Transistorbetrieb im Schlüsselmodus

Um die Geschichte zu vereinfachen, können Sie sich vorstellen Transistor in Form eines variablen Widerstands. Der Abschluss der Basis ist genau der Griff, den Sie drehen können. In diesem Fall ändert sich der Widerstand des Kollektor-Emitter-Abschnitts. Natürlich müssen Sie die Basis nicht drehen, sie kann sich lösen. Aber es ist natürlich möglich, eine gewisse Spannung relativ zum Emitter anzulegen.

Wenn die Spannung überhaupt nicht angelegt wird, nehmen Sie einfach die Schlussfolgerungen von Basis und Emitter und schließen Sie sie, auch wenn sie nicht kurz sind, sondern über einen Widerstand von mehreren KOhm. Es stellt sich heraus, dass die Basis-Emitter-Spannung (Ube) Null ist. Folglich gibt es keinen Basisstrom. Der Transistor ist geschlossen, der Kollektorstrom ist vernachlässigbar, genau der gleiche Anfangsstrom. Ungefähr das gleiche wie eine Diode in die entgegengesetzte Richtung! In diesem Fall heißt es, dass sich der Transistor in der AUS-Position befindet, was in der normalen Sprache bedeutet, dass er geschlossen oder verriegelt ist.

Der entgegengesetzte Zustand heißt SÄTTIGUNG. Dies ist der Fall, wenn der Transistor vollständig geöffnet ist, so dass nirgendwo mehr geöffnet werden kann. Bei einem solchen Öffnungsgrad ist der Widerstand des Kollektor-Emitter-Abschnitts so gering, dass es einfach unmöglich ist, den Transistor ohne Last in der Kollektorschaltung einzuschalten, er brennt sofort. In diesem Fall kann die Restspannung am Kollektor nur 0,3 ... 0,5 V betragen.

Um den Transistor in einen solchen Zustand zu bringen, ist es notwendig, einen ausreichend großen Basisstrom bereitzustellen, indem eine große Spannung Ube relativ zum Emitter an ihn angelegt wird - etwa 0,6 ... 0,7 V. Ja, für einen Basis-Emitter-Übergang ist eine solche Spannung ohne Begrenzungswiderstand sehr groß. Schließlich ist die in Abbildung 1 gezeigte Eingangskennlinie des Transistors dem direkten Zweig der Diodenkennlinie sehr ähnlich.

Abbildung 1. Transistoreingangscharakteristik

Diese beiden Zustände - Sättigung und Abschaltung - werden verwendet, wenn sich der Transistor wie ein normaler Relaiskontakt im Schlüsselmodus befindet. Der Hauptpunkt dieses Modus ist, dass ein kleiner Basisstrom einen großen Kollektorstrom steuert, der mehrere zehnmal größer ist als der Basisstrom. Ein großer Kollektorstrom wird aufgrund einer externen Energiequelle erhalten, aber dennoch ist die Stromverstärkung, wie sie sagen, offensichtlich. Ein einfaches Beispiel: Ein kleiner Mikrokreis schaltet eine große Glühbirne ein!

Um die Größe einer solchen Verstärkung des Transistors im Schlüsselmodus zu bestimmen, wird die "Stromverstärkung im Großsignalmodus" verwendet. In den Verzeichnissen von wird durch den griechischen Buchstaben β "betta" angegeben. Für fast alle modernen Transistoren wird im Koeffizientenmodus dieser Koeffizient nicht weniger als 10 ... 20 β als Verhältnis des maximal möglichen Kollektorstroms zum minimal möglichen Basisstrom bestimmt. Die Größe ist dimensionslos, nur "wie oft".

β ≥ Ic / Ib

Selbst wenn der Basisstrom höher als erforderlich ist, gibt es keine besonderen Probleme: Der Transistor kann immer noch nicht mehr öffnen. Deshalb befindet es sich im Sättigungsmodus. Zusätzlich zu herkömmlichen Transistoren werden Darlington- oder Verbundtransistoren verwendet, um im Schlüsselmodus zu arbeiten. Ihre "Super-Betta" kann 1000 oder mehr Mal erreichen.

So berechnen Sie den Betriebsmodus der Schlüsselstufe

Um nicht völlig unbegründet zu sein, versuchen wir, den Betriebsmodus der Tastenkaskade zu berechnen, deren Schaltung in Abbildung 2 dargestellt ist.

Abbildung 2

Die Aufgabe dieser Kaskade ist sehr einfach: Schalten Sie die Glühbirne ein und aus. Natürlich kann die Last alles sein - eine Relaisspule, ein Elektromotor, nur ein Widerstand, aber man weiß nie was. Die Glühbirne wurde nur genommen, um das Experiment klar zu machen und es zu vereinfachen. Unsere Aufgabe ist etwas komplizierter. Es ist erforderlich, den Wert des Widerstands Rb im Basisstromkreis zu berechnen, damit die Glühbirne in voller Wärme verbrennt.

Solche Lampen werden verwendet, um das Armaturenbrett in inländischen Autos zu beleuchten, so dass es einfach ist, es zu finden. Der KT815-Transistor mit einem Kollektorstrom von 1,5 A ist für eine solche Erfahrung gut geeignet.

Das Interessanteste an dieser ganzen Geschichte ist, dass Spannungen bei den Berechnungen nicht berücksichtigt werden, solange die Bedingung β ≥ Ic / Ib erfüllt ist. Daher kann die Glühlampe eine Betriebsspannung von 200 V haben, und der Basisstromkreis kann von Mikrochips mit einer Versorgungsspannung von 5 V gesteuert werden. Wenn der Transistor so ausgelegt ist, dass er mit einer solchen Spannung am Kollektor arbeitet, blinkt das Licht problemlos.

In unserem Beispiel werden jedoch keine Mikroschaltungen erwartet, die Basisschaltung wird einfach durch einen Kontakt gesteuert, der einfach 5 V liefert. Glühbirne für Spannung 12V, Verbrauchsstrom 100mA. Es wird angenommen, dass unser Transistor genau 10 β hat. Der Spannungsabfall am Basis-Emitter-Übergang beträgt Ube = 0,6 V. Siehe Eingabekennlinie in Abbildung 1.

Mit solchen Daten sollte der Strom in der Basis Ib = Ik / β = 100/10 = 10 (mA) sein.

Die Spannung am Basiswiderstand Rb beträgt (abzüglich der Spannung am Basis-Emitter-Übergang) 5 V - Ube = 5 V - 0,6 V = 4,4 V.

Wir erinnern uns an das Ohmsche Gesetz: R = U / I = 4,4 V / 0,01 A = 440 Ohm. Nach dem SI-System ersetzen wir die Spannung in Volt, den Strom in Ampere, das Ergebnis ist in Ohm. Aus der Standardreihe wählen wir einen Widerstand mit einem Widerstand von 430 Ohm. Diese Berechnung kann als vollständig angesehen werden.

Aber wer sich die Schaltung genau ansieht, kann fragen: „Warum wurde nichts über den Widerstand zwischen der Basis und dem Emitter Rbe gesagt? Sie haben ihn einfach vergessen, oder wird er wirklich gebraucht? “

Der Zweck dieses Widerstands besteht darin, den Transistor in dem Moment, in dem die Taste geöffnet ist, zuverlässig zu schließen. Tatsache ist, dass, wenn die Basis "in der Luft hängt", der Einfluss aller Arten von Interferenzen einfach garantiert ist, insbesondere wenn der Draht zum Knopf lang genug ist. Was ist nicht die Antenne? Fast wie ein Detektorempfänger.

Um den Transistor zuverlässig zu schließen und in den Abschaltmodus zu gelangen, müssen die Potentiale des Emitters und der Basis gleich sein. Es wäre am einfachsten, einen Schaltkontakt in unserem „Schulungsschema“ zu verwenden. Es ist notwendig, den Lichtschalterkontakt auf +5 V einzuschalten, und wenn er ausgeschaltet werden musste, schließen Sie einfach den Eingang der gesamten Kaskade gegen Masse.

Aber es ist nicht immer und nicht überall möglich, Luxus wie zusätzlichen Kontakt zuzulassen. Daher ist es einfacher, die Potentiale der Basis und des Emitters mit dem Widerstand Rbe auszurichten. Der Wert dieses Widerstands muss nicht berechnet werden. Normalerweise wird es gleich zehn RB genommen. Nach praktischen Daten sollte sein Wert 5 ... 10K betragen.

Die betrachtete Schaltung ist eine Art Schaltung mit einem gemeinsamen Emitter. Hier können zwei Merkmale festgestellt werden. Erstens werden 5 V als Steuerspannung verwendet. Es ist diese Spannung, die verwendet wird, wenn die Schlüsselstufe an digitale Schaltkreise angeschlossen ist oder die jetzt wahrscheinlicher ist Mikrocontroller.

Zweitens wird das Kollektorsignal in Bezug auf das Basissignal invertiert. Wenn an der Basis Spannung anliegt, wird der Kontakt bei + 5 V geschlossen und fällt am Kollektor auf fast Null ab. Natürlich nicht auf Null, sondern auf die im Verzeichnis angegebene Spannung. Gleichzeitig ist die Glühbirne nicht optisch invertiert - es gibt ein Signal an der Basis, es gibt Licht.

Das Invertieren des Eingangssignals erfolgt nicht nur im Schlüsselmodus des Transistors, sondern auch im Verstärkungsmodus. Dies wird jedoch im nächsten Teil des Artikels erörtert.

Boris Aladyshkin 

P.S. Vor der Installation in der Schaltung ist es sehr oft erforderlich, die Transistoren auf Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Sehen Sie hier, wie es geht - Einfacher Test von Transistoren in der Praxis.