Элементы электрических цепей во всех случаях, кроме ветви, обязательно присутствуют в множестве. Практически можно представить схему цепи в виде пассивного и активного двухполюсника.
Контур заземления и зануления замыкается с помощью грунта. Иначе ток в цепи протекать не будет.
Электронные элементы, используемые в ключевых схемах, по своим ключевым свойствам можно разделить на два класса: — элементы, ключевые свойства которых обеспечиваются заданием их режима работы; — элементы, ключевые свойства которых определяются самим принципом их работы. ЧИТАЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ С ТРАНЗИСТОРОМ — 3 ЧАСТЬ
Иначе ток в цепи протекать не. Основные элементы во время проведения расчетов для электрических цепей Они используются в сложных конструкциях, чтобы проверить, что и как будет работать: Ветвь.
Номинальный режим Такой режим необходим для создания технических свойств всей цепи и отдельных компонентов. Заключение Итак, мы рассмотрели электрические цепи, элементы электрических цепей и практические особенности взаимодействия с ними.
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. Схема электрической цепи Вопросы Каково назначение источника тока в электрической цепи?
Учет реактивных параметров прибора делает динамическую эквивалентную схему пригодной для анализа быстрых процессов, в частности для анализа процессов, возникающих при воздействии на нелинейную цепь фронта импульса. Упражнение 23 Мы уже выяснили, что для использования электроэнергии нужны такие вещи, как источник тока, проводники, приборы и т.
Электрические цепи (часть 1)
1.1. Ключи на биполярных транзисторах
Оглавление
1.Ключи на биполярных транзисторах…………………………………………………………………. 2
1.1.Общие сведения…………………………………………………………………………………………. 2
а)Идеальный ключ…………………………………………………………………………………………. 2
б)Реальный ключ………………………………………………………………………………………….. 2
в)Схемы транзисторных ключей……………………………………………………………………. 3
1.2.Модель биполярного транзистора………………………………………………………………….. 3
1.3.Режим работы биполярного n-p-n транзистора…………………………………………………. 4
1.Активный режим:……………………………………………………………………………………. 4
2.В режиме отсечки:………………………………………………………………………………….. 4
2.а)В режиме глубокой отсечки:………………………………………………………………. 4
2.б)Граница отсечки с активным режимом:………………………………………………. 5
3.В режиме насыщения:……………………………………………………………………………… 5
3.а)Граница насыщения с активным режимом:………………………………………….. 5
4.Инверсным режимом……………………………………………………………………………….. 5
1.4.Транзисторный ключ с ОЭ…………………………………………………………………………….. 6
2.Остаточные параметры ключа на БТ………………………………………………………………… 9
2.1.Остаточные параметры закрытого транзистора………………………………………………… 9
2.2.Остаточные параметры насыщенного транзистора…………………………………………. 12
3.Составной транзисторный ключ……………………………………………………………………… 15
3.1.???…………………………………………………………………………………………………………… 15
а)Если транзистор VT1 заперт, то………………………………………………………………. 17
б)Если транзистор насыщен, то………………………………………………………………… 17
3.2.Многоэмиттерный транзистор в ключевом режиме…………………………………………. 19
а)Подаем низкое напряжение на любой вход…………………………………………………… 20
Электромагнитное реле
Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.
Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.
2.2. Модель биполярного транзистора
Используется для получения статических вольт-амперных характеристик транзистора. Основывается на эквивалентной схеме(нелинейной).
Эквивалентная схема и уравнения Эберса-Молла описывают статический режим идеализированного транзистора и получены при следующих допущениях:
1) величины объемных сопротивлений базы, эмиттера и коллектора пренебрежимо малы;
;
— коэффициент переноса.
2) не учитывается эффект модуляции ширины базы при изменении напряжения на переходе база-коллектор(эффективность эмиттера не зависит от тока);
3) плотность токов инжекции мала (степень легирования базы остается постоянной и малой).
2.3. Режим работы биполярного n-p-n транзистора
В любой схеме, независимо от того, работает она в статическом или динамическом режиме, транзистор в каждый конкретный момент времени работает в одном из следующих режимов: активном, отсечки, насыщения, инверсном.
Активный режим:
эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный — в обратном. Потенциальный критерий активного режима n-p-n
БТ:
| Рис. 1.3.а: ??? | ,; |
В режиме отсечки:
эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении. Потенциальный критерий отсечки:,.
2.1) В режиме глубокой отсечки:
если напряжение, запирающее эмиттерный и коллекторный переходы, значительно превышает величину температурного потенциала .
Потенциальный критерий:
,;
,;
2.2) Граница отсечки с активным режимом:
если коллекторный переход заперт, а напряжение на эмиттерном переходе равно «0».
,;
В режиме насыщения:
оба перехода смещены в прямом направлении.(режим двойной инжекции).
,;
3.1) Граница насыщения с активным режимом:
если эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а напряжение на коллекторном переходе равно нулю:
,;
Инверсным режимом
называют режим, когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. В этом случае коллектор работает как эмиттер, т. е. инжектирует носители в базу, а эмиттер выполняет функции коллектора.
,.
В транзисторных ключах транзистор может работать во всех указанных режимах. Если БТ работает в режиме отсечки или в активном режиме при очень малых токах коллектора, то он является разомкнутым ключом. Если он работает в режиме насыщения или в активном режиме при больших токах коллектора, он выполняет функции замкнутого ключа. Во время перехода из одного состояния в другое БТ работает в активном режиме.
Схема простейшей электрической цепи
Итак, самый простой вариант электрической цепи изображен на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема простейшей электрической цепи
Из каких частей она состоит?
- Источник тока
- Приемник тока
- Замыкающее устройство
- Соединяющие провода
В данном случае источником тока является гальванический элемент или аккумулятор, приемником — лампочка, замыкающим устройством — ключ. Все эти элементы соединены между собой проводами.
3.1. Остаточные параметры закрытого транзистора
а) При изменении величины запирающего напряжения на эмиттерном переходе, то есть при изменении глубины отсечки () ток базы не изменяется и остается равным . Это равенство называется токовым критерием отсечки.
б) Как в режиме глубокой отсечки, так и на границе отсечки , ток эмиттера .
Эквивалентную схему ключа в режиме отсечки можно представить в виде:
| Рис. 2.1.а: Эквивалентная схема ключа в режиме отсечки |
Выходное напряжение ключа
в) Из схемы видно, что напряжение, приложенное к эмиттерному, управляющему переходу, зависит от остаточного тока базы ;
.
В свою очередь .
Для сохранения режима отсечки при изменениях от и сопротивлений инеобходимо выполнить условие:
.
В противном случае, несмотря на отрицательную полярность управляющего сигнала, транзистор перейдет в активный режим.
г) В транзисторных ключах необходимо использовать транзисторы с малыми обратными токами переходов.
Примечание:
В интегральных схемах не используется отрицательная полярность управляющих сигналов для запирания транзисторов, поскольку цифровые микросхемы имеют однополярное питание. Разомкнутое состояние ключа соответствует не режиму отсечки, а активному режиму при малом токе коллектора. Это благоприятно сказывается на уменьшении длительности переходных процессов.
|
Порог запирания транзистора — величина условная. Чем больше в открытом состоянии, тем больше может быть выбран. Обычно принимают.
ЭП или ЭЦП?
Ранее в обходе была аббревиатура ЭЦП — электронная цифровая подпись. Но после вступления в силу ФЗ № 63 это название сократилось до ЭП, электронная подпись. Именно для электронной подписи используется электронный ключ. По законодательству РФ под ЭП понимают эквивалент подписи, которая ставится «от руки» и обладает аналогичной юридической силой. Электронная подпись позволяет физическим лицам удаленно (через интернет) подписывать документы с государственными, финансовыми, медицинскими, учебными и другими учреждениями. Юридические лица могут с ее помощью участвовать в электронных торгах, вести электронный документооборот (ЭДО), сдавать отчеты в налоговую и т. п.
3.2. Остаточные параметры насыщенного транзистора.
| Рис. 2.2.а Обозначение напряжений на выводах транзистора | ; |
а) Наименьшим из остаточных напряжений является . Поэтому желательно, использовать такой ключ, чтобы остаточным напряжением было , то есть предпочтительной схемой является ключ с ОЭ.
б) Зависимость остаточных напряжений от степени насыщения
|
иявляются напряжениями на открытых переходах, они увеличиваются с увеличением.
уменьшается с увеличением.
в) В реальных транзисторах остаточные напряжения зависят от падений напряжений на объемных сопротивлениях слоев. При больших токах падения напряжений увеличиваются.
Поскольку «К» слой имеет большое сопротивление и длина??? тока по нему велика, в конструкцию эпитаксиально-планарного транзистора вводят скрытый «n+» — подслой.
|
г) Слабая зависимость межэлектродных напряжений от «N» позволяет представить эквивалентную схему транзистора в режиме насыщения в следующем виде:
Рис. 2.2.г: Эквивалентная схема транзистора в режиме насыщения |
;
.
Поскольку остаточные напряжения малы в сравнении с напряжением источника питания ими часто можно пренебречь. Упрощенная эквивалентная схема принимает вид:
| Рис. 2.2.д: Транзистор-эквипотенциальная точка |
Необходимые части электрической цепи
Первое, что должно обязательно присутствовать в электрической цепи — это источник тока.
Он создаст электрическое поле и будет его поддерживать, возникнет электрический ток. Мы же можем использовать его энергию.
Каким образом? Для этого нам нужен потребитель или приемник электрической энергии. Так называют все электрические приборы, которые мы используем, начиная от простых лампочек и фонариков, заканчивая компьютерами, электродвигателями, различной бытовой техникой.
Источник тока и его потребитель необходимо соединить друг с другом проводами. По ним ток от источника будет достигать потребителя.
4.1. ???
Если нагрузкой ключа ОЭ являются достаточно большая емкость , то ключ имеет невысокое быстродействие.
Предположим, что транзистор в схеме ключа запирается мгновенно.
Рис. 3.1.а: Схема ключа после переключения(ранее был насыщен) |
Выходным напряжением является напряжение на емкости .
Ранее разряженная емкость начинает заряжаться током .
Длительность фронта определяется временем заряда емкость , то есть . Поскольку составляет несколько кОм, длительность заднего фронта оказывается недопустимо большой.
| Например: ; . Тогда . |
Для улучшения параметров ключа его строят по структурной схеме:
Рис. 3.1.б: Структурная схема ключа |
В этой схеме для заряда имеется низкоомная цепь.
Принцип действия составного ключа состоит в следующем.
При поступлении положительного импульса на вход ключ ОЭ замыкается, а ключ ОК размыкается. Емкость нагрузки быстро разряжается через насыщенный ключ ОЭ. Напряжение на выходе близко к нулю.
По окончании положительного импульса ключ ОЭ размыкается, а ключ ОК замыкается. Теперь емкость нагрузки заряжается через насыщенный ключ ОК. Так как ток насыщения транзистора велик, то заряд емкости происходит быстро.
Рис. 3.1.в: Принципиальная схема составного ключа |
На транзисторе VT1 собран ключ-звезда, который представляет комбинацию ключей ОЭ и ОК. Сигнал на коллекторе имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала, то есть коллекторная цепь VT1 выполняет функции инвертора. Эмиттерная цепь VT1 не инвертирует сигнал.
VT2 — ключ ОК;
VT3 — ключ ОЭ.
1) Если транзистор VT1 заперт, то
.
Так как , то транзистор VT3 тоже заперт.
Напряжение на коллекторе VT1 равно:
и близко к напряжению питания .
Поэтому транзистор VT2 открыт и емкость нагрузки в установившемся режиме заряжена до напряжения
,
где , — падения напряжения на эмиттерном переходе открытого транзистора VT2 и на открытом диоде VD1.
2) Если транзистор насыщен, то
и транзистор VT3 тоже в режиме насыщения. При этом VT2 должен быть заперт. Для этого необходимо, чтобы напряжение на его базе было меньше или равно напряжению на эмиттере или
Из последнего соотношения видно, что при отсутствии диода в схеме условие запирания транзистора VT2 не выполняется.
В данном состоянии ключа емкость разряжается через насыщенный транзистор VT3 и напряжение на ней (низкий уровень).
Во время переходного процесса из-за задержки запирания транзисторов некоторые некоторое время оказываются открытыми оба транзистора (и VT2 и VT3). Это приводит к броску тока, потребляемого ключом от источника питания . Для ограничения этого тока в цепь коллектора транзистора VT2 введено небольшое сопротивление
Часто транзистор VT2 с диодом VD заменяют составным транзистором VT2′, VT2».
Рис. 3.1.г: Составной транзистор VT2′, VT2» |
Принцип действия схемы при этом не изменяется. Функцию диода смещения VD здесь выполняет эмиттерный переход транзистора VT2».
Как устроен полевой транзистор: 6 типов — краткие сведения
Разобраться с конкретным полевиком и понять его структуру нам поможет классификация, приведенная на картинке ниже, где структурированы их виды.
JFET и MOSFET имеют разную структуру. У JFET затвор (Gate) непосредственно встроен в поперечное сечение канала, работает как управляющий p-n переход.
У мосфета:
- имеется дополнительный четвертый вывод, соединенный внутренней связью с корпусом. При подключении к внешним цепям им не пользуются;
- зона вывода затвора отделена слоем диоксида кремния (диэлектрика) от полупроводника канала. Он работает как пластина конденсатора с емкостной связью. За счет этой доработки его и называют «с изолированным затвором» или МДП, МОП транзистор.
МДП обозначает металл-диэлектрик-полупроводник, а МОП — металл-оксид-полупроводник. Разница между ними для начинающего электрика не существенна, практически отсутствует.
На схемах мосфет и джифет обозначаются разными способами. MOSFET чертится с:
- четвертым выводом, который никуда не подключается;
- затвором, отделенным от основного канала.
Мосфеты производятся с разными подложками (каналами), которые могут быть обедненными или обогащенными основными носителями заряда.
Более подробно разрисовывать и описывать отличия каждого типа этих полупроводников для начинающего электрика я не буду: нет большого смысла.
Ниже просто привожу типовые графики их работы. Они дадут общее представление о поведении, а конкретные данные вам надо будет брать из даташита — технической документации.
Сила протекающего тока через сток зависит от приложенного напряжения между затвором и истоком, а также от окружающей температуры.
Выходные стоковые характеристики тока зависят от величины приложенного напряжения между стоком-истоком и затвором-истоком.
Так работает МДП-транзистор с встроенным каналом. Крутизна тока увеличивается при возрастании напряжения Uси, Uзи.
А здесь характеристики транзисторов с индуцированным каналом.
Перед любой проверкой каждого транзистора необходимо уточнять его технические возможности по заводской документации.
Такие графические изображения и зависимости процессов электротехники, благодаря наглядности, обладают лучшей информативностью.
6 особенностей работы электронных устройств с MOSFET
В последнее время у нас все чаще работают полевики типа мосфет с каналом любой проводимости.
Вкратце проанализируем подобную схему и ее свойства.
Нюанс №1: в какое плечо включать нагрузку
При полностью открытом полупроводниковом переходе между стоком и истоком создается очень маленькое сопротивление в десятки или сотни миллиОм (Rоткр), что образует низкое падение напряжения н
а этом участке (Iн·Rоткр), где Iн — величина тока нагрузки.
Потенциала напряжения, подаваемого на затвор, может не хватить для полного открытия полупроводника. Поэтому нагрузку включают выше со стороны стока в полевике n- типа, а истока — у p- типа при питании схемы от одного источника.
Если же в устройстве используются дополнительные источники напряжения, то это требование соблюдать не обязательно.
Нюанс №2: хитрости подключения полевика к микроконтроллерам
Для надежной работы MOSFET необходимо между его затвором и истоком (gate-source) подать пороговое значение напряжения, которое указывается в даташите. Обычно оно составляет около 10 вольт. Все же цифровые устройства работают до пяти: их питания недостаточно, потребуется добавить уровень.
Решить проблему можно одним из трех способов:
- ключом с биполярными транзисторами подается необходимое питание на затвор;
- подключить специальный драйвер (микросхему) для формирования управляющего сигнала. Они созданы как для верхнего, так и нижнего плеча с учетом нагрузки. Причем в драйвере верхнего плеча часто применяется схема увеличения выходного напряжения;
- использовать специализированный полевик низкого уровня открытия (logic level). Однако приобрести его бывает проблематично.
Нюанс №3: как избежать влияния электрических помех
Появление любого потенциала помехи на выводе транзистора часто приводит к его несанкционированным переключениям и нарушению алгоритмов работы электроники.
Поэтому затвор всегда «притягивают» к питанию либо земле через определенное сопротивление даже при подключении через микроконтроллер. Его нельзя оставлять в свободном состоянии, доступном для проникновения посторонних помех.
Советуем к прочтению: Как сделать самолет на радиоуправлении в домашних условиях
Нюанс №4: борьба с броском тока при включении
Естественное наличие емкости на выводе gate приводит к «броску тока» при каждом открытии транзистора. Это чревато выводом из строя полупроводникового перехода.
Проблема решается введением в цепочку затвора резистора достаточного номинала. Однако подбирать его величину необходимо с учетом увеличения времени открытия ключа.
Нюанс №5: предохранение от броска тока при отключении индуктивных нагрузок
Защитный быстродействующий TVS-диод, параллельно включенный между истоком и стоком, надежно шунтирует импульсы, создаваемые отключением индуктивных нагрузок.
При работе на высоких частотах мостовых или полумостовых схем импульсных блоков питания либо индукционных нагревателей варочных панелей на вывод стока встречно подключают диод Шоттки, блокирующий паразитный диод, ибо он увеличивает время закрытия, что чревато повреждением полупроводника.
Нюанс №6: дополнительная защита MOSFET
Безопасная работа скоростного высокочастотного ключа в режиме переключения мощных индуктивнных нагрузок обеспечивается его подключением к снабберным цепям. Они:
- замыкают на себя апериодические токи, создаваемые переходными процессами;
- снижают нагрев полупроводников;
- защищают полевик от несанкционированного открывания во время быстрого возрастания напряжения между стоком и истоком.
4.2. Многоэмиттерный транзистор в ключевом режиме
Многоэмиттерный транзистор(МЭТ) предназначен для выполнения логических функций в элементе ТТЛ.
Рис. 3.2.а: Физическое строение многоэмиттерного транзистора??? |
МЭТ имеет несколько эмиттеров (в приведенной конструкции — четыре), расположенных таким образом, чтобы прямое взаимодействие между ними через разъединяющие участки базы было исключено. МЭТ представляет собой несколько транзисторных структур, имеющих общий коллектор.
Рис. 3.2.б: Схема включения многоэмиттерного транзистора |
