Что такое транзисторный ключ
Транзисторный ключ — это биполярный транзистор (BJT), включённый как электронный выключатель, а не как усилитель. У него два рабочих состояния: закрыт (режим отсечки — ток через нагрузку практически нулевой) и полностью открыт (насыщение — падение напряжения на самом транзисторе минимально). Такое включение нужно всюду, где слаботочный вывод микроконтроллера, логической микросхемы или таймера должен управлять нагрузкой, которую не может питать напрямую: реле, лампой, мощным светодиодом или светодиодной лентой, обмоткой двигателя, электромагнитом. Вывод отдаёт лишь небольшой ток базы — единицы миллиампер, — а транзистор коммутирует в коллекторе десятки и сотни миллиампер, а с более мощными приборами и целые амперы.
Принципиально это отличается от линейного, усилительного включения, где транзистор намеренно держат в активной области ради усиления сигнала. В ключе активную область проходят лишь на миг переключения; всё остальное время прибор либо заперт, либо в глубоком насыщении. Чем глубже насыщение, тем ниже напряжение коллектор-эмиттер Vкэ(нас) — у маломощных транзисторов это десятые доли вольта — и тем меньше рассеиваемая мощность Vкэ(нас)·Iк, поэтому исправный ключ почти не греется.
Ток базы: Iб = k · Iк / hFE Базовый резистор: Rб = (Vупр − Vбэ) / Iб
Как считается базовый резистор
Расчёт идёт в два шага. Сначала определяют ток базы, гарантирующий насыщение. Формально транзистор входит в насыщение уже при Iб = Iк/hFE, но это граница, и работать на ней нельзя: коэффициент передачи тока hFE у конкретного экземпляра гуляет в разы, заметно падает при большом токе коллектора и при низкой температуре. Поэтому базовый ток берут с запасом — в k раз больше пограничного. Величину k называют коэффициентом насыщения (или форсирования); типичный диапазон 2–10, по умолчанию 5.
Второй шаг — по закону Ома найти резистор, задающий этот ток от управляющего вывода. Часть управляющего напряжения падает на переходе база-эмиттер (Vбэ ≈ 0,7 В, в насыщении обычно 0,7–0,9 В), а остаток ложится на резистор, поэтому Rб = (Vупр − Vбэ) / Iб. Здесь нужна золотая середина: слишком большой Rб не докроет транзистор — он застрянет в активной области, будет греться и ронять напряжение на нагрузке; слишком малый перегрузит вывод микроконтроллера, который обычно отдаёт не больше 20–40 мА.
Справочные данные
В таблице — типовые маломощные NPN-транзисторы, которые чаще всего ставят в ключ. Значения hFE даны ориентировочно для рабочих токов; в расчёт всегда подставляют нижнюю границу из даташита, а не «максимум». Ток коллектора указан как предельный — рабочий держат заметно ниже.
| Транзистор (NPN) | Iк макс | hFE (типовой) | Корпус |
| 2N3904 | 200 мА | 100–300 | TO-92 |
| BC547 | 100 мА | 110–800 | TO-92 |
| BC337 | 800 мА | 100–630 | TO-92 |
| 2N2222 (PN2222) | 600–800 мА | 100–300 | TO-92 / TO-18 |
| BC817 | 500 мА | 100–600 | SOT-23 (SMD) |
| TIP120 (Дарлингтон) | 5 А | >1000 | TO-220 |
Коэффициент насыщения k выбирают по характеру нагрузки и по тому, насколько можно доверять паспортному hFE:
| Коэффициент k | Когда применяют |
| 2–3 | Лёгкая резистивная нагрузка, hFE с гарантированным запасом |
| 5 | Универсально (значение по умолчанию), хороший компромисс |
| 8–10 | Индуктивная нагрузка, худший hFE, низкая температура |
Как применять на практике
Индуктивные нагрузки — реле, электромагниты, обмотки двигателя — при выключении дают выброс напряжения самоиндукции, способный пробить транзистор. Обязателен обратный (демпферный) диод параллельно катушке, катодом к плюсу питания; для сетевых контактов реле дополнительно ставят RC-снаббер. Для активной нагрузки вроде светодиода нужен собственный токоограничивающий резистор в коллекторе — ключ его не заменяет.
Полученное сопротивление округляют до ближайшего номинала ряда E24; округлять чуть безопаснее в меньшую сторону — ток базы слегка вырастет, а запас по насыщению увеличится. Готовый номинал удобно сверить по цветовой маркировке. Сам расчёт тока — это обычный закон Ома; если базу питают не напрямую, а через делитель напряжения (например, для согласования уровней), в формулу подставляют напряжение именно в точке базы.
Когда ток нагрузки измеряется амперами или критично минимальное падение напряжения, вместо биполярного ставят полевой транзистор — потери тогда задаёт сопротивление открытого канала, см. потери MOSFET. Если же транзистор нужен в линейном, усилительном режиме, а не в ключе, расчёт совсем другой — см. смещение транзистора. При управлении яркостью или мощностью через ШИМ учитывайте, что на высокой частоте добавляются динамические потери переключения.
Частые ошибки
Три промаха встречаются чаще всего. Первый — брать hFE «из максимума» даташита: у реального экземпляра и на рабочем токе он окажется ниже, базового тока не хватит, и транзистор останется в активной области — горячий, с большим Vкэ. Ровно ради этого и вводят запас k. Второй — забыть обратный диод на индуктивной нагрузке; выброс убивает ключ за одно выключение. Третий — поставить слишком большой базовый резистор «ради экономии тока»: экономия мнимая, потери в неполностью открытом транзисторе многократно больше сэкономленных миллиампер.
Стоит помнить и о пределах. Ток базы должен укладываться в допустимый ток вывода микроконтроллера, а рассеиваемая мощность транзистора — в возможности его корпуса; при больших токах понадобится радиатор. И ещё: у NPN-ключа эмиттер сидит на общем проводе (это нижний ключ, коммутирующий минус нагрузки) — включить плюс питания такой схемой нельзя, для верхнего ключа берут PNP или P-канальный MOSFET.
Пример
Возьмём значения по умолчанию: управляющее напряжение Vупр = 5 В, ток нагрузки Iк = 100 мА, hFE = 100, коэффициент насыщения k = 5, Vбэ = 0,7 В. Сначала ток базы: Iб = k·Iк/hFE = 5 · 0,1 / 100 = 0,005 А = 5 мА — это комфортная величина для вывода микроконтроллера. Затем резистор: Rб = (Vупр − Vбэ) / Iб = (5 − 0,7) / 0,005 = 4,3 / 0,005 = 860 Ом. Ближайший номинал ряда E24 — 820 Ом; с ним ток базы станет 4,3 / 820 ≈ 5,2 мА, то есть запас по насыщению даже немного вырастет — как раз в нужную сторону.
См. также: смещение транзистора · потери MOSFET · резистор для светодиода · ряды E24/E96 · все калькуляторы
|
