Схемы переключателей на транзисторах. Электронный выключатель

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!

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.

В настоящее время в радиоэлектронной аппаратуре часто применяют электронные выключатели, в которых одной кнопкой можно осуществлять как ее включение, так и выключение. Сделать такой выключатель мощным, экономичным и малогабаритным можно, если применить полевой переключательный транзистор и цифровую КМОП микросхему.

Схема простого выключателя приведена на рис. 1. Транзистор VT1 выполняет функции электронного ключа, а триггер DD1 им управляет. Устройство постоянно подключено к источнику питания и потребляет небольшой ток - единицы или десятки микроампер.

Если на прямом выходе триггера высокий логический уровень, то транзистор закрыт, нагрузка обесточена. При замыкании контактов кнопки SB1 триггер переключится в противоположное состояние, на его выходе появится низкий логический уровень. Транзистор VT1 откроется, и напряжение поступит на нагрузку. В таком состоянии устройство будет находиться до тех пор, пока снова не окажутся замкнутыми контакты кнопки. Тогда транзистор закроется, нагрузка обесточится.

Указанный на схеме транзистор имеет сопротивление канала 0,11 Ом, а максимальный ток стока может достигать 18 А. Следует учитывать, что напряжение затвор-сток, при котором транзистор открывается, составляет 4...4,5 В. При напряжении питания 5...7 В ток нагрузки не должен превышать 5 А, в противном случае падение напряжения на транзисторе может превысить 1 В. Если напряжение питания больше, ток нагрузки может достигать 10... 12 А.

Когда ток нагрузки не превышает 4 А, транзистор можно использовать без теплоотвода. Если ток больше, необходим теплоотвод, либо следует применить транзистор с меньшим сопротивлением канала. Подобрать его нетрудно по справойной таблице, приведенной в статье "Мощные переключательные транзисторы фирмы International Rektifier" в "Радио", 2001, №5, с. 45.

На такой выключатель можно возложить и другие функции, например, автоматическое отключение нагрузки при снижении или превышении питающим напряжением заранее установленного значения. В первом случае это может понадобиться при питании аппаратуры от аккумуляторной батареи, чтобы не допустить ее чрезмерного разряда, во втором - для защиты аппаратуры от завышенного напряжения.

Схема электронного выключателя с функцией отключения при снижении напряжения приведена на рис. 2. В него дополнительно введены транзистор VT2,стабилитрон,конденсатор и резисторы, один из которых - подстроенный (R4).

При нажатии на кнопку SB 1 полевой транзистор VT1 открывается, напряжение поступает на нагрузку. Из-за зарядки конденсатора С1 напряжение на коллекторе транзистора в начальный момент не превысит 0,7 В, т.е. будет иметь низкий логический уровень. Если напряжение на нагрузке станет больше установленного подстроечным резистором значения, на базу транзистора поступит напряжение, достаточное для его открывания. В этом случае на входе "S" триггера останется низкий логический уровень, а кнопкой можно включать и выключать питание нагрузки.

Как только напряжение снизится ниже установленного значения, напряжение на движке подстроечного резистора станет недостаточным для открывания транзистора VT2 - он закроется. При этом на коллекторе транзистора напряжение увеличится до высокого логического уровня, который поступит на вход "S" триггера. На выходе триггера появится также высокий уровень, что приведет к закрыванию полевого транзистора. Нагрузка обесточится. Нажатия на кнопку в этом случае приведут только к кратковременному подключению нагрузки и последующему ее отключению.

Для введения защиты от превышения питающего напряжения автомат следует дополнить транзистором VT3, стабилитроном VD2 и резисторами R5, R6. В этом случае устройство работает аналогично описанному выше, но при увеличении напряжения выше определенного значения транзистор VT3 откроется, что приведет к закрыванию VT2, появлению высокого уровня на входе "S" триггера и закрыванию полевого транзистора VT1.

Кроме указанных на схеме, в устройстве можно применить микросхему К561ТМ2, биполярные транзисторы КТ342А-КТ342В, КТ3102А-КТ3102Е, стабилитрон КС156Г. Постоянные резисторы - МЛТ, С2-33, Р1-4, подстроенные - СПЗ-3, СПЗ-19, конденсатор - К10 17, кнопка - любая малогабаритная с самовозвратом.

При использовании деталей для поверхностного монтажа (микросхема CD4013, биполярные транзисторы КТ3130А-9 - КТ3130Г-9, стабилитрон BZX84C4V7, постоянные резисторы P1-I2, конденсатор К10-17в) их можно разместить на печатной плате (рис. 3) из односторонне фольгированного стеклотекстолита размерами 20x20 мм. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 4.

Союз Советских

Социалистических

Республик

Завиоимое от авт. свидетельства %в

Заявлено 12.Ч.1969 (№ 1331460/26-9) МПК Н 03k 17/60

Н 031 17/!6 с присоединением заявки М—

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

В. И. Котельников, Л. П. Соляник и Ю. А. Замрыка

Заявитель

ДВУХПОЗИЦИОННЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности, к точным компенсационным устройствам электроизмер ительных прибо ров и может быть также.испол ьзова но в радиоиз мерительной технике.

Недо статком известных схем подоб1ного рода устройств является. наличие остаточного напряжения на переходах коллектор-эмиттер транзист,.;ров.

Цель изобретения — устранить остаточное напряжение между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора. Это достигается лутем включения нараллельно нагрузоч ному резистору цепочки, состоящей из последо вательно соединенных резистора и дополнительного источника питания.

Схезма предлагаемого устройства показана н а ч ер те же.

Д вухпозиционный транзистор ный переключатель состоит из двух транзисторов 1 и 2 типа P — N — P проводимост1и, соединенных между собой.коллекторами. Базы этих транзисторов через соответствующие переменные резисторы 8 и 4 подсоединены к управляющему устройству 5, имеющему два выхода. Нагрузочный резистор б включен между эмиттером и коллектором транзистора 2.

Вспомогательный источник 7 и резистор 8 включены параллельно резистору б. Источник

9 коммутирующего на пряжения с указанной лолярностью включен между эмиттерами транзисторов 1 и 2.

Звухпозиционный транзисторный переключатель работает следующим образом.

5 Если к цепи управления транзистором 1 приложено напряжение управляющего сигна;13 отрицательной полярности, тогда и цепи управления транзистором 2 прикладывается напряжение положительной полярности. Тра н10 зистор 1 будет находиться в открытом (насыщенном), а транзистор 2 — в за крытом состояниии

Напряжение управляющего сигнала отрицательной полярности должно обеспечить

15 пряхьое смещен5ие.перехода база-эхвиттер транзистора 1, а на пряжение управляющего сигнала положительной полярности — заниранне транзистора 2 (режим отсечками) .

При та ком смещении ток, вытекающий из базы транзистора 1, равен сумме эхтиттерного и коллекторного токов. Ток через переход коллектор †ба этого же транзистора 1 равен сумме токов, лротекаюшнх через резисторы б и 8. Значения этих токов постоянны, ес25 ли напряжение источников 7, 9 стабильны и напряжен;е на переходе коллектор — эмиттер транзистора 1 отсутствует.

Путем изменения сопротивления переменного резистора 5 можно регулировать ток чеЗ0 рез переход эмиттер-база и добиться компен299028

Предмет изобретения

Составитель Л. Рубинчик

Текред Л. Л. Евдонов Корректор А. П. Васильева

Редактор Э. Н. Шибаева

Заказ 111/460. Изд, № 343. Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий IIpa Совете MHIII3cTpOD СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип, Харьк. фил, пред, «Патент» сяцип пядония ня п13яжен3!я ня переходе коллектор-эмиттер.

В этом случае напряжение на нагрузке равно напряженгно коммутируемого источника.

Если транзистор 1 закрыт, а тра нзистор 2 открыт, токи через переходы транзистора 2 протекают анялогич-ko, кяк и в транзисторе 1 (для случая открытого состояния) с той лишь разницей, что ток, протекающий через переход коллектор — база,определяется теперь только и сточни ком 7 и рези с гором 8.

Ток 3миттерно — оазсзого перехода регулируется аналогично вын!еизложенному для открытого состояния транзистора 1 с помощью переменного резистора 4 до компенсации падения напряжения на переходе коллектор— эмиттер транзистора 2., 1ля этого случая напряжение на нагрузке равно нулю.

Источник 7 напряжения и резистор 8 предназначены также для устранения дополнительной.погрешности напряжения на нагрузке от различных режимов работы транзисторов в открытом состоянии и повышения стабильности работы переключателя при изменении температуры и при подключении параллельно нескольких таких же переключателей (в naparIлельных делителях напряжения) .

С,помощью этого источника через коллекторно-базовые переходы открытых TpaiH3HcropoI3 !Зропускается до!волнительный ток, величина которого выбирается значительно больше основного тока (тока нагрузки) . Благодаря этому, транзисторы 1 и 2 переключателя работают в одинаковых режимах. При этом изменения тепловых токов значительно снижают свое влняние на состояние переходов открытых транзисторов, а также снижается взаимное влияние переключателей при их подключении, что и обеспечивает стабильность их работы.

Двухпозиционный транзисторный переключатель, образованный двумя последовательно соединенными транзисторами, коллекторы которых объединены и подключены к нагрузке, а базы подключены к выходам управляющего устройства через переменные резисторы, отличаюи1ийся тем, что, с целью устранения остаточного напряжения между коллектором и: эзпиттероз!,насыщенного транзистора, параллельно нагрузочному резистору подключена цепочка, состоящая на последовательно соединенных резистора и дополнительного источника питания.

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ

Микросхема К162КТ1. Микросхема (рис. 6.1) содержит два транзистора типа р-n-р с общим выводом коллектора и приме­няется в прерывателях с автономным управляющим источником. Огтаточное напряжение между контактами 1 и 7 при базовом токе 2 мА составляет: К162КТ1А - 100 мкВ, К162К.Т1Б - 200 мкВ, К162КТ1 - 300 мкВ. Сопротивление между эмиттерами равно 100 Ом. Обратное напряжение база - эмиттер - 30 В а коллек­тор - база - 20 В.

Рис. 6.1 Рис. 6.2

Микросхема К101КТ1. В микросхеме применены транзисторы с проводимостью типа n-р-n (рис. 6.2). Для управления микросхемой необходимо иметь управляющий сигнал, не связанный с общей ши­ной. Остаточное напряжение между контактами 3 и 7 для групп А, В составляет менее 50 мкВ, а для групп Б, Г - менее 150 мкВ. Напряжение между эмиттерами для групп А, Б составляет 6,3 b] а для групп В, Г - 3 В. Ток через транзисторы не более 10 мА! Сопротивление между эмиттерами менее 100 Ом. Ток утечки между эмиттерами менее 10~ 8 А.

Рис. 6.3

Микросхемы К168КТ1 и К168КТ2. Эти микросхемы (рис. 6.3) применяют в качестве коммутаторов аналогового сигнала. Управ­ляемый и входной сигналы имеют общую шину. Остаточное напря­жение сток - исток менее 10 мкВ. Сопротивление открытого тран­зистора менее 100 Ом. Ток утечки сток - истбк для групп А, Б, В - менее ШиА. Ток утечки детвора не превышает 10нА. Время включения равно 0,3 мкс, а время выключения - 0,7 мкс. Допусти­мые напряжения между затвором и подложкой 30 В, а между истоком и стоком - подложкой для группы А - 10 В, для группы Б - 15 В, для группы В - 25 В.

Модулятор последовательно-параллельного типа. Работа модулятора (рис. 6.4) основана на поочередном открывании и за­крывании транзисторов. Когда импульс положительной полярности приходит на базу VT1, то транзистор открывается и через него протекает ток, значение которого определяется сопротивлением ре­зистора RL Входной сигнал проходит на выход. В следующий полупериод управляющего сигнала положительный импульс откры­вает транзистор VT2, транзистор VT1 закрывается. Выход подклю­чается к нулевой шине. Важным фактором в работе схемы являет­ся равенство остаточных напряжений. Для выравнивания этих на­пряжений служит резистор R1.

Дистанционный выключатель. В схеме выключателя (рис. 6.5, а) для открывания транзисторного ключа используется выпрямленное с помощью диода VD1 и конденсатора С1 управляющее напряже­ние. В схеме отсутствуют импульсные помехи, связанные с пере­ключением транзисторов. Управление осуществляется гармонически­ми сигналами с амплитудой 2 - 3 В. Протекающий через транзисто­ры ток создает падение напряжения. Зависимость падения напря­жения на ключе от протекающего тока показана на рис. 6,5, б.

Однополупериодный модулятор. Модулятор (рис. 6.6, а) по­строен на микросхеме К101КТ1В. Управляющий сигнал прямоуголь­ной формы с амплитудой 2 В одновременно открывает оба транзи­стора. Входной сигнал поступает на первичную обмотку выходного трансформатора. Учитывая характеристику зависимости остаточного напряжения от управляющего тока, входной сигнал должен йревы-шать значение 20 - 30 мкВ.

Остаточное напряжение можно уменьшить, подбирая управля­ющий ток, протекающий через один из резисторов. В некоторых случаях регулировкой сопротивления резистора R1 можно добиться полной компенсации остаточного напряжения. На рис. 6.6, б пред­ставлена зависимость U 0 ст от I уир для наиболее типичного случая.

Двухполупериодный модулятор. Модулятор (рис. 6.7) работает на частоте 20 кГц. Амплитуда управляющих импульсов прямоуголь­ной формы равна 4 В. В результате поочередного открывания тран­зисторов VT1 и VT2 входной сигнал попадает на разные выводы первичной обмотки Тр2. На вторичной обмотке появится сигнал прямоугольной формы с амплитудой входного сигнала.

Для уменьшения влияния остаточного напряжения на транзи­сторах в схему введены резисторы R1 и R4. С помощью резистора R1 выравниваются управляющие базовые токи, в результате чего остаточное напряжение составляет около 4 мВ. Резистор R4 ком­пенсирует это напряжение и тем самым позволяет создать модуля­тор с чувствительностью около 10 мкВ.

Компенсационный модулятор. Для уменьшения начального уров­ня в модуляторе (рис. 6.8) применяется сложная схема подачи управляющнх сигналов. Поскольку начальный уровень модуляторов определяется импульсными сигналами, которые проходят через ем­кости база - коллектор, то подстройка сводится к изменению переднего и заднего фронтов управляющих сигналов. Управляющий сигнал с амплитудой 15 В подается на первичную обмотку транс­форматора. С помощью резисторов R3 и R4 и диодов VD3 и VD4 фронты управляющих импульсов заваливаются настолько, что поз­воляют скомпенсировать помеху до уровня менее 30 мкВ.

Рис. 6.4

Рис. 6.5

Рис. 6.6

Рис. 6.7 Рис. 6.8