Транзисторные ключи построенные на биполярных или полевых транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные, а также на МДП-ключи и ключи на полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом. Все транзисторные ключи могут работать в двух режимах: статическом и динамическом.
На их основе ТК базируется принцип работы триггеров, мультивибраторов, коммутаторов, блокинг-генераторы и многих других элементов. В зависимости от назначения и особенностей работы схемы ТК могут отличаться друг от друга.
Мигающий светодиод - всего четыре элемента
Существуют даже такие двойные транзисторы, хотя на практике достаточно выбрать пару обычных транзисторов с параметрами как можно ближе друг к другу. В конце чего-то более интересного - простой рецепт для мигающего диода. Начальная электроника обычно начинается с простых схем, которые производят различные типы световых или звуковых эффектов. Обычные игрушки, но позволяют вам ознакомиться с работой различных электронных компонентов. Посмотрите на диаграмму, показанную на рисунке 5.
В конце концов, база висит в воздухе, излучатель и коллекционер должны быть наоборот, поэтому ничто не должно мигать. Однако выясняется, что это другое - здесь используются некоторые особенности транзистора, работающие обратно, т.е. обратное. Сейчас это не самое главное, хорошо, что устройство работает.
ТК предназначен для коммутации цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов, смотри схему выше. Любой ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два главных состояния: разомкнутое, ему соответствует режим отсечки транзистора (VT - закрыт), и замкнутое, характеризуется режимом насыщения или режимом, приближенном к нему. В течение всего процесса переключения ТК работает в активном режиме.
Модель транзистора должна быть подходящей - если она не работает, попробуйте другой. Хорошее имя, но для чего это? Это генератор, состоящий из двух транзисторов, генерирующих чередующиеся импульсы. В зависимости от используемых компонентов он может генерировать колебания разных частот - от фракций Герца до сотен тысяч импульсов в секунду.
Диоды загорятся и уходят поочередно. Это вызвано чередованием нагрузки и разгрузки конденсаторов, что приводит к изменению базового тока противоположного транзистора. В следующих разделах мы рассмотрим другие электронные компоненты. Исключительно, в этом разделе в конце будут задачи и ссылки. Удачи в создании собственного дизайна!
Рассмотрим работу ключа на основе биполярного транзистора. Если на базе отсутствует напряжение относительно эмиттера, транзистор закрыт, ток через него не течет, на коллекторе всё напряжение питания, т.е. максимальный уровень сигнала.
Как только на базу транзистора поступает управляющий электрический сигнал, он открывается, начинает течь ток коллектор-эмиттер и происходит падение напряжения на внутреннем сопротивлении коллектора, затем, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе схемы, снижаются до низкого уровня.
Существует огромный плюс анимаций и картин - без них, вероятно, снова будет скучный учебник, с которым сложнее справиться. После переезда будет лучше создавать новые статьи, комментарии будут на форуме, изменит внешний вид немного вортал. Появляется сообщение об ошибке, возможно, некоторые предложения? Кажется, что возникает проблема загрузки отдельных файлов симулятора. Часто программа не может загрузить схему, она смешивает пути - лучшее, что один браузер может работать, а другой - проблемы.
- Это не так легко объяснил Петр Горецкий в книге «Экспедиции в мире электроники».
- Вы можете видеть, что дело очень ясное и прямолинейное.
Для практики соберем простую схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе. Используем для этого биполярный транзистор КТ817, резистор в коллекторной цепи питания номиналом 1 кОм, а по входу сопротивлением 270 Ом.
В открытом состоянии транзистора на выходе схемы имеем полное напряжение источника питания. При поступлении сигнала на управляющий вход напряжение на коллекторе ограничивается до минимума, где-то 0,6 вольт.
Транзисторы очень часто действуют как усилители, но они также работают как распределительные устройства, которые действуют как клапаны с управляемым ключом. На рисунке 2 показаны принципы их управления в импульсных системах. Чтобы открыть биполярный транзистор, вам необходимо передать ток через базовую схему.
Принцип управления транзисторами в импульсных схемах. Во многих приложениях транзисторы быстро оказались намного лучше, чем электронные трубки. Они также нашли ряд новых применений. Среди прочего, спрос на высокомощные транзисторы, высокое напряжение и постоянно растущий спрос увеличились. Постепенно улучшаются методы передачи тепла от конструкции к корпусу и далее в окружающую среду.
Кроме того, ТК можно реализовать и на полевых транзисторах. Принцип их работы почти аналогичен, но ни потребляют значительно меньший ток управления, а кроме того обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных частей, но существенно проигрывают в быстродействие по сравнению с биполярными. Транзисторные ключи используются практически в любом спектре радиоэлектронных устройств аналоговых и цифровых коммутаторах сигналов, системах автоматики и контроля, в современной бытовой технике и т.п
Развитые транзисторы со все большей степенью потери: несколько, десяток и, наконец, более 100 Вт. Также были увеличены максимально допустимые рабочие напряжения. Здесь проблема заключается в том, что высоковольтные транзисторы должны иметь более широкую базовую структуру, что означает ухудшение скорости и меньший коэффициент усиления. Вот почему высоковольтные транзисторы имеют и имеют небольшой коэффициент усиления тока, некоторые только 10 × и даже меньше. Им нужен высокий ток для их контроля. Различные умные решения улучшили свои динамические параметры.
Для коммутации нагрузок в цепях переменного тока лучше всего применять мощные полевые транзисторы. Этот класс полупроводников представлен двумя группами. К первой относят гибриды: биполярные транзисторы с изолированным затвором - БТИЗ или . Во вторую, входят классические полевые (канальные) транзисторы. Рассмотрим в качестве практического примера работу коммутатора нагрузки для сети переменного напряжения 220 вольт на мощном полевом VT типа КП707
Транзисторы становились все быстрее и быстрее. Некоторые из них были оптимизированы для быстрого переключения - импульсного переключения. Однако, несмотря на прогресс, они осознавали неизбежные ограничения, вытекающие из основополагающих принципов биполярных транзисторов. Были найдены лучшие решения, в том числе другие типы транзисторов.
Был изобретен ранний транзистор-переходник. Принцип построения и эксплуатации, показанный на рисунке 3, очень прост. Ток течет между источником и утечкой через так называемый. Канал, выполненный из однородного полупроводника. Поляризация этого соединителя в обратном или барьерном направлении увеличивает сопротивление канала и, следовательно, уменьшает ток транзистора.
Данная конструкция позволяет гальванически развязать цепи управления и цепь 220 вольт. В качестве развязки использованы оптроны TLP521. Кода напряжение на входных клеммах отсутствует, светодиод оптрона не горит, встроенный транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных полевых коммутирующих транзисторов. Поэтому, на их затворах имеется открывающее напряжение, равное уровню напряжения стабилизации стабилитрона VD1. В этом случае полевики открыты и работают по очереди, в зависимости от полярности периода переменного напряжения в текущий момент времени. Допусти, на выводе 4 , а на 3 - минус. Тогда ток нагрузки идет от клеммы 3 к 5, через нагрузку и к 6, затем через внутренний защитный диод VT2, через открытый VT1 к клемме 4. При смене периода, ток нагрузки идет уже через диод транзистора VT1 и открытый VT2. Элементы схемы R3, R3, C1 и VD1 это безтрансформаторный источник питания. Номинал резистора R1 соответствует входному уровню напряжению пять вольт и может быть изменен при необходимости. При поступление управляющего сигнала светодиод в оптроне загорается и шунтирует затворы обоих транзисторов. На нагрузку напряжение не поступает.
Этот разъем не может быть поляризован во время работы, так как он будет проходить через ток затвора, как обычный диод. Таким образом, с нулевым управляющим сигналом, проводите ток. Чтобы открыть этот транзистор, вам необходимо подать управляющее напряжение, равное нулю, то есть сократить ворота до источника.
В начале эпохи полупроводников мощные активные элементы и высоковольтные компоненты были только биполярными транзисторами. Принцип построения и эксплуатации тиристора очень прост. После исчезновения тока тиристор продолжает работать до тех пор, пока анодный ток не распадается. Ограничение - низкая рабочая частота, значительно ниже 1 кГц. Большинство этих компонентов работают в сетях с частотой 50 Гц.
Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем.
Ключи на биполярных транзисторах . Простейший ключ на биполярном транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером, и соответствующая временная диаграмма входного напряжения представлены на рис. 14.5.
Управляющий электрод представляет собой металлический затвор, который отделен от полупроводникового канала изоляционным слоем, который представляет собой тонкий слой оксида и, более конкретно, диоксид кремния. При нулевом напряжении управляющего затвора - затворе сопротивление канала огромно, а ток практически равен нулю.
В статических условиях ток не течет - периметр ворот превосходный, он не потребляет энергию. Однако при включении и выключении требуется энергия. Фактически, перегруженная нагрузка должна быть больше из-за влияния так называемой Мощность Миллера между утечкой и целью. Поэтому в каталогах показаны характеристики переключения, как показано на рисунке 8, показывающие изменения напряжения на затворе от изменения нагрузки на затвор. Уровень «лестницы» - это как раз эффект способности Миллера.
Рис. 14.5. Ключ на биполярном транзисторе
Рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t 1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режимеi к =– i б =I ко (I ко – обратный ток коллектора),i э ≈ 0. При этомu R б ≈u R к ≈ 0;u бэ ≈ –U 2 ;u кэ ≈–Е к .
Главное преимущество заключается в том, что в покое такие системы не потребляют ток. Потребление тока увеличивается с увеличением частоты переключения. В зависимости от напряжения затвора ширина и сопротивление канала, образованного между источником и сливом, различны. На рисунке 10 показаны эти диаграммы построения.
Чем больше ячеек, тем больше общая активная площадь и чем ниже сопротивление открытого транзистора. Это явление не называется. Второй прорыв, который делает их более устойчивыми к перегрузке. Со временем они были усовершенствованы, и в некоторых приложениях они полностью вытеснили биполярные транзисторы.
В промежутке времени t 1 …t 2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзистореu кэ было минимальным, напряжениеU 1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находится или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близким к режиму насыщения.
Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.
Максимальный непрерывный ток зависит от температуры конструкции - при хорошем охлаждении он может достигать 270 А! Но сегодня у них также есть удивительно хорошие свойства. Это особенно относится к их работе в роли клавиш - переключателей, работающих при низких напряжениях и низких частотах.
Мы даже получим идеальный коммутационный элемент с почти нулевым сопротивлением. Прежде всего, однако, что-то проще играть. Во-первых, проблема максимального рабочего напряжения. Здесь мы можем вспомнить аналогию диэлектрической прочности: чем толще диэлектрик, тем выше напряжение диэлектрика. И если он «толще», он будет иметь более высокое сопротивление после открытия.
Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p -типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 14.6).
Рис. 14.6. Полевой транзистор с каналом p-типа
Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.
Чтобы сравнить в этом отношении разные транзисторы, так называемые. Характеристическое сопротивление - сопротивление на единицу площади, выраженное в миллиметрах раз квадратный сантиметр или миллиметр раз в миллиметровом квадрате. Чтобы получить транзистор с низким сопротивлением, вам необходимо увеличить его поверхность. Но помните, что увеличение поверхности неизбежно увеличит входную мощность и, следовательно, нагрузку на затвор, необходимую для переключения.
Отношение рабочей частоты к току коллектора. Таким образом, можно было бы построить высоковольтные транзисторы с очень низким сопротивлением, но они имели бы неприемлемо высокую входную емкость и необходимую нагрузку на затвор, что бы отменить их способность быстро переключаться, а высоковольтные транзисторы чаще всего работают именно так.
В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.
Экономические соображения также играют важную роль - чем больше структура, тем выше стоимость и цена, что важно для конкуренции на рынке. Приблизительный диапазон «возможностей» для биполярных транзисторов. На рисунке 18 упрощенным образом показана разница во внутренней конструкции и уменьшение сопротивления. Ключом является создание в структуре довольно глубоких «столбцов», что непросто, и к тому, что в настоящее время в основном используется либо многоэпитаксиальной техникой, либо методом «глубокой канавы», поскольку эти «столбцы» не позволяют операторам «уходить вбок», Равномерное распределение электрического поля по длине канала, так что канал может быть короче и иметь меньшее сопротивление.
На рис. 14.7 приведена схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n -типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы.
Рис. 14.7. Цифровой ключ на полевом транзисторе
На схеме изображена емкость нагрузки С н , моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт иu си =Е с . Если напряжениеuвх больше порогового напряженияU зи.порог транзистора, то он открывается и напряжениеu си уменьшается.
Эти данные выходят за рамки статьи. Такие транзисторы были изобретены в 1980-х годах, и рынок стал доступен в девяностые годы. В то же время основным преимуществом биполярных транзисторов является высокое рабочее напряжение и относительно низкое напряжение насыщения при высоких токах проводимости.
Такая полупроводниковая структура обладает определенными характеристиками и ограничениями. Проблема сложная. Некоторое понятие ограничений приведено на рисунке 24, где показана более точная схема замены. Они используются, в частности. Для инверторов, инверторов, индукционных нагревателей, плазменных резаков и т.д.
Логические элементы
Логический элемент (логический вентиль) – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 14.8 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.
Рис. 14.8. Логические элементы
Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов.
Это не цены для любителей, но у любителей тоже нет необходимости работать с десятками киловольт и килоягерными токами. Пока что они не популярны. Для импульсных приложений важны параметры, связанные с включением и выключением. Максимальная частота также связана с рабочим током, поскольку чем больше ток, тем дольше переключатель и тем ниже максимальная рабочая частота.
Ограничение - это некоторые физические характеристики не столько структуры, сколько свойств материала - кремния. Между тем спрос на более быстрые коммутационные элементы постоянно растет. Прежде чем перейти к другим полупроводниковым материалам, которые, благодаря лучшим свойствам в наших глазах, набирают популярность в элементах переключения высокой мощности, отметим еще другие материалы и элементы. Многие из них могут считаться компонентами высокой мощности.
Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.
Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):
резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);
диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);
транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
р (р -МДП);
логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n -МДП);
логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);
интегральная инжекционная логика И 2 Л;
логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.
В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs– К6500.
Наиболее важные параметры логических элементов:
Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала t зр и максимальной рабочей частотойF макс . Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5U вх и 0,5ΔU вых . Максимальная рабочая частотаF макс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.
Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу К об (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). ВеличинаК об – это число логических входов, величинаК раз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы:К об =2…8,К раз =4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностьюК раз =20…30.
Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением U пст , которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.
Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.
Напряжение питания.
Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня U вх.1порог иU вх.0порог , соответствующие изменению состояния логического элемента.
Выходные напряжения высокого и низкого уровней U вых1 иU вых0 .
Используются и другие параметры.
Особенности логических элементов различных логик. Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла – базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.
Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 14.9).
Рис. 14.9. Базовый элемент ТТЛ
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т 2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т 4 , т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т 2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т 4 и запиранию транзистора Т 3 , т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.
Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент
И-НЕ (рис. 14.10,а ), а на рис. 14.10,б показано графическое изображение транзистора Шоттки.
Рис. 14.10. Логический элемент ТТЛШ
Транзистор VT4 – обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряженияu вх1 иu вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD3 иVD4 закрыты, транзисторыVT1,VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторыVT1 иVT5 закрыты, а транзисторыVT3 иVT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:
напряжение питания +5 В ;
выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В ;
выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В ;
помехоустойчивость – не менее 0,3 В;
среднее время задержки распространения сигнала 20 нс ;
максимальная рабочая частота 25 МГц .
Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (–4В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.
В микросхемах n -МОП иp -МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах сn -каналами и динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах сp -каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП-логические элементы (КМДП или КМОП-логика).
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAsхарактеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основеGaAsмогут работать на частотах порядка 10ГГц .