Открытый коллектор принцип работы

Выход с открытым коллектором

Элементы с открытым коллектором имеют выходную цепь, заканчивающуюся одиночным транзистором, коллектор которого не соединен с какими-либо цепями внутри микросхемы (Рис. 2.18,а). Транзистор управляется от предыдущей части схемы элемента так, что может находиться в насыщенном или запертом состоянии. Насыщенное состояние транзистора трактуется как отображение логического нуля, запертое, как логической единицы.

Поэтому для формирования высокого уровня напряжения на выходе элементов с открытым коллектором (типа ОК) требуется подключение внешних резисторов величиной порядка сотен Ом (или другие нагрузки), соединенные с источником питания.

Выход с открытым коллектором ОК можно считать состоящим из одного выключателя, замкнутому состоянию которого соответствует сигнал логического нуля, а разомкнутому – отключенное, пассивное состояние (Рис.2.18.б.).

Несколько выходов типа ОК можно соединять параллельно, подключая их к общей для всех выходов цепочке Ucc – R (Рис.2.18.в). При этом можно получит режим поочередной работы на общую линию, как и для элементов с тремя состояниями, если активным будет лишь один элемент, а выводы всех остальных окажутся запертыми. Если же разрешить активную работу элементов, выходы которых соединены, то можно получить дополнительную логическую операцию, называемую операцией монтажной логики.

При реализации монтажной логики высокое напряжение на общем выходе возникает только при запирании всех транзисторов, т.к. насыщение хоты бы одного из них снижает выходное напряжение до уровня U = Uкэн. То есть для получения логической единицы на выходе требуется единичное состояние всех выходов: выполняется монтажная операция И. Поскольку каждый элемент выполняет операцию Шеффера над своими входными переменными, общий результат окажется следующим:

F = X1X2 X3X4 … Xm-1 Xm = X1X2+X3X4+ …+Xm-1 Xm

а)б)в)
Рис.2.18. Выход с открытым коллектором

При использовании элементов с ОК в магистрально-модульных структурах требуется разрешать или запрещать работу того или иного элемента. Для элементов типа ОК кВ качестве входа ОЕ может быть использован один из обычных входов элемента. Если речь идет об элемента И-НЕ, то, подавая ) на любой из входов, можно запретить работу элемента, поставив его выход в разомкнутое состояние независимо от состояния других входов. Уровень 1 на этом входе разрешит работу элемента.

Положительной чертой элементов с ОК при работе в магистально-модульных системах является их защищенность от повреждений из-за ошибок управления, приводящих к одновременной выдаче на шину нескольких слов, а также возможность реализации дополнительных операций монтажной логики.

Недостатком таких элементов является большая задержка переключения из 0 в 1. При этом переключении происходит заряд выходной емкости сравнительно малым током резистора R. Сопротивление резистора нельзя сделать слишком малым, т.к. это привлекло бы к большим токам выходной цепи в статике при насыщенном состоянии выходного транзистора. Поэтому положительный фронт выходного напряжения формируется относительно медленно с постоянной времени RC.

До порогового напряжения (до середины полного перепада напряжения) экспоненциально изменяющийся сигал изменится за время 0,7RC, что и составляет задержку tз 01 .

При работе с элементами типа ОК проектировщик должен задать сопротивление резистора R, которое не является стандартным, а определяется для конкретных условий. Анализ статических режимов задает ограничения величины сопротивленияR снизу и сверху. Значение сопротивления резистора R выбирается в этом диапазоне с учетом быстродействия схемы и потребляемой ею мощности.

Ограничение снизу величины сопротивления резистора R связано с тем, что ее уменьшение может вызвать перегрузку насыщенного транзистора по току. На Рис.2.19.а показан режим, в котором нулевое состояние выхода схемы обеспечивается элементом 1 с ОК. Из этого рисунка видно, что через элемент 1 протекает суммарный ток, складывающийся из токов резистора, входных токов логических элементов (ЛЭ1…ЛЭn) и токов заперых транзисторов элементов с ОК 2 …m, т.е.

· Iвх.0 – входные токи элементов приемников сигнала при низком уровне выходных напряжений;

· IZ токи запертых выходов ОК (обычно пренебрежимо малые);

Чтобы ток выхода элемента 1 не превысил допустимого значения следует соблюдать условие

Ограничение сверху величины сопротивления резистора R связано с необходимостью гарантировать достаточно низкий уровень напряжения U1 формируемого в схеме при запертом состоянии всех выходов элементов с ОК.

Из схемы Рис.2.19.б видно, что U1 = Ucc – IRR.

Из полученных выражений следует R

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9232 – | 7345 – или читать все.

194.79.20.244 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Что такое транзистор и как он работает?

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

  1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
  2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
  3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

  • биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
  • комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
  • лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
  • конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).
Читайте также:  Принцип действия УЗО в однофазной сети

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

VT величина термодинамического напряжения, Nn и Np концентрация соответственно электронов и дырок, а ni обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: Iк = ß*IБ, где ß коэффициент усиления по току, IБ ток базы.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

  • низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
  • хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
  • высокое допустимое напряжение;
  • требуется два разных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

  • высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
  • низкие показатели усиления по мощности;
  • инверсией выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

  • большое входное и незначительное выходное сопротивление;
  • низкий коэффициент напряжения по усилению ( Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

  • с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
  • схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
  • с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.

Электроника для всех

Блог о электронике

Основы на пальцах. Часть 4

Но диоды, резисторы, транзисторы и конденсаторы это так, лишь обвязка. Особо на них не развернешься (нет, маньяки, конечно могут, но габариты устройств там будут феерические). Самое вкусное нас поджидает в микросхемах 🙂
Делятся они на цифровые и аналоговые. Для начала кратко пробегусь по цифровым микросхемам.

Миром правит цифра!

Краеугольным камнем цифровой схемотехники служит понятие нуля и единицы , понятие это совершенно условное , т.к. фактически нет никакого нуля и нет никакой единицы, есть лишь уровни напряжения – высокий и низкий, а также некий порог после которого данный уровень напряжения принято считать высоким или низким. Скажем все, что ниже 0.7 вольт считаем за низкий уровень, т.е. 0, все что выше 2.4 вольт высоким, т.е. единица. Между 0.7 и 2.4 вольта, когда не ясно какой уровень, это состояние совершенно неопределенное его нельзя оценивать как входную величину, иначе на выходе системы в таком случае будет непредсказуемый результат.
Сопротивление входов очень высокое, практически можно считать его бесконечным.

Во избежания путаницы смыслов, в терминологии ключей и транзисторов принято следующее соглашение. Ключ считается открытым или закрытым для протекания тока, как кран на трубе. С точки зрения же механического исполнения он может быть замкнут или разомкнут. Так что открыт = замкнут, закрыт = разомкнут. И не следует путать с англоязычной нотацией, где Open = открыт если речь идет о транзисторе или электронном ключе и Open = разомкнут если речь идет о механическом рубильнике. Там Open-Close следует рассматривать в общем контексте текущего случая. Велик и могуч русский язык! =)

Выход в микросхеме бывает разных типов. Различают push-pull и open drain (в нашей литературе его называют Открытым Коллектором или ОК ). Отличие заключается в способе выдачи сигнала на выход. В Push-Pull выходе когда нужен низкий уровень, то выход тупо и беспрекословно замыкается на землю, имеющую нулевой потенциал, а когда высокий, то на напряжение питания.
В открытом коллекторе все несколько иначе. Когда нам надо получить низкий уровень, то мы сажаем ногу на землю, а вот высокий уровень получается подтягивающим резистором ( pullup ), который, в отсутствии посадки на землю и большого сопротивления висящей на выходе нагрузке, заводит на ногу высокий потенциал. Тут можешь вспомнить закон Ома и посчитать какое будет напряжение выхода на открытом коллекторе если подтягивающий резистор обычно порядка 1КилоОм, а сопротивление входа больше 1МегаОм. Тип выхода определяется из документации на микросхему, некоторые микрухи имеют программируемый выход, например, все контроллеры AVR. Исходя из этого становится понятен смысл регистров Port и DDR в контроллере AVR – они определяют тип выхода Open Drain + PullUp , Push-Pull или просто Open Drain .

О микросхемах дискретной логики И, ИЛИ, НЕ я рассказывать не буду, каждую описать, так это справочник не на одну сотню страниц будет. Да и постепенно они уходят в прошлое, вытесняемые контроллерами и программируемыми матрицами. Скажу лишь главное – работают они по жесткой таблице истинности, которую можно найти в соответствующем datasheet.

Аналог рулит!
Цифра может и правит миром, но я вот последнее время люблю аналоговую технику. Ряд задач автоматики и регулирования на аналоговых цепях сделать в разы проще, чем на микроконтроллере или цифровой логике. Основное отличие от цифровых микрух в том, что тут нет четких состояний , а вход и выход могут изменяться плавно от минус питания до плюс питания. Основой аналоговой схемотехники является операционный усилитель .
Адская вещь, скажу тебе. Содержит выход и два входа. Один вход прямой, другой инверсный. Внутри напряжения по этим двум входам математически складываются (с учетом знака входа), а результат умножается на коэффициент усиления и выдается на выход. Коэффициент усиления этого девайса в идеальном случае достигает бесконечности, а в реальном близок к сотням тысяч. В чем это выражается? А в том, что подаешь ты на вход скажем 1 милливольт, а выход сразу же зашкаливает под максимум – выдавая сразу напряжение питания. Как же тогда работать, если его зашкаливает от малейшего сигнала? А просто. Ну во первых зависит от задачи. Например если нам нужно сравнивать два сигнала, то один мы подаем на отрицательный вход, а другой на положительный. В данном случае выход нам покажет либо минимум напряжения, либо максимум, в зависимости от того больше сигнал на отрицательном входе или на положительном. Такой режим работы операционного усилителя называется компаратором. Я его применил недавно, чтобы отследить просадку напряжения питания на устройстве. Смотри на схему, видишь на минус у меня идет опорное напряжение со стабилитрона. Оно всегда равно 3.3 вольта – за этим следит стабилитрон. А вот на второй вход идет напряжение с делителя – оно зависит от общего напряжения питания. В нормальном режиме, когда на входе 12 вольт, то с делителя идет порядка 4 вольт, это выше чем 3.3 опорного и с компаратора выходит +5 вольт (максимум питающего). При просадке напруги ниже определенного порога с делителя начинает выходить уже менее 3.3 вольт и компаратор резко перекидывается в противоположное положение – 0 вольт (минимум питающего). Этот переход отслеживает микроконтроллер и дает сигнал тревоги.

Испльзование операционных усилителей

Если от операционного усилителя надо получить усиление, то нужно как то обуздать его бешеный коэффициент. Для этого ему добавляют отрицательную обратную связь. Т.е. берут и с выхода подают сигнал на отрицательный вход, подмешивая его к основному входному сигналу. В итоге, выходной сигнал вычитается из входного. А коэффициент усиления становится равным отношению резисторов на входе и выходе (смотри схему).

Но это далеко не все фишки которые умеет делать операционный усилитель. Если в обратную связь сунуть конденсатор, то получим интегратор, выдающий на выходе интеграл от функции входного сигнала. А если скомбинировать конденсатор с резистором, да индуктивность на вход… В общем, тут можно книгу писать, а занимается этими занятными процессами отдельная наука – автоматическое управление. Кстати, именно на операционных усилителях сделаны аналоговые компьютеры, считающие дифференциальные уравнения с такой скоростью, что все цифровые компы нервно курят в уголке.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается Hfe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке Vc. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (Vce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно Vce= Vc – 0 = Vc. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки RL неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения Rb: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление Rb может быть рассчитано по следующей формуле:

где V1 является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V1 = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение Rb известно, транзистор “настроен” на работу в качестве переключателя, что также называется “режим насыщения и отсечки “, где “насыщение” – когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а “отсечение” – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

HFE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения VCEsat. Но VCEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший HFE, крупнейший VCEsat и VCEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение VCE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные VCE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Открытый коллектор – Open collector

Открытый коллектор представляет собой общий тип вывода на многих интегральных схем (ИС) , которая ведет себя как переключатель , который либо соединен с землей или отсоединен.

Вместо того , чтобы выводить сигнал определенного напряжения или тока, выходной сигнал подается к основанию внутреннего npn – транзистора , чей коллектор экстернализированы (открытый) на цапфу ИС. Эмиттер транзистора соединен внутри с контактом заземления. Если устройство вывода является МОП – транзистор выходной называется открытым стоком и функционирует аналогичным образом.

содержание

функция

В картине, транзистор база маркирована «IC выход». Это сигнал от внутренней логики IC к транзистору. Этот сигнал управляет переключением транзисторов. Внешний выходной транзистор коллектор; транзистор образует границу раздела между внутренней логикой IC и части внешней по отношению к IC.

На схематических символов компонентов, открытый выход обозначается этими символами:

  • ⎐ для штифта , который выводит низкий Z L или привет-Z H (или ⎒ с внутренним нагрузочным резистором )
  • ⎏ для штыря , который выводит привет-Z L или низким Z H (или ⎑ с внутренним понижающим резистором)

Выходные формы либо обрыв цепи или соединение с землей. Выход , как правило , состоит из внешнего нагрузочного резистора , который поднимает выходное напряжение , когда транзистор отключен. Когда транзистор подключен к этому резистору включен, выход вынужден почти 0 вольт. С открытым коллектором выходы может быть полезен для аналогового взвешивания, суммирование, ограничение и т.д., но такие приложения здесь не обсуждаются.

С тремя состояниями логического устройства в отличие от открытого устройства коллектора, так как она включает в себя транзисторы с источником и приемником тока в обоих логических состояний, а также в качестве контроля , чтобы выключить оба транзистора и изолировать выход.

Применение устройств с открытым коллектором

Поскольку нагрузочный резистор является внешним и не должен быть подключена к напряжению питания чипа, более низкое или более высокое напряжение , чем напряжение питания чипа может быть использовано вместо. (Обеспечение его не превышает абсолютный максимальный номинал выхода чипа.) Открытые цепи коллектора поэтому иногда используется для взаимодействия различных семейств устройств , которые имеют разные уровни рабочего напряжения. Транзистор с открытым коллектором может быть рассчитан , чтобы выдерживать более высокое напряжение , чем напряжение питания чипа. Этот метод обычно используется с помощью логических схем , работающих при 5 В или ниже для привода устройств , таких как двигатели, 12 В реле , 50 В вакуумных флуоресцентных дисплеях или газоразрядный индикатор , требующие более 100 В.

Еще одно преимущество состоит в том, что более чем один выход с открытым коллектором может быть подключен к одной линии. Если все выходы , подключенные к линии находятся в состоянии высокого импеданса, то нагрузочный резистор будет удерживать провода в высоком напряжении (логические 1) состояние. Если один или несколько выходов устройств находятся в логических 0 (основном) состоянии, они будут тонуть тока и тянуть напряжение линии к земле. Это проводная логика соединение имеет несколько применений. С открытым коллектором устройство обычно используется для подключения нескольких устройств к одному запросу прерывания сигнала или общей шине , таким как I²C . Это позволяет одному устройству управлять шиной без помех от других неактивных устройств. Если устройства с открытым коллектором , не были использованы, то выходы неактивных устройств будут пытаться высоко держать напряжение шины, что приводит к непредсказуемому выходу.

Связывая выход нескольких открытых коллекторов вместе, общая линия становится «проводной и» (положительно истинная логика) или «проводной ИЛИ» (отрицательный-истинная логика) затвором. А «проводной и» ведет себя как логическое И из двух (или более) ворот в том, что он будет логической 1, когда (все) находятся в высокоимпедансное состояние, и 0 в противном случае. А «проводной ИЛИ» ведет себя как логическое ИЛИ для отрицательной логики истинно-, где выходной сигнал имеет низкий уровень, если какой-либо из его входов являются низкими.

SCSI устройства -1 использовать открытый коллектор для электрической сигнализации. SCSI-2 и SCSI-3 может использовать EIA-485 .

Одна из проблем, с устройствами с открытым коллектором является потребление мощности, так как подтягивающий резистор рассеивает мощность всякий раз, когда выходной сигнал с низким логическим уровнем, и чем выше требуемая скорость работы, тем ниже значение резистора (т.е. тем сильнее подтяжка) должна быть, в результате чего увеличение потребления. Даже в «выключенном» состоянии, они часто имеют несколько наноампер тока утечки (точное количество зависит от температуры).

МОП-транзистор

Аналогичное соединение , используемое с МОП – транзисторами подключение к открытому стоку. Открытый сток выходы могут быть полезны для аналогового взвешивания, суммирование, а также ограничение, а также цифровой логика. Терминал с открытым стоком соединен с землей , когда высокое напряжение (логическая 1) применяется к воротам, но представляет собой высокий импеданс при низком напряжении (логический 0) применяется к воротам. Это высокое состояние импеданса происходит потому , что терминал находится в неопределенном напряжении (плавающее) , таким образом , такое устройство требует внешнего нагрузочного резистора , подключенного к положительной шине напряжения (логические 1) , с тем чтобы обеспечить логическую 1 в качестве выходного сигнала.

Микроэлектронные устройства , использующие открытые сигналы сливных (например, микроконтроллеры) , могут обеспечить «слабый» внутренний нагрузочный резистор для подключения терминала в вопросе положительного напряжения источника / рельс , как V дд устройства. Такие слабые подтягивания, часто на порядка 100 кОм, снизить потребление энергии, сохраняя входные сигналы от плавающих. Внешние подтягивания сильнее (возможно , 3 кОм) , чтобы уменьшить время нарастания сигнала (например , с I²C ) или свести к минимуму шум (как на сброс системы входов). Внутренние подтягивания часто могут быть отключены в случаях , когда есть внешняя один, или в других случаях , когда они не нужны.

POD Псевдо открытый сток

В псевдо открытом стоке ( POD водителей) имеют сильные силы тяги вниз , но более слабую силу подтягивающей. Чистый драйвер с открытым стоком, путем сравнением, не имеет сил нагрузочных для тока утечки , за исключением: все действие подтяжки находится на внешнем согласующий резисторе. Поэтому термин «псевдо» должен быть использован здесь: есть некоторые подтягивания на стороне водителя , когда выход находится в высоком состоянии, остальные подтягивающий прочность обеспечивается параллельно оконечное приемник на дальнем конце Высокое напряжение, часто с использованием переключаемого, на кристалл терминатора вместо отдельного резистора. Целью всего этого является то, чтобы уменьшить общий спрос на электроэнергию по сравнению с использованием как сильная подтяжки и сильными тянуть вниз, как в таких факторах, как HSTL. DDR4 памяти использует драйверы POD12 , но с той же силой водителя (34 Ω / 48 Ом) для раскрывающихся (R onPd ) и подтягивающие (R ОНПУ ). Термин POD в DDR4 со ссылкой только для типа терминации , который только параллельно подтягивания без выпадающим прекращения на дальнем конце. Опорная точка (V REF ) для входа не наполовину питания , как это было в DDR3 и может быть выше.

JEDEC стандартизировали POD15, в POD125, в POD135 и POD12 для 1.5V, 1.35V и 1.2V напряжения питания интерфейса. Сравнение обеих схем оконечных DDR3 и DDR4 с точки зрения перекоса, апертуры глаза и энергопотреблению был опубликован в конце 2011 года.

ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Подробное описание устройств использующих принцип векторного управления

Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Выходы с открытым коллектором могут иметь не только сложные цифровые микросхемы, предназначенные для подключения к многоразрядной шине. Все ТТЛ и ТТЛШ серии микросхем имеют в своем составе и простейшие логические элементы (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ) с открытым коллектором. Здесь имеются многочисленные варианты исполнения этих элементов по допустимому току и напряжению выходной цепи.

Такие элементы обычно используют для подключения к логическим схемам разного рода нестандартных нагрузок. Приведем примеры такого подключения.

Пример 1. Нагрузка — светодиод или сегмент светодиодного индикатора.

Светодиод светится, если Резистор R — ограничивает ток через светодиод и выходной транзистор элемента на допустимом уровне.

Пример 2. Нагрузка — индикаторная лампа накаливания с номинальным напряжением 12В.

Лампа светится, если Элемент с открытым коллектором должен выдерживать по выходной цепи напряжение 12В и пусковой ток холодной лампы.

Пример 3. Нагрузка — катушка электромагнитного реле с номинальным напряжением 12В.

Реле втянуто, если . Элемент с открытым коллектором должен выдерживать по выходной цепи напряжение 12В и ток, проходящий через холодную обмотку реле. Диод VD защищает логический элемент от пробоя выходного транзистора импульсом ЭДС самоиндукции, возникающим в обмотке реле при прерывании тока в этой обмотке.

Пример 4. Нагрузка — выходы КМОП логики с напряжением питания +15В.

В этой схеме причем логические уровни переменной x соответствуют стандарту КМОП логики.

Пример 5. Управление мощным n-p-n транзистором.

Стандартные элементы ТТЛ и ТТЛШ использовать нельзя, так как они имеют очень малую нагрузочную способность при выходном сигнале “1”. Транзистор VT открыт, если

Пример 6. Управление мощным выходным p-n-p транзистором.

Стандартные элементы ТТЛ и ТТЛШ нельзя использовать в этой схеме при напряжении питания больше чем 5В.

Транзистор VT открыт, если

Пример 7. Значительная емкостная нагрузка.

Элементы ТТЛ и ТТЛШ имеют ограничения по емкостной нагрузке. Элементы с открытым коллектором таких ограничений не имеют.

Пример 8. Нагрузка — длинная линия в виде витой пары или коаксиального кабеля с волновым сопротивлением Zc.

Элементы с открытым коллектором иногда используют и при реализации требуемых логических функций. В этих случаях они включаются по так называемой схеме “монтажное И”. Для этой схемы характерно соединение выходных контактов двух или нескольких элементов с открытым коллектором с одним общим резистором нагрузки.

Приведем примеры такой схемы с двумя повторителями логического сигнала:

Составим для этой схемы таблицу истинности, учитывая, что H-уровень на выходе возможен лишь в том случае, если закрыты выходные транзисторы в обоих элементах.

abx
открыты оба выходных транзистора
1открыт выходной транзистор в DD1
1открыт выходной транзистор в DD2
111закрыты оба выходных транзистора

Полученная таблица показывает, что рассматриваемая схема выполняет функцию элемента И для входных сигналов a и b.

Монтажное И можно использовать не только для двух, но и для множества соединяемых друг с другом элементов. Для выделения переменных, участвующих в операции монтажное И в случае объединения \\\\\\\\\\ не повторителей, следует при анализе условно выделить из состава этих элементов выходной повторитель. Например:

Следует помнить, что в исходной схеме отсутствуют доступные разработчику точки, в которых имеют место сигналы .

Если же такие сигналы нужны, их придется формировать особо, с помощью логических элементов.

Добавить комментарий