Interruttore elettronico a transistor - Principio di funzionamento e schema

Nei dispositivi a impulsi è spesso possibile trovare interruttori a transistor. Gli interruttori a transistor si trovano in infradito, interruttori, multivibratori, generatori di blocco e altri circuiti elettronici. In ogni circuito, l'interruttore a transistor svolge la sua funzione e, a seconda della modalità operativa del transistor, il circuito dell'interruttore nel suo insieme può cambiare, ma il diagramma schematico di base dell'interruttore a transistor è il seguente:

Esistono diverse modalità di funzionamento di base di un interruttore a transistor: modalità attiva normale, modalità di saturazione, modalità di interruzione e modalità inversa attiva. Sebbene il circuito dell'interruttore a transistor sia fondamentalmente un comune circuito amplificatore a transistor emettitore, questo circuito differisce per funzione e modalità da un tipico amplificatore.

In un'applicazione chiave, il transistor funge da interruttore rapido e gli stati statici principali sono due: il transistor è spento e il transistor è acceso. Stato bloccato: stato aperto quando il transistor è in modalità di interruzione.Stato chiuso: lo stato di saturazione del transistor o uno stato vicino alla saturazione, in cui il transistor è aperto. Quando il transistor passa da uno stato all'altro, è una modalità attiva in cui i processi in cascata non sono lineari.

Gli stati statici sono descritti in base alle caratteristiche statiche del transistor. Ci sono due caratteristiche: la famiglia di uscita - la dipendenza della corrente di collettore dalla tensione collettore-emettitore e la famiglia di ingresso - la dipendenza della corrente di base dalla tensione base-emettitore.

La modalità di interruzione è caratterizzata dalla polarizzazione delle due giunzioni pn del transistor nella direzione opposta, e vi è un'interruzione profonda e un'interruzione superficiale. Un guasto profondo si ha quando la tensione applicata alle giunzioni è 3-5 volte superiore alla soglia e ha la polarità opposta a quella operativa. In questo stato, il transistor è aperto e le correnti ai suoi elettrodi sono estremamente piccole.

In un'interruzione superficiale, la tensione applicata a uno degli elettrodi è inferiore e le correnti degli elettrodi sono superiori rispetto a un'interruzione profonda, con il risultato che le correnti dipendono già dalla tensione applicata secondo la curva inferiore della famiglia di caratteristiche di uscita , questa curva è chiamata «caratteristica limite» ...

Ad esempio, eseguiremo un calcolo semplificato per la modalità chiave del transistor che funzionerà su un carico resistivo. Un transistor rimarrà a lungo in uno solo dei due stati fondamentali: completamente aperto (saturazione) o completamente chiuso (taglio).

Lascia che il carico del transistor sia la bobina del relè SRD-12VDC-SL-C, la cui resistenza della bobina a 12 V nominali sarà di 400 ohm.Ignoriamo la natura induttiva della bobina del relè, lasciamo che gli sviluppatori forniscano un silenziatore per proteggere dalle emissioni transitorie, ma calcoleremo in base al fatto che i relè si accenderanno una volta e per molto tempo. Troviamo la corrente del collettore con la formula:

Ik = (Upit-Ukenas) / Rn.

Dove: Ik — corrente continua del collettore; Usup — tensione di alimentazione (12 volt); Ukenas — tensione di saturazione del transistor bipolare (0,5 volt); Rn — resistenza di carico (400 Ohm).

Otteniamo Ik = (12-0,5) / 400 = 0,02875 A = 28,7 mA.

Per fedeltà, prendiamo un transistor con un margine per la corrente limite e la tensione limite. Va bene un BD139 in un pacchetto SOT-32. Questo transistor ha parametri Ikmax = 1,5 A, Ukemax = 80 V. Ci sarà un buon margine.

Per fornire una corrente di collettore di 28,7 mA, è necessario fornire un'adeguata corrente di base.La corrente di base è determinata dalla formula: Ib = Ik / h21e, dove h21e è il coefficiente di trasferimento di corrente statico.

I moderni multimetri consentono di misurare questo parametro, e nel nostro caso era 50. Quindi Ib = 0,0287 / 50 = 574 μA. Se il valore del coefficiente h21e è sconosciuto, per affidabilità puoi prendere il minimo dalla documentazione per questo transistor.

Per determinare il valore del resistore di base richiesto. La tensione di saturazione dell'emettitore principale è di 1 volt. Ciò significa che se il controllo viene eseguito da un segnale dall'uscita di un microcircuito logico, la cui tensione è di 5 V, quindi per fornire la corrente di base necessaria di 574 μA, con una caduta alla transizione di 1 V, otteniamo :

R1 = (Uin-Ubenas) / Ib = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ohm

Scegliamo il lato più piccolo (in modo che la corrente sia pienamente sufficiente) del resistore serie standard da 6,8 kOhm.

MA, affinché il transistor commuti più velocemente e l'operazione sia affidabile, utilizzeremo un resistore aggiuntivo R2 tra la base e l'emettitore e su di esso cadrà una certa potenza, il che significa che è necessario ridurre la resistenza del resistore R1. Prendiamo R2 = 6,8 kΩ e regoliamo il valore di R1:

R1 = (Uin-Ubenas) / (Ib + I (tramite resistore R2) = (Uin-Ubenas) / (Ib + Ubenas / R2)

R1 = (5-1) / (0,000574 + 1/6800) = 5547 ohm.

Sia R1 = 5,1 kΩ e R2 = 6,8 kΩ.

Calcoliamo le perdite di commutazione: P = Ik * Ukenas = 0,0287 * 0,5 = 0,014 W. Il transistor non necessita di dissipatore.