емкости происходит быстро.

Рис. 3.1.в: Принципиальная схема составного ключа

На транзисторе VT1 собран ключ-звезда, который представляет комбинацию ключей ОЭ и ОК. Сигнал на коллекторе имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала, то есть коллекторная цепь VT1 выполняет функции инвертора. Эмиттерная цепь VT1 не инвертирует сигнал.

VT2 — ключ ОК;

VT3 — ключ ОЭ.

1) Если транзистор VT1 заперт, то

Так как , то транзистор VT3 тоже заперт.

Напряжение на коллекторе VT1 равно:

и близко к напряжению питания .

Поэтому транзистор VT2 открыт и емкость нагрузки в установившемся режиме заряжена до напряжения

где , — падения напряжения на эмиттерном переходе открытого транзистора VT2 и на открытом диоде VD1.

2) Если транзистор насыщен, то

и транзистор VT3 тоже в режиме насыщения. При этом VT2 должен быть заперт. Для этого необходимо, чтобы напряжение на его базе было меньше или равно напряжению на эмиттере или

Из последнего соотношения видно, что при отсутствии диода в схеме условие запирания транзистора VT2 не выполняется.

В данном состоянии ключа емкость разряжается через насыщенный транзистор VT3 и напряжение на ней (низкий уровень).

Во время переходного процесса из-за задержки запирания транзисторов некоторые некоторое время оказываются открытыми оба транзистора (и VT2 и VT3). Это приводит к броску тока, потребляемого ключом от источника питания . Для ограничения этого тока в цепь коллектора транзистора VT2 введено небольшое сопротивление

Часто транзистор VT2 с диодом VD заменяют составным транзистором VT2′, VT2».

Рис. 3.1.г: Составной транзистор VT2′, VT2»

Принцип действия схемы при этом не изменяется. Функцию диода смещения VD здесь выполняет эмиттерный переход транзистора VT2».

Содержание

Обозначение тиристоров и операционных усилителей показано на рисунке. Задача 3.

Провести анализ работы каждой электрической цепи электросхемы, выявить на ней основные и вспомогательные аппараты, определить условия их работы, при необходимости ознакомиться с технической документацией на электрические приборы. Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию.

Перечень компонентов цепи может быть довольно большим.

Первую используют как в статическом режиме, так и при медленно изменяющихся процессах. Кроме того, такие устройства, как правило, имеют два устойчивых квазиустойчивых состояния , в течение которых в схеме наблюдаются только медленно изменяющиеся процессы, что позволяет рассчитывать и анализировать эти устройства по статическим схемам замещения, составными элементами которых являются статические эквивалентные схемы приборов.

Стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию. Существуют два основных способа соединения источников питания: последовательное и параллельное. В бытовой сети мы имеем напряжение вольт с определенными нормированными отклонениями.

Элементы схемы электрической цепи в данном случае не используются. Не все контуры считаются электрическими цепями. Обозначение транзисторов на схеме Электрическая схема транзисторов — элементов электрической системы способных управлять током в выходной цепи при воздействий входного сигнала, показана на рисунке. Закон Ома для полной цепи Он определяет зависимость, которая устанавливается между ЭДС Е источника питания, у которого внутреннее сопротивление равно r, током и общим эквивалентом R.

Дополнительные

4.2. Многоэмиттерный транзистор в ключевом режиме

Многоэмиттерный транзистор(МЭТ) предназначен для выполнения логических функций в элементе ТТЛ.

Рис. 3.2.а: Физическое строение многоэмиттерного транзистора???

МЭТ имеет несколько эмиттеров (в приведенной конструкции — четыре), расположенных таким образом, чтобы прямое взаимодействие между ними через разъединяющие участки базы было исключено. МЭТ представляет собой несколько транзисторных структур, имеющих общий коллектор.

Рис. 3.2.б: Схема включения многоэмиттерного транзистора

Как устроен полевой транзистор: 6 типов — краткие сведения

Разобраться с конкретным полевиком и понять его структуру нам поможет классификация, приведенная на картинке ниже, где структурированы их виды.

JFET и MOSFET имеют разную структуру. У JFET затвор (Gate) непосредственно встроен в поперечное сечение канала, работает как управляющий p-n переход.

У мосфета:

имеется дополнительный четвертый вывод, соединенный внутренней связью с корпусом. При подключении к внешним цепям им не пользуются;
зона вывода затвора отделена слоем диоксида кремния (диэлектрика) от полупроводника канала. Он работает как пластина конденсатора с емкостной связью. За счет этой доработки его и называют «с изолированным затвором» или МДП, МОП транзистор.

МДП обозначает металл-диэлектрик-полупроводник, а МОП — металл-оксид-полупроводник. Разница между ними для начинающего электрика не существенна, практически отсутствует.

На схемах мосфет и джифет обозначаются разными способами. MOSFET чертится с:

четвертым выводом, который никуда не подключается;
затвором, отделенным от основного канала.

Мосфеты производятся с разными подложками (каналами), которые могут быть обедненными или обогащенными основными носителями заряда.

Более подробно разрисовывать и описывать отличия каждого типа этих полупроводников для начинающего электрика я не буду: нет большого смысла.

Ниже просто привожу типовые графики их работы. Они дадут общее представление о поведении, а конкретные данные вам надо будет брать из даташита — технической документации.

Сила протекающего тока через сток зависит от приложенного напряжения между затвором и истоком, а также от окружающей температуры.

Выходные стоковые характеристики тока зависят от величины приложенного напряжения между стоком-истоком и затвором-истоком.

Так работает МДП-транзистор с встроенным каналом. Крутизна тока увеличивается при возрастании напряжения Uси, Uзи.

А здесь характеристики транзисторов с индуцированным каналом.

Перед любой проверкой каждого транзистора необходимо уточнять его технические возможности по заводской документации.

Такие графические изображения и зависимости процессов электротехники, благодаря наглядности, обладают лучшей информативностью.

6 особенностей работы электронных устройств с MOSFET

В последнее время у нас все чаще работают полевики типа мосфет с каналом любой проводимости.

Вкратце проанализируем подобную схему и ее свойства.

Нюанс №1: в какое плечо включать нагрузку

При полностью открытом полупроводниковом переходе между стоком и истоком создается очень маленькое сопротивление в десятки или сотни миллиОм (Rоткр), что образует низкое падение напряжения н

а этом участке (Iн·Rоткр), где Iн — величина тока нагрузки.

Потенциала напряжения, подаваемого на затвор, может не хватить для полного открытия полупроводника. Поэтому нагрузку включают выше со стороны стока в полевике n- типа, а истока — у p- типа при питании схемы от одного источника.

Если же в устройстве используются дополнительные источники напряжения, то это требование соблюдать не обязательно.

Нюанс №2: хитрости подключения полевика к микроконтроллерам

Для надежной работы MOSFET необходимо между его затвором и истоком (gate-source) подать пороговое значение напряжения, которое указывается в даташите. Обычно оно составляет около 10 вольт. Все же цифровые устройства работают до пяти: их питания недостаточно, потребуется добавить уровень.

Решить проблему можно одним из трех способов:

ключом с биполярными транзисторами подается необходимое питание на затвор;
подключить специальный драйвер (микросхему) для формирования управляющего сигнала. Они созданы как для верхнего, так и нижнего плеча с учетом нагрузки. Причем в драйвере верхнего плеча часто применяется схема увеличения выходного напряжения;
использовать специализированный полевик низкого уровня открытия (logic level). Однако приобрести его бывает проблематично.

Нюанс №3: как избежать влияния электрических помех

Появление любого потенциала помехи на выводе транзистора часто приводит к его несанкционированным переключениям и нарушению алгоритмов работы электроники.

Поэтому затвор всегда «притягивают» к питанию либо земле через определенное сопротивление даже при подключении через микроконтроллер. Его нельзя оставлять в свободном состоянии, доступном для проникновения посторонних помех.

Советуем к прочтению: Как работает повышающий преобразователь напряжения

Нюанс №4: борьба с броском тока при включении

Естественное наличие емкости на выводе gate приводит к «броску тока» при каждом открытии транзистора. Это чревато выводом из строя полупроводникового перехода.

Проблема решается введением в цепочку затвора резистора достаточного номинала. Однако подбирать его величину необходимо с учетом увеличения времени открытия ключа.

Нюанс №5: предохранение от броска тока при отключении индуктивных нагрузок

Защитный быстродействующий TVS-диод, параллельно включенный между истоком и стоком, надежно шунтирует импульсы, создаваемые отключением индуктивных нагрузок.

При работе на высоких частотах мостовых или полумостовых схем импульсных блоков питания либо индукционных нагревателей варочных панелей на вывод стока встречно подключают диод Шоттки, блокирующий паразитный диод, ибо он увеличивает время закрытия, что чревато повреждением полупроводника.

Нюанс №6: дополнительная защита MOSFET

Безопасная работа скоростного высокочастотного ключа в режиме переключения мощных индуктивнных нагрузок обеспечивается его подключением к снабберным цепям. Они:

замыкают на себя апериодические токи, создаваемые переходными процессами;
снижают нагрев полупроводников;
защищают полевик от несанкционированного открывания во время быстрого возрастания напряжения между стоком и истоком.