Interruttori a transistor: circuito, principio di funzionamento e caratteristiche

I microcontrollori possono essere utilizzati per controllare dispositivi potenti - lampade ad incandescenza, riscaldatori di riscaldamento, persino azionamenti elettrici. A tale scopo vengono utilizzati interruttori a transistor - dispositivi per la commutazione del circuito. Si tratta di dispositivi universali che possono essere utilizzati letteralmente in qualsiasi campo di attività, sia nella vita quotidiana che nell'ingegneria automobilistica.

Cos'è una chiave elettronica?

La chiave è, se semplificata, un normale interruttore. Con esso, il circuito elettrico viene chiuso e aperto. in transistor bipolare Ci sono tre conclusioni:

1. Collector.
2. Emettitore.
3. Base.

Le chiavi elettroniche sono costruite su semiconduttori bipolari: il design è semplice, non richiede un numero elevato di elementi. Usando l'interruttore, il circuito viene chiuso e aperto. Questo accade usando un segnale di controllo (che produce un microcontrollore), fornito alla base del transistor.

Carica commutazione

I circuiti semplici sugli interruttori a transistor possono essere utilizzati per commutare correnti nel campo di 0,15 ... 14 A, tensioni di 50 ... 500 V. Tutto dipende dal tipo specifico di transistor. La chiave può commutare carichi di 5-7 kW utilizzando un segnale di controllo la cui potenza non supera le centinaia di milliwatt.

Invece di interruttori a transistor, è possibile utilizzare semplici relè elettromagnetici. Hanno una dignità - nessun riscaldamento si verifica durante il funzionamento. Ma la frequenza dei cicli di accensione e spegnimento è limitata, quindi usali in inverter o alimentatori a impulsi creare una sinusoide è impossibile. Ma in generale, il principio di funzionamento di una chiave su un transistor a semiconduttore e un relè elettromagnetico è lo stesso.

Relè elettromagnetico

Un relè è un elettromagnete che controlla un gruppo di contatti. È possibile tracciare un'analogia con un interruttore a pulsante convenzionale. Solo nel caso di un relè, la forza viene presa non dalla mano, ma dal campo magnetico che si trova attorno alla bobina di eccitazione. I contatti possono commutare un carico molto grande, tutto dipende dal tipo di relè elettromagnetico. Questi dispositivi sono molto popolari nella tecnologia automobilistica - sono utilizzati per accendere tutti i potenti consumatori di energia elettrica.

Ciò consente di suddividere tutte le apparecchiature elettriche della vettura in un'unità di potenza e controllare. Il consumo di corrente dell'avvolgimento di eccitazione del relè è molto piccolo. E i contatti di potenza hanno una deposizione di metalli preziosi o semi-preziosi, che elimina la probabilità di un arco. È possibile utilizzare interruttori a transistor da 12 volt anziché relè. Allo stesso tempo, la funzionalità del dispositivo è migliorata: l'inclusione è silenziosa, i contatti non fanno clic.

Perni del relè elettromagnetico

Di solito ci sono 5 pin nei relè elettromagnetici:

1. Due contatti da controllare. L'avvolgimento di eccitazione è collegato a loro.
2. Tre contatti destinati alla commutazione. Un contatto comune, che è normalmente chiuso e normalmente aperto con gli altri.

A seconda del circuito di commutazione utilizzato, vengono utilizzati i gruppi di contatti. L'interruttore a transistor ad effetto di campo ha 3-4 contatti, ma l'operazione è la stessa all'incirca nello stesso modo.

Come funziona il relè elettromagnetico

Il principio di funzionamento del relè elettromagnetico è abbastanza semplice:

1. L'avvolgimento attraverso il pulsante si collega all'alimentatore.
2. Nel vuoto circuito di alimentazione I contatti di alimentazione del consumatore sono accesi.
3. Quando viene premuto il pulsante, l'avvolgimento viene energizzato, la piastra viene attratta e il gruppo di contatti viene chiuso.
4. La corrente è fornita al consumatore.

Approssimativamente nello stesso modo, gli interruttori a transistor funzionano - non c'è solo un gruppo di contatti. Le loro funzioni sono eseguite da un cristallo semiconduttore.

Conduttività transistor

Una delle modalità di funzionamento del transistor: la chiave. In effetti, serve da interruttore. Non ha senso toccare i circuiti degli stadi dell'amplificatore, non appartengono a questa modalità operativa. I triodi a semiconduttore vengono utilizzati in tutti i tipi di dispositivi: nella tecnologia automobilistica, nella vita quotidiana, nell'industria. Tutti i transistor bipolari possono avere questo tipo di conduttività:

1. PNP.
2. NPN.

Il primo tipo comprende semiconduttori realizzati sulla base del germanio. Questi elementi sono diffusi più di mezzo secolo fa. Un po 'più tardi, come elemento attivo, iniziarono a usare il silicio, la cui conduttività inversa - npn.

Il principio di funzionamento dei dispositivi è lo stesso, differiscono solo per la polarità della tensione di alimentazione, nonché per i singoli parametri. La popolarità dei semiconduttori di silicio al momento è più alta, sono quasi completamente soppiantati al germanio. E la maggior parte dei dispositivi, compresi gli interruttori a transistor, sono realizzati su celle di silicio bipolare con una conduttività di npn.

Modalità chiave transistor

Un transistor in modalità chiave esegue le stesse funzioni di un relè o di un interruttore elettromagnetico. La corrente di controllo scorre come segue:

1. Dal microcontrollore attraverso la transizione "base - emettitore".
2. In questo caso, si apre il canale "collector - emitter".
3. Attraverso il canale "collector - emitter" puoi saltare la corrente, il cui valore è centinaia di volte superiore alla base.

La particolarità degli interruttori a transistor è che la frequenza di commutazione è molto più alta di quella del relè. Un cristallo semiconduttore può trasformare migliaia di transizioni da aperto a chiuso e viceversa in un secondo. Pertanto, la velocità di commutazione dei transistor bipolari più semplici è circa 1 milione di volte al secondo. Per questo motivo, i transistor vengono utilizzati negli inverter per creare un'onda sinusoidale.

Principio di funzionamento del transistor

L'elemento funziona esattamente come nella modalità dell'amplificatore di potenza. Infatti, all'ingresso viene applicata una piccola corrente di controllo, che viene amplificata centinaia di volte a causa del fatto che la resistenza tra l'emettitore e il collettore cambia. Inoltre, questa resistenza dipende dalla quantità di corrente che scorre tra l'emettitore e la base.

A seconda del tipo di transistor varia il pinout. Pertanto, se è necessario determinare le conclusioni dell'elemento, è necessario fare riferimento alla directory o al foglio dati. Se non è possibile fare riferimento alla letteratura, è possibile utilizzare il riferimento per determinare i risultati. C'è anche una funzione con transistor - potrebbero non essere completamente aperti. I relè, ad esempio, possono essere in due stati: chiuso e aperto. Ma al transistor la resistenza del canale "emettitore - collettore" può variare entro ampi limiti.

Un esempio del transistor in modalità chiave

Guadagno - questa è una delle principali caratteristiche del transistor. È questo parametro che mostra quante volte la corrente che fluisce attraverso il canale emettitore-collettore è superiore alla corrente di base. Supponiamo che il coefficiente sia uguale a 100 (questo parametro è denotato da h _21E ). Ciò significa che se una corrente di 1 mA viene applicata al circuito di controllo (corrente di base), allora alla transizione "collector-emitter" sarà 100 mA. Di conseguenza, c'è stato un aumento della corrente in ingresso (segnale).

Durante il funzionamento, il transistor si riscalda, quindi ha bisogno di raffreddamento passivo o attivo - radiatori e refrigeratori. Ma il riscaldamento si verifica solo quando il passaggio "collettore-emettitore" non si apre completamente. In questo caso, più potenza viene dissipata - deve essere messa da qualche parte, devi "sacrificare" l'efficienza e rilasciarla sotto forma di calore. Il riscaldamento sarà minimo solo in quei casi in cui il transistor è chiuso o aperto completamente.

Modalità di saturazione

Tutti i transistor hanno un determinato valore di ingresso corrente. Non appena viene raggiunto questo valore, il guadagno cessa di giocare un ruolo importante. In questo caso, la corrente di uscita non cambia affatto. La tensione sui contatti "base - emettitore" potrebbe essere superiore a quella tra il collettore e l'emettitore. Questo è lo stato di saturazione, il transistor si apre completamente. La modalità chiave indica che il transistor funziona in due modalità: o è completamente aperto o chiuso. Quando l'alimentazione della corrente di controllo è completamente bloccata, il transistor si chiude e non scorre corrente.

Disegni pratici

Esistono molti schemi pratici per l'utilizzo dei transistor nella modalità chiave. Spesso vengono utilizzati per accendere e spegnere i LED per creare effetti speciali. Il principio di funzionamento degli interruttori a transistor consente non solo di realizzare "giocattoli", ma anche di implementare circuiti di controllo complessi. Ma è necessario utilizzare resistori nei progetti per limitare la corrente (sono installati tra la sorgente del segnale di controllo e la base del transistor). Ma la sorgente del segnale può essere qualsiasi cosa: un sensore, un interruttore a pulsante, un microcontrollore, ecc.

Lavora con i microcontrollori

Quando si calcola l'interruttore a transistor, è necessario tenere conto di tutte le caratteristiche dell'elemento. Affinché il sistema di controllo funzioni sul microcontrollore, vengono utilizzate amplificazioni a cascata sui transistor. Il problema è che il segnale di uscita del controller è molto debole, non è sufficiente accendere l'avvolgimento del relè elettromagnetico (o aprire la transizione di un interruttore di alimentazione molto potente). È meglio usare un interruttore a transistor bipolare, che controlla l'elemento MOSFET.

Vengono applicati i disegni semplici costituiti da tali elementi:

1. Transistor bipolare.
2. Resistore per limitare la corrente di ingresso.
3. Diodo semiconduttore.
4. Relè elettromagnetico.
5. Alimentazione 12 volt.

Il diodo è installato parallelamente alla bobina del relè, è necessario per evitare che il transistor si rompa con un impulso EMF alto che appare quando l'avvolgimento è spento.

Il segnale di controllo è prodotto dal microcontrollore, entra nella base del transistor e amplifica. Quando ciò accade, la potenza viene applicata all'avvolgimento del relè elettromagnetico - il canale "collettore-emettitore" si apre. Quando i contatti di potenza sono chiusi, il carico è acceso. Il controllo a chiave a transistor avviene in modalità completamente automatica - la partecipazione umana non è praticamente necessaria. La cosa principale è programmare correttamente il microcontrollore e collegare sensori, pulsanti, attuatori ad esso.

L'uso di transistor nei disegni

È necessario studiare tutti i requisiti per i semiconduttori che verranno utilizzati nella costruzione. Se si prevede di controllare l'avvolgimento di un relè elettromagnetico, è necessario prestare attenzione alla sua potenza. Se è alto, è improbabile che l'uso di transistor miniaturizzati come KT315 funzioni: non sarà in grado di fornire la corrente necessaria per alimentare l'avvolgimento. Pertanto, è consigliabile in Power Engineering utilizzare potenti transistor ad effetto di campo o assemblea. La loro corrente di ingresso è molto piccola, ma il guadagno è ampio.

Non è necessario utilizzare potenti relè per commutare carichi bassi: questo è irragionevole. Assicurarsi di utilizzare fonti di alimentazione di alta qualità, provare a scegliere la tensione in modo che il relè funzioni in modalità normale. Se la tensione è troppo bassa, i contatti non saranno attratti e l'accensione non si verificherà: il campo magnetico sarà piccolo. Ma se usi una sorgente con una grande tensione, l'avvolgimento inizierà a scaldarsi e forse anche a fallire.

Assicurarsi di utilizzare i transistor a bassa e media potenza come buffer quando si lavora con microcontrollori, se è necessario includere carichi potenti. Come dispositivi di potenza è meglio usare gli elementi MOSFET. La connessione al microcontrollore è la stessa dell'elemento bipolare, ma ci sono alcune piccole differenze. Il funzionamento di un transistor transistor con transistor MOSFET è lo stesso di quello bipolare: la resistenza della giunzione può variare in modo uniforme, trasferendo l'elemento dallo stato aperto a quello chiuso e viceversa.