Operação do transistor no modo de chave

Para simplificar a história, você pode imaginar transistor na forma de um resistor variável. A conclusão da base é exatamente a alça que você pode torcer. Nesse caso, a resistência da seção coletor - emissor muda. Claro, você não precisa torcer a base, ela pode sair. Mas aplicar alguma voltagem em relação ao emissor, é claro, é possível.

Se a tensão não for aplicada, basta tirar e fechar as conclusões da base e do emissor, mesmo que não sejam curtas, mas através de um resistor de vários KOhms. Acontece que a tensão do emissor base (Ube) é zero. Consequentemente, não há corrente de base. O transistor está fechado, a corrente do coletor é insignificante, exatamente a mesma corrente inicial. Mais ou menos como um diodo na direção oposta! Nesse caso, eles dizem que o transistor está na posição OFF, o que, em linguagem normal, significa fechado ou bloqueado.

O estado oposto é chamado SATURATION. É quando o transistor está totalmente aberto, de modo que não há lugar para abrir mais. Com esse grau de abertura, a resistência da seção coletor-emissor é tão pequena que é simplesmente impossível ligar o transistor sem carga no circuito coletor, que queima instantaneamente. Nesse caso, a tensão residual no coletor pode ser de apenas 0,3 ... 0,5V.

Para levar o transistor a esse estado, é necessário fornecer uma corrente base suficientemente grande aplicando uma grande tensão Ube em relação ao emissor, da ordem de 0,6 ... 0,7V. Sim, para uma junção base-emissor, essa tensão sem um resistor limitador é muito grande. Afinal, a característica de entrada do transistor, mostrada na Figura 1, é muito semelhante à ramificação direta da característica do diodo.

Figura 1. Característica de entrada do transistor

Esses dois estados - saturação e corte - são usados ​​quando o transistor está no modo de chave como um contato de relé normal. O ponto principal desse modo é que uma pequena corrente de base controla uma grande corrente de coletor, que é várias dezenas de vezes mais que a corrente de base. Uma grande corrente de coletor é obtida devido a uma fonte de energia externa, mas o ganho de corrente, como se costuma dizer, é óbvio. Um exemplo simples: um pequeno microcircuito acende uma grande lâmpada!

Para determinar a magnitude de tal ganho do transistor no modo de chave, é usado o "ganho de corrente no modo de sinal grande". Nos diretórios de é indicado pela letra grega β "betta". Para quase todos os transistores modernos, ao operar no modo de chave, esse coeficiente não é inferior a 10 ... 20 β é determinado como a razão entre a corrente máxima possível do coletor e a corrente base mínima possível. O tamanho é adimensional, apenas "quantas vezes".

β ≥ Ic / Ib

Mesmo que a corrente de base seja mais do que necessária, não há problemas específicos: o transistor ainda não poderá abrir mais. É por isso que está no modo de saturação. Além dos transistores convencionais, Darlington ou transistores compostos são usados ​​para operar no modo de chave. O seu "super - betta" pode chegar a 1000 ou mais vezes.

Como calcular o modo de operação do estágio principal

Para não ser completamente infundado, vamos tentar calcular o modo de operação da cascata de teclas, cujo circuito é mostrado na Figura 2.

Figura 2

A tarefa dessa cascata é muito simples: ligar e desligar a lâmpada. Obviamente, a carga pode ser qualquer coisa - uma bobina de relé, um motor elétrico, apenas um resistor, mas você nunca sabe o que. A lâmpada foi levada apenas para tornar o experimento claro, para simplificá-lo. Nossa tarefa é um pouco mais complicada. É necessário calcular o valor do resistor Rb no circuito base para que a lâmpada se aqueça no calor máximo.

Essas lâmpadas são usadas para iluminar o painel em carros domésticos, portanto é fácil encontrá-lo. O transistor KT815 com uma corrente de coletor de 1,5A é bastante adequado para essa experiência.

O mais interessante em toda essa história é que as tensões não são levadas em consideração nos cálculos, desde que a condição β ≥ Ic / Ib seja atendida. Portanto, a lâmpada pode estar com uma tensão operacional de 200V e o circuito base pode ser controlado a partir de microchips com uma tensão de alimentação de 5V. Se o transistor for projetado para funcionar com essa tensão no coletor, a luz piscará sem problemas.

Mas em nosso exemplo, não são esperados microcircuitos, o circuito base é controlado simplesmente por um contato, que simplesmente fornece 5V. Lâmpada para tensão 12V, corrente de consumo 100mA. Supõe-se que nosso transistor tenha β exatamente 10. A queda de tensão na junção base-emissor é Ube = 0,6V. Veja a característica de entrada na figura 1.

Com esses dados, a corrente na base deve ser Ib = Ik / β = 100/10 = 10 (mA).

A tensão no resistor de base Rb será (menos a tensão na junção base-emissor) 5V - Ube = 5V - 0,6V = 4,4V.

Recordamos a lei de Ohm: R = U / I = 4.4V / 0.01A = 440ohm. De acordo com o sistema SI, substituímos a tensão em volts, a corrente em amperes, o resultado é em Ohms. Da série padrão, selecionamos um resistor com uma resistência de 430 Ohms. Neste cálculo pode ser considerado completo.

Mas, quem olha atentamente o circuito, pode perguntar: “Por que nada foi dito sobre o resistor entre a base e o emissor Rbe? Eles apenas se esqueceram dele, ou ele é realmente necessário?

O objetivo desse resistor é fechar o transistor de maneira confiável no momento em que o botão estiver aberto. O fato é que, se a base “paira no ar”, o efeito de todos os tipos de interferência nela é simplesmente garantido, especialmente se o fio do botão for longo o suficiente. O que não é a antena? Quase como um receptor detector.

Para fechar o transistor de forma confiável e inseri-lo no modo de corte, é necessário que os potenciais do emissor e da base sejam iguais. Seria mais fácil usar um contato de comutação em nosso "esquema de treinamento". É necessário ligar o contato do interruptor de luz em + 5V e, quando foi necessário desligar - basta fechar a entrada de toda a cascata no solo.

Mas nem sempre e nem em toda parte o luxo pode ser permitido, como um contato extra. Portanto, é mais fácil alinhar os potenciais da base e do emissor com o resistor Rbe. O valor desse resistor não precisa ser calculado. Geralmente é tomado igual a dez RB. De acordo com dados práticos, seu valor deve ser 5 ... 10K.

O circuito considerado é um tipo de circuito com um emissor comum. Dois recursos podem ser observados aqui. Em primeiro lugar, isso está usando 5V como tensão de controle. É essa tensão usada quando o estágio principal é conectado aos circuitos digitais ou, que agora é mais provável que microcontroladores.

Em segundo lugar, o sinal do coletor é invertido em relação ao sinal de base. Se houver tensão na base, o contato é fechado em + 5V e, no coletor, cai para quase zero. Bem, não para zero, é claro, mas para a tensão indicada no diretório. Ao mesmo tempo, a lâmpada não é visualmente invertida - há um sinal na base, há luz.

A inversão do sinal de entrada ocorre não apenas no modo de chave do transistor, mas também no modo de ganho. Mas isso será discutido na próxima parte do artigo.

Boris Aladyshkin 

P.S. Antes de instalar no circuito, muitas vezes é necessário verificar a operacionalidade dos transistores. Veja como fazer aqui - Teste simples de transistores na prática.