При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?
На чем делаются транзисторные ключи
Статический режим работы
Насыщение ключа
В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.
Недостатки ненасыщенного ключа
- Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
- Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
- Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.
Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.
Быстродействие
Взаимодействие с другими ключами
Что выбрать
- Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
- Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
- Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
- Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.
Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.
Пример работы
Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.
В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.
Расчет транзисторного ключа
1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность – 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.
2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.
3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45 ,06=57,5 Ом.
4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,4562=0,0556 мА.
5) Считаем ток базы: 56200=0,28 мА (0,00028 А).
6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.
7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1 ,00028 = 14,642,9 Ом.
Заключение
И напоследок про название "электронные ключи". Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.
5 частых вопросов, которые задают начинающие радиомеханики; 5 лучших транзисторов для регуляторов, тест на определение состава схемы
Регулятор электрического напряжения нужен для того, чтобы величина напряжения могла стабилизироваться. Он обеспечивает надежность работы и долговечность работы прибора.
Регулятор состоит из нескольких механизмов.
- Как нужно подключать провода?
a) 1 и 2 клемма – питание, 3 и 4 – нагрузка
b) 1 и 3 клемма – нагрузка, 2 и 4 — питание
- Нужно ли устанавливать радиатор?
Ответы:
Вариант 1. Сопротивление резистора 10 кОм – это стандарт для установки регулятора, провода в схеме подключаются по принципу: 1 и 2 клемма для питания, 3 и 4 для нагрузки – ток распределится правильно по нужным полюсам, радиатор устанавливать нужно – чтобы защитить от перегрева, транзистор использован КТ 815 – такой всегда подойдет. В таком варианте построенная схема сработает, регулятор станет работать.
Вариант 2. Сопротивление 500 кОм – слишком высокое, будет нарушена плавность звука в работе, а может не сработать вообще, 1 и 3 клемма это нагрузка, 2 и 4 питание, радиатор нужен , в схеме, где стоял минус будет плюс, транзистор любой – действительно можно использовать какой угодно.Регулятор не заработает из-за того, что схема собрана, будет неправильно.
Вариант 3. Сопротивление 10кОм, провода – 1 и 2 для нагрузки, 3 и 4 для питания, резистор имеет сопротивление 2кОм, транзистор КТ 815. Прибор не сможет заработать, так как он сильно перегреется без радиатора.
Как соединить 5 частей регулятора на 12 вольт.
Переменный резистор 10кОм.
Это переменный резистор 10ком. Изменяет силу тока или напряжений в электрической цепи, увеличивает сопротивление. Именно им регулируется напряжение.
Радиатор. Нужен для того, чтобы охладить приборы в случае их перегрева.
Резистор на 1 ком. Снижает нагрузку с основного резистора.
Транзистор. Прибор, увеличивает силу колебаний. В регуляторе он нужен, чтобы получить электрические колебания высокой частоты
2 проводка. Необходимы для того, чтобы по ним шел электрический ток.
Берем транзистор и резистор. У обоих есть 3 ответвления.
Проводятся две операции:
- Левый конец транзистора (делаем это алюминиевой частью вниз) присоединяем к концу, который находится в середине резистора.
- А ответвление середины транзистора соединяем с правым у резистора. Их необходимо припаять друг к другу.
Первый провод необходимо спаять с тем, что получилось во 2 операции.
Второй нужно спаять с оставшимся концом транзистора.
Прикручиваем к радиатору соединенный механизм.
Резистор на 1кОм припаиваем к крайним ножкам переменного резистора и транзистора.
Регулятор скорости двигателя постоянного тока с помощью 2 конденсаторов на 14 вольт.
Практичность таких двигателей доказана, они используются в механических игрушках, вентиляторах и др. У них малый ток потребления, поэтому требуется стабилизация напряжения. Часто возникает необходимость подстройки частоты вращения или изменения скорости двигателя для корректировки выполнения цели, представленной какому – либо типу электродвигателя любой модели.
Эту задачу выполнит регулятор напряжения, который совместим с любым типом блока питания.
Чтобы это осуществить, надо изменить выходное напряжение, не требующее большого тока нагрузки.
- 2 Конденсатора
- 2 переменных резистора
- Подключаем конденсаторы к самому регулятору.
- Первый резистор подключается с минусом регулятора, второй на массу.
Теперь менять скорость двигателя у прибора по желанию пользователя.
Регулятор напряжения на 14 вольт готов.
Простой регулятор напряжения 12 вольт
Регулятор оборотов 12 вольт для двигателя с тормозом.
- Реле – 12 вольт
- Теристор КУ201
- Трансформатор для запитки двигателя и реле
- Транзистор КТ 815
- Вентиль от дворников 2101
- Конденсатор
Используется для регулировки подачи проволоки, поэтому в ней присутсвует тормоз двигателя, реализованный с помощью реле.
К реле подключаем 2 провода от блока питания. На реле подается плюс.
Всё остально подключается по принципу обычного регулятора.
Схема полностью обеспечила 12 вольт для двигателя.
Регулятор мощности на симисторе BTA 12-600
Симистор – полупроводниковый аппарат, причисляется к разновидности тиристора и используется в целях коммутации тока. Он работает на переменном напряжении в отличие от динистора и обычного тиристора. От его параметра зависит вся мощность прибора.
Ответ на вопрос. Если схема собиралась бы на тиристоре, необходим был бы диод или диодный мост.
Для удобства схему можно собрать на печатной плате.
Плюс конденсатора нужно припаять к управляющему электроду симистора, он находится справа. Минус спаять с крайним третьим выводом, который находится слева.
К управляющему электроду симистора припаять резистор с номинальным сопротивлением 12 кОм. К этому резистору нужно присоединить подстрочный резистор. Оставшийся вывод нужно припаять к центральной ножке симистора.
К минусу конденсатора, который припаян к третьему выводу симистора необходимо прикрепить минус от выпрямительного моста.
Плюс выпрямительного моста к центральному выводу симистора и к той части, к которой симистор крепится на радиатор.
1 контакт от шнура с вилкой припаиваем к необходимому прибору. А 2 контакт к входу переменного напряжения на выпрямительном мосту.
Осталось припаять оставшийся контакт прибора с последним контактом выпрямительного моста.
Идет тестирование схемы.
Включаем схему в сеть. С помощью подстрочного резистора регулируется мощность прибора.
Мощность можно развить до 12 вольт для авто.
Динистор и 4 типа проводимости.
Это устройство, называется тригерным диодом. Обладает небольшой мощностью. В его внутренности нет электродов.
Динистор открывается при наборе напряжения. Скорость набора напряжения определяется конденсатором и резисторами. Вся регулировка производится через него. Работает на постоянном и переменном токе. Его можно не покупать, он находится в энергосберегающих лампах и его легко оттуда достать.
В схемах используется не часто, но чтобы не затрачивать деньги на диоды, применяют динистор.
Он содержит 4 типа: P N P N. Это сама электрическая проводимость. Между 2 прилегающими друг к другу областями образуется электронно-дырочный переход. В динистре таких переходов 3.
Подключаем конденсатор. Он начинает заряжаться с помощью 1 резистора, напряжение почти равно тому, что в сети. Когда напряжение в конденсаторе достигнет уровня динистора, он включится. Прибор начинает работать. Не забываем про радиатор, иначе всё перегреется.
3 важных термина.
Регулятор напряжения – прибор, позволяющий на выходе подстраивать напряжение под устройство, для которого он необходим.
Схема для регулятора – рисунок, изображающий соединение частей устройства в одно целое.
Автомобильный генератор – устройство, в котором используется стабилизатор, обеспечивает превращение энергии коленчатого вала в электрическую.
7 основных схем для сборки регулятора.
Использование 2 транзисторов. Как собрать стабилизатор тока.
Резистор 1кОм равен стабилизатору тока для нагрузки 10Ом. Главное условие – напряжение питания было стабилизированным. Ток зависит от напряжения по закону Ома. Сопротивление нагрузки намного меньше, чем сопротивление тока ограничивающего резистора.
Резистор 5 ватт, 510 Ом
Переменный резистор ППБ-3В , 47 Ом. Потребление – 53миллиампера.
Транзистор кт 815, установленный на радиаторе ток базы данного транзистора, задан резистором номиналом 4 и 7 кОм.
Еще важно знать
- На схеме стоит знак минуса, чтобы он был и в работе, то транзистор должен быть NPN структуры. Нельзя использовать PNP так как минус будет плюсом.
- Напряжение нужно постоянно регулировать
- Какая величина тока в нагрузке, это нужно знать, чтобы регулировать напряжение и прибор не переставал работать
- Если разность потенциалов будет больше 12 вольт на выходе, то значительно уменьшится уровень энергии.
Топ 5 транзисторов
Разные виды транзисторов применяются для разных целей, и существует необходимость его выбирать.
- КТ 315. Поддерживает NPN структуру. Выпущен в 1967 году, но до сих пор используется. Работает в динамическом режиме, и в ключевом. Идеален для приборов малой мощности. Больше подходит для радиодеталей.
- 2N3055. Лучше всего подходит для звуковых механизмов, усилителей. Работает в динамическом режиме. Спокойно используется для регулятора 12 вольт. Удобно крепится на радиатор. Работает на частотах до 3 МГц. Хоть транзистор и выдерживает только до 7 ампер, он вытягивает мощные нагрузки.
- КП501. Производитель рассчитывал его на применение в телефонных аппаратах, механизмах связи и радиоэлектронике. Через него происходит управление приборами с минимальными затратами. Преобразует уровни сигнала.
- Irf3205. Пригоден для автомобилей, повышает высокочастотные инверторы. Поддерживает значительный уровень тока.
- KT 815. Биполярен. Имеет структуру NPN. Работает с усилителями низкой частоты. Состоит из пластмассового корпуса. Подходит для импульсных устройств. Используется часто в генераторных схемах. Транзистор сделан давно, по сей день работает. Даже есть шанс, что он находится в обычном доме, где лежат старые приборы, нужно только их разобрать и посмотреть, есть ли там.
3 ошибки и как их избежать.
- Ножки транзистора и резистора спаяны друг с другом полностью. Чтобы этого избежать, нужно внимательно читать инструкцию.
- Хоть и поставлен радиатор, перегрелся прибор.Это связано с тем, что во время того, как детали спаиваются, происходит перегрев. Для этого нужно, ножки транзистора держать пинцетом для отвода тепла.
- Реле не стало работать после починки. Выгоняет проволоку после того как отпустил кнопку. Проволока по инерции тянется. Значит, не работает электротормоз. Берем реле с хорошими контактами и подключаем к кнопке. Подключить провода для питания. Когда на реле не подается напряжение, контакты становятся замкнутыми, поэтому обмотка замыкается сама на себя. Когда на реле подается напряжение(плюс), меняются контакты в схеме и напряжение подается на мотор.
Ответы на 5 часто задаваемых вопросов
- Почему входное напряжение выше, чем выходное?
По такому принципу работают все стабилизаторы, при таком типе работы напряжение приходит в норму и не скачет от условленных ей значений.
- Может ли убить током при неполадке или ошибке?
Нет, не убьет током, напряжение в 12 вольт слишком мало, чтобы это произошло.
- Нужен ли постоянный резистор? И если нужен, то, для каких целей?
Не обязательно, но используется. Он нужен для того, чтобы ограничить ток базы транзистора при крайнем левом положении переменного резистора. И также при его отсутствии может сгореть переменный.
- Можно ли использовать схему КРЕН вместо резистора?
Если вместо переменного резистора включить регулируемую схему КРЕН, которую часто используют, то тоже получится регулятор напряжения. Но есть оплошность: низкий КПД. Из-за этого высокое собственное энергопотребление и тепловыделение.
- Резистор горит, но ничего не крутится. Что делать?
Резистор обязательно 10кОм. Желательно использовать транзисторы КТ 315 (старой модели) – они желтого или оранжевого цвета с буквенным обозначением.
В этом эксперименте мы познакомимся с реле, с помощью которого с Arduino можно управлять мощной нагрузкой не только постоянного, но и переменного тока.
Необходимые компоненты:
Реле – это электрически управляемый, механический переключатель, имеет две раздельные цепи: цепь управления, представленная контактами (А1, А2), и управляемая цепь, контакты 1, 2, 3 (см. рис. 12.1).
Цепи никак не связаны между собой. Между контактами А1 и А2 установлен металлический сердечник, при протекании тока по которому к нему притягивается подвижный якорь (2). Контакты же 1 и 3 неподвижны. Стоит отметить, что якорь подпружинен, и пока мы не пропустим ток через сердечник, якорь будет прижатым к контакту 3. При подаче тока, как уже говорилось, сердечник превращается в электромагнит и притягивается к контакту 1. При обесточивании пружина снова возвращает якорь к контакту 3.
При подключении реле к Arduino контакт микроконтроллера не может обеспечить мощность, необходимую для нормальной работы катушки. Поэтому следует усилить ток – поставить транзистор. Для усиления удобнее применять n-p-n-транзистор, включенный по схеме ОЭ (см. рис. 12.2). При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера.
Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1–10 кОм), в любом случае, транзистор будет работать в режиме насыщения. В качестве транзистора может быть любой n-p-n-транзистор. Коэффициент усиления практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор–эмиттер (напряжение, которым запитывается нагрузка).
Для включения реле, подключенного по схеме с ОЭ, на вывод Arduino необходимо подать 1, для выключения – 0. Подключим реле к плате Arduino по схеме на рис. 12.3 и напишем скетч управления реле. Каждые 5 секунд реле будет переключаться (включаться/выключаться). При переключении реле раздается характерный щелчок.
Содержимое скетча показано в листинге 12.1.
Порядок подключения:
1. Подключаем элементы к плате Arduino по схеме на рис. 12.3.
2. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 12.1.
3. Каждые 5 секунд происходит щелчок переключения реле если подключить контакты реле, например в разрыв подключенной к сети 220 В патрона с лампой накаливания, то увидим процесс включения/выключения лампы накаливания раз в 5 секунд (рис. 12.3).
