Схемы переключателей на транзисторах. Транзисторные ключи

Схема электронного выключателя основана на микросхеме CD4013 , и имеет два устойчивых состояния, ON и OFF. Когда он включен, то и остается включенным, пока вы не нажмёте кнопку выключателя еще раз. Короткое нажатие кнопки SW1, переключает его в другое состояние. Устройство будет полезно для исключения громоздких и ненадёжных клавишных переключателей либо для дистанционного управления разными электроприборами.

Электронное реле - схема принципиальная

Контакты реле могут выдерживать высокое сетевое напряжения переменного тока, а также достаточный постоянный ток, что делает проект подходящим для таких приборов, как вентилятор, свет, телевизор, насос, электродвигатель постоянного тока, да и вообще любой электронный проект требует подобный электронный переключатель. Устройство работает от сети переменного тока напряжением до 250 В и коммутирует нагрузку до 5 A.

Параметры и элементы схемы

• Питание: 12 вольт
• D1: индикатор подачи питания
• D3: индикатор включения реле
• CN1: вход питания
• SW1: выключатель

Транзистор Q1 можно заменить на любой похожей структуры с предельным током минимум 100 мА, например КТ815 . Реле можно взять автомобильное, или любое другое на 12 В. Если электронный выключатель требуется собрать в виде отдельной малогабаритной коробочки, имеет смысл питание схемы осуществить от маленького импульсного блока питания, типа зарядки мобильного. Поднять напряжение с 5 до 12 В можно заменой стабилитрона на плате. При необходимости вместо реле ставим мощный полевой транзистор, как это реализовано в

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 2.3. Эта схема, которая с помощью небольшого управляющего тока может создавать в другой схеме ток значительно большей величины, называется транзисторным переключателем. Его работу помогают понять правила, приведенные в предыдущем разделе. Когда контакт переключателя разомкнут, ток базы отсутствует. Значит, как следует из правила 4, отсутствует и ток коллектора. Лампа не горит.

Рис. 2.3. Пример транзисторного переключателя.

Когда переключатель замкнут, напряжение на базе составляет 0,6 В (диод база-эмиттер открыт). Падение напряжения на резисторе базы составляет 9,4 В, следовательно, ток базы равен . Если, не подумав, воспользоваться правилом 4, то можно получить неправильный результат: (для типичного значения . В чем же ошибка? Дело в том, что правило 4 действует лишь в том случае, если соблюдено правило 1; если ток коллектора достиг , то падение напряжения на лампе составляет 10 В. Для того чтобы ток был еще больше, нужно чтобы потенциал коллектора был меньше потенциала земли. Но транзистор не может перейти в такое состояние. Когда потенциал коллектора-приближается к потенциалу земли, транзистор переходит в режим насыщения (типичные значения напряжения насыщения лежат в диапазоне , см. приложение Ж) и изменение потенциала коллектора прекращается. В нашем случае лампа загорается, когда падение напряжения на ней составляет 10 В.

Если на базу подается избыточный сигнал (мы использовали ток , хотя достаточно было бы иметь , то схема не тратит этот избыток; в нашем случае это очень выгодно, так как через лампу протекает большой ток, когда она находится в холодном состоянии (сопротивление лампы в холодном состоянии в 5-10 раз меньше, чем при протекании рабочего тока). Кроме того, при небольших напряжениях между коллектором и базой уменьшается коэффициент (3, а значит, для того чтобы перевести транзистор в режим насыщения, нужен дополнительный ток базы (см. приложение Ж). Иногда к базе подключают резистор (с сопротивлением, например, 10 кОм), для того чтобы при разомкнутом переключателе потенциал базы наверняка был равен потенциалу земли.

Этот резистор не влияет на работу схемы при замкнутом переключателе, так как через него протекает лишь малая доля тока .

При разработке транзисторных переключателей вам пригодятся следующие рекомендации:

1. Сопротивление резистора в цепи базы лучше брать поменьше, тогда избыточный базовый ток будет больше. Эта рекомендация особенно полезна для схем, управляющих включением ламп; так как при низком значении уменьшается и коэффициент .

Рис. 2.4. При подключении индуктивной нагрузки следует всегда использовать подавляющий диод.

О ней следует помнить и при разработке быстродействующих переключателей, так как на очень высоких частотах (порядка мегагерц) проявляются емкостные эффекты и уменьшается значение коэфициента (3. Для увеличения быстродействия к базовому резистору параллельно подключают конденсатор.

2. Если потенциал нагрузки по какой-либо причине меньше потенциала земли (например, если на нагрузке действует напряжение переменного тока или она индуктивна), то параллельно коллекторному переходу следует подключить диод (можно также использовать диод, включенный в обратном направлении по отношению к положительному потенциалу питания), тогда цепь коллектор-база не будет проводить ток при отрицательном напряжении на нагрузке.

3. При использовании индуктивных нагрузок транзистор следует предохранять с помощью диода, подключенного к нагрузке, как показано на рис. 2.4. Если переключатель разомкнут, то в отсутствие диода на коллекторе будет действовать большое положительное напряжение, скорее всего превышающее значение напряжения пробоя для цепи коллектор-эмиттер. Это связано с тем, что индуктивность стремится сохранить ток включенного состояния, протекающий от источника к коллектору (вспомните свойства индуктивностей в разд. 1.31).

Транзисторные переключатели позволяют производить переключение очень быстро, время переключения измеряется обычно долями микросекунд. С их помощью можно переключать несколько схем одним управляющим сигналом. Еще одно достоинство транзисторных переключателей состоит в том, что они дают возможность производить дистанционное «холодное» переключение, при котором на переключатели поступают только управляющие сигналы постоянного тока. (Если «гонять» сами переключаемые мощные сигналы, то при передаче их по кабелям могут возникать емкостные выбросы, а сигналы могут сильно ослабляться).

Транзистор в образе человека.

Рис. 2.5 дает представление о некоторых ограничениях, свойственных транзистору. Представим себе, что задача человека на рис. 2.5 состоит в том, чтобы обеспечивать выполнение соотношения при этом он может управлять только переменным резистором. Итак, он может создать короткое замыкание в схеме (режим насыщения), или разомкнуть ее (транзистор в выключенном состоянии), или создать какое-то промежуточное состояние; он не имеет права использовать батареи, источники тока и т.п. Не следует, однако, думать, что коллектор транзистора на самом деле похож на резистор. Это не так. Человек старается сделать так, чтобы через него все время протекал постоянный неизменный ток (величина этого тока зависит от приложенного к базе напряжения).

Рис. 2.5. «Транзисторный человек» следит за током базы и регулирует выходной реостат для того, чтобы выходной ток был в больше тока базы.

Следует помнить, что в любой заданный момент времени транзистор может:

а) быть в режиме отсечки, т.е. выключиться (отсутствует ток коллектора);

б) находиться в активном режиме (небольшой ток коллектора, напряжение на коллекторе выше, чем на эмиттере);

в) перейти в режим насыщения (напряжение на коллекторе приблизительно равно напряжению на эмиттере). Более подробно режим насыщения транзистора описан в приложении Ж.

С батарейным питанием все замечательно, кроме того, что оно кончается, а энергию надо тщательно экономить. Хорошо когда устройство состоит из одного микроконтроллера — отправил его в спячку и все. Собственное потребление в спящем режиме у современных МК ничтожное, сравнимое с саморазрядом батареи, так что о заряде можно не беспокоиться. Но вот засада, не одним контроллером живо устройство. Часто могут использоваться разные сторонние периферийные модули которые тоже любят кушать, а еще не желают спать. Прям как дети малые. Приходится всем прописывать успокоительное. О нем и поговорим.

▌Механическая кнопка
Что может быть проще и надежней сухого контакта, разомкнул и спи спокойно, дорогой друг. Вряд ли батарейку раскачает до того, чтобы пробить миллиметровый воздушный зазор. Урания в них для этого не докладывают. Какой нибудь PSW переключатель то что доктор прописал. Нажал-отжал.

Вот только беда, ток он маленький держит. По паспорту 100мА, а если запараллелить группы, то до 500-800мА без особой потери работоспособности, если конечно не клацать каждые пять секунд на реактивную нагрузку (катушки-кондеры). Но девайс может кушать и поболее и что тогда? Приматывать синей изолентой к своему хипстерскому поделию здоровенный тумблер? Нормальный метод, мой дед всю жизнь так делал и прожил до преклонных лет.

▌Кнопка плюс
Но есть способ лучше. Рубильник можно оставить слабеньким, но усилить его полевым транзистором. Например вот так.

Тут переключатель просто берет и поджимает затвор транзистора к земле. И он открывается. А пропускаемый ток у современных транзисторов очень высокий. Так, например, IRLML5203 имея корпус sot23 легко тащит через себя 3А и не потеет. А что-нибудь в DPACK корпусе может и десяток-два ампер рвануть и не вскипеть. Резистор на 100кОм подтягивает затвор к питанию, обеспечивая строго определенный уровень потенциала на нем, что позволяет держать транзистор закрытым и не давать ему открываться от всяких там наводок.

▌Плюс мозги
Можно развить тему управляемого самовыключения, таким вот образом. Т.е. устройство включается кнопкой, которая коротит закрытый транзистор, пуская ток в контроллер, он перехватывает управление и, прижав ногой затвор к земле, шунтирует кнопку. А выключится уже тогда, когда сам захочет. Подтяжка затвора тоже лишней не будет. Но тут надо исходить из схемотехники вывода контроллера, чтобы через нее не было утечки в землю через ногу контроллера. Обычно там стоит такой же полевик и подтяжка до питания через защитные диоды, так что утечки не будет, но мало ли бывает…

Или чуть более сложный вариант. Тут нажатие кнопки пускает ток через диод на питание, контроллер заводится и сам себя включает. После чего диод, подпертый сверху, уже не играет никакой роли, а резистор R2 эту линию прижимает к земле. Давая там 0 на порту если кнопка не нажата. Нажатие кнопки дает 1. Т.е. мы можем эту кнопку после включения использовать как нам угодно. Хоть для выключения, хоть как. Правда при выключении девайс обесточится только на отпускании кнопки. А если будет дребезг, то он может и снова включиться. Контроллер штука быстрая. Поэтому я бы делал алгоритм таким — ждем отпускания, выбираем дребезг и после этого выключаемся. Всего один диод на любой кнопке и нам не нужен спящий режим:) Кстати, в контроллер обычно уже встроен этот диод в каждом порту, но он очень слабенький и его можно ненароком убить если вся ваша нагрузка запитается через него. Поэтому и стоит внешний диод. Резистор R2 тоже можно убрать если нога контроллера умеет делать Pull-down режим.

▌Отключая ненужное
Можно сделать и по другому. Оставить контроллер на «горячей» стороне, погружая его в спячку, а обесточивать только жрущую периферию.

▌Выкидываем лишнее
Что-то мало потребляющее можно запитать прям с порта. Сколько дает одна линия? Десяток миллиампер? А две? Уже двадцать. А три? Параллелим ноги и вперед. Главное дергать их синхронно, лучше за один такт.

Правда тут надо учитывать то, что если нога может отдать 10мА,то 100 ног не отдадут ампер — домен питания не выдержит. Тут надо справляться в даташите на контроллер и искать сколько он может отдать тока через все выводы суммарно. И от этого плясать. Но до 30мА с порта накормить на раз два.

Главное не забывайте про конденсаторы, точнее про их заряд. В момент заряда кондера он ведет себя как КЗ и если в вашей периферии есть хотя бы пара микрофарад емкостей висящих на питании, то от порта ее питать уже не следует, можно порты пожечь. Не самый красивый метод, но иногда ничего другого не остается.

▌Одна кнопка на все. Без мозгов
Ну и, напоследок, разберу одно красивое и простое решение. Его несколько лет назад набросил мне в комменты uSchema это результат коллективного творчества народа на его форуме.

Одна кнопка и включает и выключает питание.

Как работает:

При включении, конденсатор С1 разряжен. Транзистор Т1 закрыт, Т2 тоже закрыт, более того, резистор R1 дополнительно подтягивает затвор Т1 к питанию, чтобы случайно он не открылся.

Конденсатор С1 разряжен. А значит мы в данный момент времени можем считать его как КЗ. И если мы нажмем кнопку, то пока он заряжается через резистор R1 у нас затвор окажется брошен на землю.

Это будет одно мгновение, но этого хватит, чтобы транзистор Т1 распахнулся и на выходе появилось напряжение. Которое тут же попадет на затвор транзистора Т2, он тоже откроется и уже конкретно так придавит затвор Т1 к земле, фиксируясь в это положение. Через нажатую кнопку у нас С1 зарядится только до напряжения которое образует делитель R1 и R2, но его недостаточно для закрытия Т1.

Отпускаем кнопку. Делитель R1 R2 оказывается отрезан и теперь ничто не мешает конденсатору С1 дозарядиться через R3 до полного напряжения питания. Падение на Т1 ничтожно. Так что там будет входное напряжение.

Схема работает, питание подается. Конденсатор заряжен. Заряженный конденсатор это фактически идеальный источник напряжения с очень малым внутренним сопротивлением.

Жмем кнопку еще раз. Теперь уже заряженный на полную конденсатор С1 вбрасывает все свое напряжение (а оно равно напряжению питания) на затвор Т1. Открытый транзистор Т2 тут вообще не отсвечивает, ведь он отделен от этой точки резистором R2 аж на 10кОм. А почти нулевое внутреннее сопротивление конденсатора на пару с его полным зарядом легко перебивает низкий потенциал на затворе Т1. Там кратковременно получается напряжение питания. Транзистор Т1 закрывается.

Тут же теряет питание и затвор транзистора Т2, он тоже закрывается, отрезая возможность затвору Т1 дотянуться до живительного нуля. С1 тем временем даже не разряжается. Транзистор Т2 закрылся, а R1 действует на заряд конденсатора С1, набивая его до питания. Что только закрывает Т1.

Отпускаем кнопку. Конденсатор оказывается отрезан от R1. Но транзисторы все закрыты и заряд с С1 через R3 усосется в нагрузку. С1 разрядится. Схема готова к повторному включению.

Вот такая простая, но прикольная схема. Вот На сходном принципе действия.

Он обеспечивает открытую схему (незамкнутую), когда он находится в выключенном состоянии и обеспечивает замкнутую схему, когда находится во включенном состоянии. Это очень важная функция, без которой деятельность многих устройств была бы просто немыслима.

Другими словами, можно сказать, что выключатель обеспечивает бесконечное сопротивление или полное сопротивление во время своего выключенного состояния, и он обеспечивает нулевое сопротивление или полное сопротивление во время своего включенного состояния.

Отсюда получается, что выключатель можно назвать этаким резистором с контролируемым включением/выключением, который обеспечивает и нулевое и бесконечное сопротивление для схемы без какого-либо среднего значения. Да, возможно, кому-то подобное название покажется не самым точным, но оно более-менее передаёт суть деятельности выключателя в краткой форме.

С другой стороны, транзистор может быть рассмотрен как контролируемый резистор, ведь сопротивление между эмиттером и коллектором контролируется током в переходе базы-эмиттера. За счёт того, что ток на базе эмиттере производит контроль, сопротивление на эмиттере-коллекторе может быть установлено бесконечным, но подобным образом не получится сделать сопротивление равным нулю (результат не будет идеален). Впрочем, несмотря на то, что идеального значения не получается, это не мешает быть транзистору весьма популярным в качестве выключателя.

Транзистор обеспечивает довольно большое сопротивление для схемы, но оно не идеально бесконечно. Транзистор также обеспечивает очень маленькое сопротивление, но оно также не идеально нулевое.

В характеристиках транзистора имеется 3 области:

— область выключения;

— линейная область;

— область насыщения.

В линейной области, для того чтобы напряжение на коллекторе-эмиттере (VCE) имело широкий диапазон, ток на коллекторе (IC) сохраняется неизменным. В силу того, что напряжение имеет широкий диапазон и ток на коллекторе почти неизменный, будет очень сильная потеря энергии, если транзистор действует в этой области.

Но на практике, в выключателе, когда он выключен, напряжение, которое через него проходит, будет равно напряжению на открытой схеме, но ток при этом равен нулю, отсюда следует, что не происходит потери энергии. Подобным образом, когда выключатель включен, ток, проходящий через выключатель настолько силён, насколько силён ток на замкнутой схеме, но напряжение, которое проходит через выключатель, равно нулю, откуда следует, что также не происходит потери энергии.

Если нужно сделать так, чтобы транзистор действовал как выключатель, то нужно сделать, чтобы он работал таким образом, чтобы потери энергии во время включенного и выключенного состояния были бы близки к нулю, или очень низки. Единственный случай, когда это возможно, когда транзистор действует только в предельной области характеристик. Есть две предельные области в характеристиках транзистора. Это область выключения и область насыщения.

На рисунке, где ток на базе-эмиттере или просто ток на базе равен нулю, ток коллектора (IC) будет иметь очень маленькое неизменное значение для большого диапазона напряжения на коллекторе-эмиттере (VCE). Так что если транзистор действует с током на базе равным нулю или меньше нуля, то ток, проходящий через коллектор на эмиттер (IC) очень слабый.

Отсюда транзистор в выключенном состоянии, но в то же время, потеря энергии через транзистор (выключатель) i.e. IC x VCE несущественна в силу того, что IC очень мал. Отсюда вытекает, что транзистор работает как выключатель на открытой схеме или как выключающий переключатель.

Теперь, допустим, что транзистор подсоединён в серию с нагрузкой сопротивления RL. В нормальном состоянии напряжение, проходящее через нагрузку, является VL. Отсюда ток, проходящий через нагрузку, составляет:

Если транзистор действует с током на базе I1, для которого ток на коллекторе C1 больше, чем IL, то транзистор работает в области насыщения. Тут, для любого тока (C1), проходящего через коллектор транзистора на его эмиттер (IC), будет очень маленькое напряжение на коллекторе-эмиттере (VCE).

Отсюда следует, что в этой ситуации ток, проходящий через транзистор, настолько силён, насколько ток на нагрузке, но напряжение, проходящее через транзистор, (VCE) довольно низкое, откуда вытекает то обстоятельство, что потеря энергии в транзисторе опять несущественна.

Транзистор ведёт себя примерно как выключатель на замкнутой схеме или переключатель включения. Так что для использования транзистора как выключателя, необходимо убедиться в том, что применяемый на базе-эмиттере ток достаточно силён для того, чтобы удержать транзистор в области насыщения для обеспечения тока на нагрузке.

Как уже было сказано, потеря энергии в транзисторе, который является выключателем, очень низка, однако не равна нулю. Отсюда следует, что это не идеальный выключатель, но он приемлем для специфических устройств. Теперь, для регулирования энергии постоянного тока на входе, на нагрузке, необходимо использовать транзистор-выключатель таким образом, чтобы он периодически то включал схему, то выключал, обеспечивая тем самым желаемую энергию на выходе.

Для этого понадобится специфическая форма волны тока на базе, благодаря которой транзистор переходит в свои область выключения и область насыщения, периодически, для обеспечения тока на нагрузке. Типичная периодическая форма волны тока на базе в целом достигается за счёт импульсного генератора на базе микропроцессора.

Когда выбирается транзистор для использования в качестве выключателя, необходимо проявлять осторожность в отношении номинального значения транзистора. Дело в том, что во время включенного состояния, весь ток на нагрузке будет течь через транзистор. Если этот ток больше, чем безопасное значение способности транзистора к выдерживанию тока на коллекторе-эмиттере, то транзистор может перманентно выйти из строя из-за того, что перегреется.

Снова в выключенном состоянии, всё напряжение на открытой схеме, на нагрузке, появится в транзисторе. Транзистор должен быть в состоянии выдержать это напряжение, в противном случае переход коллектор-эмиттер будет разорван, и транзистор станет включенным, вместо того чтобы быть выключенным.

Ещё одна деталь должна быть учтена при использовании транзистора как выключателя. Приёмник тепла подходящего размера и проектирование, которое всегда необходимо для транзистора. Каждый транзистор нуждается в некотором времени для перехода из выключенного состояния во включенное состояние и наоборот.

Несмотря на то, что это самое время очень мало и оно может быть менее нескольких микросекунд, но это всё-таки не ноль. Во время периода, в течение которого выключатель находится во включенном состоянии, ток (IC) будет усиливаться, в то время как напряжение на коллекторе-эмиттере (VCE) будет падать к нулю.

Так как ток усиливается с нуля (в идеале) до своего максимума, и напряжение падает со своего максимального значения до нуля (в идеале), будет возникать момент, когда оба они будут иметь свои максимальные значения. В этой точке происходит пиковая потеря энергии.

Таким же путём происходит и максимальная потеря энергии в транзисторе, когда он переходит в выключенное состояние из включенного состояния. Отсюда следует, что максимальная потеря энергии происходит в транзисторе во время переходного периода изменения состояния, но растрата энергии всё ещё вполне средняя, так как переходный период довольно невелик.

Для работы с низкой частотой генерируемое тепло может быть средним. Но если частота работы весьма высока, то будет существенная потеря энергии и соответствующая генерация тепла. Стоит заметить, что генерация тепла не происходит только в течение переходного состояния. Она также происходит во время включенного или выключенного состояния транзистора. Однако количество тепла в течение постоянного состояния довольно мала и несущественна.

Возможно, кому-то использование транзистора в качестве выключателя покажется сложным после вышесказанного, однако это не так. Просто нужно обратить внимание на некоторые необходимые моменты и запомнить определённые вещи. Теоретическая часть, охватывающая эту тему, хоть и не маленькая, но относительно простая.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Сенсорный включатель – очень простая схема, которая состоит всего их двух транзисторов и нескольких радиоэлементов.

Сенсор – sensor – с англ. яз. – чувствительный или воспринимающий элемент. Данная схема позволяет подавать напряжение в нагрузку, прикоснувшись пальчиком к сенсору. В данном случае сенсором у нас будет проводок, идущий от базы . Итак, рассмотрим схемку:

Рабочее напряжение схемы 4-5 Вольт. Можно чуток и больше.

Схема ну очень простая. На мм макетной плате она будет выглядеть примерно вот так:

Желтый проводок от базы транзистора КТ315, который находится в воздухе, у нас будет сенсором.

Кто не помнит, где эмиттер, коллектор и база, ниже на фото показана цоколевка (расположение выводов) транзистора КТ361 (слева) и транзистора КТ315 (справа) . КТ361 и КТ315 различаются расположением буквы. У КТ361 эта буква находится посередине, а у КТ315 слева. Какая там буква – без разницы. В данном случае буква “Г” значит используются транзисторы КТ361Г и КТ315Г

В моем же случае я использовал транзисторы КТ315Б (ну что под руку попалось).

Вот видео работы этой схемы:

А что если с помощью такого сенсорного выключателя управлять мощной нагрузкой? Например, лампой накаливания на 220 Вольт? Просто вместо светодиода мы можем поставить ТТР.

В этой схеме я использовал Твердотельное реле (ТТР), хотя можно использовать и электромеханическое реле . При использовании электромеханического реле, не забываем параллельно катушке реле поставить защитный диод

Моя измененная схема на ТТР выглядит вот так:

А вот так она работает:

В интернете эта схема идет на трех транзисторах. Я ее немного упростил. Принцип работы схемы очень простой. При прикосновении пальчиком вывода базы транзистора VT2, на базу поступает синусоидальный сигнал с нашего тела. А откуда он берется? Наводки от сети 220 Вольт. Так вот, этих наводок вполне хватает, чтобы транзистор VT2 открылся, потом сигнал с VT2 поступает на базу VT1 и там усиливается еще больше. Мощности этого сигнала хватает, чтобы зажечь светодиод или подать управляющий сигнал на реле. Все гениально и просто!