Цифровые электронные ключи на биполярных транзисторах

При расчете электронных ключей на биполярных транзисторах необходимо рассматривать два основных аспекта: статический режим ключа и его быстродействие. При этом основными показателями ключа являются: остаточное выходное напряжение на открытом ключе, мощность рассеяния на активном элементе (в статическом и динамическом режимах), длительности переходных процессов (отпирания и запирания ключа).

При расчете статического режима необходимо обеспечить надежное запирание транзистора в выключенном состоянии и насыщение в открытом состоянии. Глубина насыщения определяет быстродействие ключа (и мощность цепи управления) и не должна быть чрезмерно большой.

Пример: Рассчитать ключ на биполярном транзисторе, предназначенный для включения и выключения светодиода по следующему алгоритму: при наличии на входе ключа напряжения величиной (4.5…5В) светодиод светится, при наличии напряжения (0…0.5В) - погашен. Изобразить схему ключа и рассчитать параметры принципиальной схемы, если известно, что светодиод светится с достаточной яркостью при токе 10 мА, при этом падение напряжения на нем равно 1В. Источник управляющего сигнала обеспечивает вытекающий ток 0.8мА и втекающий 2мА. Транзистор имеет следующие параметры: =100, =1В, =10 мкА. Считать, что напряжение отсечки равно =0.7В, напряжение источника питания E = 5В.

РЕШЕНИЕ. Для решения поставленной задачи выберем схему, представленную на рис. 1.1. Очевидно, что при высоком уровне напряжения на входе транзистор отпирается и ток протекает через светодиод, при низком уровне напряжения транзистор заперт, ток коллектора равен нулю и светодиод погашен.

Расчет схемы сводится к определению номиналов сопротивлений в цепи коллектора и базы.

Так как известно, что ток коллектора должен быть равен 10 мА, то для коллекторной цепи можно записать:

.

Отсюда =300 Ом. Для надежного запирания транзистора необходимо выполнение условия:

,

откуда

Условие насыщения можно записать в виде:

,

где - ток базы в режиме насыщения. Учитывая =100, выберем . Учитывая коэффициент запаса (2…3), =0.5 мА, откуда . Очевидно, условие насыщения более жесткое, следовательно, из ряда номинальных сопротивлений выберем 7.5 кОм. Очевидно, источник сигнала не перегружен (0.5 мА<0.8 мА).

Задача. Рассчитать ключ на биполярном транзисторе, управляющий электромагнитным реле, ток срабатывания и сопротивление обмотки которого приведены в таблице 1.1 Источник управляющего сигнала имеет те же параметры, что и в вышеприведенном примере, источник питания имеет напряжение 27 В. Высокий уровень управляющего сигнала должен вызывать включение реле, низкий - выключение. При решении рассчитать мощности выбранных резисторов и обеспечить меры защиты транзистора от перегрузки по напряжению при выключении реле. Транзистор выбрать из справочника самостоятельно.

Таблица 1.1