Elektronischer Transistorschalter – Funktionsprinzip und Schaltplan

In Impulsgeräten findet man häufig Transistorschalter. Transistorschalter finden sich in Flip-Flops, Schaltern, Multivibratoren, Sperrgeneratoren und anderen elektronischen Schaltkreisen. In jedem Stromkreis erfüllt der Transistorschalter seine Funktion, und abhängig von der Betriebsart des Transistors kann sich die Schaltung des Schalters als Ganzes ändern, aber das grundlegende schematische Diagramm des Transistorschalters ist wie folgt:

Es gibt mehrere grundlegende Betriebsmodi eines Transistorschalters: normaler Aktivmodus, Sättigungsmodus, Abschaltmodus und aktiver Umkehrmodus. Obwohl es sich bei der Transistorschaltschaltung im Grunde um eine Verstärkerschaltung mit gemeinsamem Emittertransistor handelt, unterscheidet sich diese Schaltung in Funktion und Modus von einem typischen Verstärker.

In einer Schlüsselanwendung dient der Transistor als schneller Schalter, und es gibt zwei statische Hauptzustände: Der Transistor ist ausgeschaltet und der Transistor ist eingeschaltet. Latched State – Geöffneter Zustand, wenn sich der Transistor im Sperrmodus befindet.Geschlossener Zustand – der Sättigungszustand des Transistors oder ein Zustand nahe der Sättigung, in dem der Transistor geöffnet ist. Wenn der Transistor von einem Zustand in einen anderen wechselt, handelt es sich um einen aktiven Modus, in dem die Prozesse in der Kaskade nichtlinear sind.

Statische Zustände werden entsprechend den statischen Eigenschaften des Transistors beschrieben. Es gibt zwei Merkmale: die Ausgangsfamilie – die Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Kollektor-Emitter-Spannung und die Eingangsfamilie – die Abhängigkeit des Basisstroms von der Basis-Emitter-Spannung.

Der Cutoff-Modus ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden pn-Übergänge des Transistors in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt werden, und es gibt einen tiefen Cutoff und einen flachen Cutoff. Ein tiefer Durchbruch liegt vor, wenn die an den Übergängen anliegende Spannung drei- bis fünfmal höher als der Schwellenwert ist und die entgegengesetzte Polarität zur Betriebspolarität aufweist. In diesem Zustand ist der Transistor geöffnet und die Ströme an seinen Elektroden sind äußerst gering.

Bei einem flachen Bruch ist die an einer der Elektroden anliegende Spannung geringer und die Elektrodenströme höher als bei einem tiefen Bruch, so dass die Ströme gemäß der unteren Kurve des Ausgangskennlinienfelds bereits von der angelegten Spannung abhängig sind , diese Kurve wird als «Grenzcharakteristik» bezeichnet ...

Beispielsweise führen wir eine vereinfachte Berechnung für den Schlüsselmodus des Transistors durch, der mit einer ohmschen Last betrieben wird. Ein Transistor bleibt für längere Zeit nur in einem von zwei Grundzuständen: vollständig geöffnet (Sättigung) oder vollständig geschlossen (Abschaltung).

Die Transistorlast sei die Spule des Relais SRD-12VDC-SL-C, deren Spulenwiderstand bei Nennspannung von 12 V 400 Ohm beträgt.Wir ignorieren die induktive Natur der Relaisspule, lassen die Entwickler einen Schalldämpfer zum Schutz vor transienten Emissionen vorsehen, rechnen aber auf der Grundlage der Tatsache, dass die Relais einmal und für sehr lange Zeit einschalten. Den Kollektorstrom ermitteln wir nach der Formel:

Ik = (Upit-Ukenas) / Rn.

Wobei: Ik – Gleichstrom des Kollektors; Usup – Versorgungsspannung (12 Volt); Ukenas – Sättigungsspannung des Bipolartransistors (0,5 Volt); Rn – Lastwiderstand (400 Ohm).

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

Nehmen wir der Genauigkeit halber einen Transistor mit einem Spielraum für den Grenzstrom und die Grenzspannung. Ein BD139 in einem SOT-32-Gehäuse reicht aus. Dieser Transistor hat die Parameter Ikmax = 1,5 A, Ukemax = 80 V. Es bleibt ein guter Spielraum.

Um einen Kollektorstrom von 28,7 mA bereitzustellen, muss ein geeigneter Basisstrom bereitgestellt werden. Der Basisstrom wird durch die Formel bestimmt: Ib = Ik / h21e, wobei h21e der statische Stromübertragungskoeffizient ist.

Mit modernen Multimetern können Sie diesen Parameter messen, und in unserem Fall waren es 50. Also Ib = 0,0287 / 50 = 574 μA. Wenn der Wert des Koeffizienten h21e unbekannt ist, können Sie aus Gründen der Zuverlässigkeit den Mindestwert der Dokumentation für diesen Transistor entnehmen.

Zur Ermittlung des erforderlichen Basiswiderstandswertes. Die Sättigungsspannung des Hauptemitters beträgt 1 Volt. Dies bedeutet, dass, wenn die Steuerung durch ein Signal vom Ausgang einer logischen Mikroschaltung erfolgt, deren Spannung 5 V beträgt, wir den erforderlichen Basisstrom von 574 μA mit einem Abfall bei einem 1-V-Übergang bereitstellen :

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

Wählen wir die kleinere Seite (damit der Strom völlig ausreicht) des 6,8-kOhm-Standardwiderstands.

ABER damit der Transistor schneller schaltet und der Betrieb zuverlässig ist, verwenden wir einen zusätzlichen Widerstand R2 zwischen Basis und Emitter, auf den etwas Strom fällt, was bedeutet, dass der Widerstand des Transistors verringert werden muss Widerstand R1. Nehmen wir R2 = 6,8 kΩ und passen den Wert von R1 an:

R1 = (Uin-Ubenas) / (Ib + I (über Widerstand R2) = (Uin-Ubenas) / (Ib + Ubenas / R2)

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

Sei R1 = 5,1 kΩ und R2 = 6,8 kΩ.

Berechnen wir die Schaltverluste: P = Ik * Ukenas = 0,0287 * 0,5 = 0,014 W. Der Transistor benötigt keinen Kühlkörper.