Биполярный транзистор наиболее часто применяется для усиления сигнала или как электронный ключ. В этой статье изучим работу транзистора в качестве электронного ключа.
Для начала рассмотрим базовую схему включения транзистора в ключевом режиме.
Для того, чтобы транзисторный ключ на биполярном транзисторе открылся, необходимо подать напряжение на базу относительно эмиттера. На рисунке 1 такой источник напряжения показан как источник напряжения питания база-эмиттер Uбэ. Стоит учитывать, что для полноценного открытия транзистора необходимо, чтобы напряжение Uбэ было не менее 0,6 В, что является типичной величиной для кремниевых транзисторов (это напряжение открытия p–n-перехода). Для транзистора NPN-типа (на рисунке 1 представлен слева) плюс источника напряжения Uбэ прикладывается к базе, а минус — к эмиттеру. Как только напряжение база-эмиттер будет выше 0,6 В, потечёт ток базы Iб через резистор Rб. В реальных схемах рекомендуется ставить токоограничивающий резистор перед базой для предотвращения выхода из строя самого транзистора и чтобы не перегружать источник напряжения (например, цифровой выход микроконтроллера).
Теперь транзистор открыт, и через переход коллектор-эмиттер может протекать ток. В этом случае должно быть приложено напряжение Uкэ к коллектору относительно эмиттера не менее 0,6 В для открытия p–n-перехода. Для транзистора NPN-типа плюс напряжения питания прикладывается к коллектору, а минус — к эмиттеру. На рисунке 1 указан стрелочкой путь протекания тока коллектора Iк. Ток ограничивается резистором Rк по тем же причинам, что и в случае с током базы. У реальных транзисторов переходное сопротивление коллектор-эмиттер может быть не более 1 Ом, и потому при отсутствии токоограничивающего резистора протекающий ток коллектора может запросто сжечь транзистор.
Для транзистора PNP-типа принцип работы аналогичен, необходимо лишь поменять полярности источников напряжения Uбэ и Uкэ.
Стоит обратить внимание, что направления протекания токов базы и коллектора совпадают с направлением стрелки эмиттера в условном графическом обозначении транзистора. Благодаря этому, намного проще сориентироваться в том, как правильно соблюсти полярность подключения управляющего напряжения Uбэ и напряжения питания Uкэ управляемого тока Iк.
Для закрепления материала, рассмотрим схему включения питания для миниатюрной лампочки накаливания. Для выполнения поставленной задачи мы возьмём:
1) транзистор NPN-типа модели BD139;
2) лампочка накаливания с номинальным напряжением питания 12 В и током потребления 0,5 А (потребляемая мощность 6 Вт);
3) резистор для базовой цепи номиналом 180 Ом;
4) клавишный выключатель;
5) в качестве источника напряжения для управляющего сигнала выберем батарею с номинальным напряжением 3,7 В. Для питания лампочки выберем батарею с напряжением 12 В.
На рисунке 2 представлена принципиальная схема электронного ключа на базе биполярного транзистора для подачи питания на лампочку накаливания.
Как было сказано выше, минимальное управляющее напряжение Uбэ для открывания транзистора составляет 0,6 В. Поэтому, чтобы наш ключ открылся полностью, уверенно, «твёрдо и чётко», подадим на базу, например, 2 В. Выбранного источника напряжения для управляющего сигнала вполне хватает. Для уверенного отпирания транзистора достаточно пропустить ток базы величиной 10 мА. Таки образом, необходимо определиться с токоограничивающим резистором для базы.
Величина сопротивления, через которое протекает известный ток, равно отношению величины напряжения, падающего на сопротивлении, к величине протекаемого тока:
R = U / I; R1 = 1,7 / 0,01 = 170 Ом.
Ближайшим номиналом из стандартного ряда E24 для резисторов является сопротивление 180 Ом. Теперь, если быть точным, ток базы будет немного меньше, чем 10 мА, но это сильно не повлияет на работу транзисторного ключа.
Теперь рассмотрим цепь, в которой включена лампочка накаливания. Сама по себе лампочка тоже имеет сопротивление. Это можно определить тоже по закону Ома: номинальное напряжение питания лампочки разделить на номинальный ток потребления. При потребляемой мощности 6 Вт определяем, что ток потребления 0,5 А:
I = P / U; I = 6 / 12 = 0,5 A.
Исходя из полученных данных, определим сопротивление лампочки:
Rлампочка = 12 / 0,5 = 24 Ом.
Для полноценной работы лампочки в нормальном режиме ток ограничивать дополнительным сопротивлением нам не нужно. Используемый нами транзистор легко способен выдержать ток коллектора 0,5 А и напряжение Uкэ = 12 В.
В итоге, как будет работать наша схема. При замыкании клавишного выключателя SA1 замкнётся цепь для протекания тока базы (ток будет течь по цепи: «+» батареи BAT1 — клавишный выключатель — токоограничивающий резистор R1 — база транзистора — эмиттер транзистора — «-» батареи BAT1). Транзистор откроется, через переход коллектор-эмиттер потечёт ток коллектора (ток будет течь по цепи: «+» батареи BAT2 — лампочка накаливания — коллектор транзистора — эмиттер транзистора — «-» батареи BAT2).