Расчет транзисторного ключа

Обычно студенты пугаются слова усилитель. Однако в случае цифрового сигнала усилитель вырождается в схему электронного ключа. Это означает, что не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току.

Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток надо смотреть по справочнику или DATASHEET на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h_21э можно определить по формуле (1):

(1)

В нашем случае ток коллектора равен току через лампу, а ток базы - это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (I_вых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107.

Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор. Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2. Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме

В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле (2):

Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него:

R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом

При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 1.1.3.

Рисунок 1.1.3. Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока.

В этой схеме видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7В и, тем самым, открыть транзистор. Для того, чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 1.1.1) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора.

Рисунок 1.1.4. Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока транзисторного ключа резистором при формировании цифровой микросхемой нулевого потенциала.

В этой схеме можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен:

I_R2=4 мА/3 =1,3 мА

Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Напомню, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В.

R2 = U_б/I_R2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом

В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!