Быстрый анализ схем ключей/драйверов на биполярном транзисторе
В данном кратком техническом обзоре объясняется быстрая и простая процедура оценки схемы ключа/драйвера на базе биполярного NPN транзистора.
Вспомогательная информация
Распространение Arduino, Raspberry Pi, TI MSP430 LaunchPad и других различных встраиваемых платформ разработки привело к соответствующему распространению простейшей схемы ключа/драйвера на базе биполярного NPN транзистора. Эта схема позволяет выходному выводу микроконтроллера безопасно и удобно управлять сильноточными нагрузками. На следующем рисунке изображены два стандартных применения этой схемы – управление светодиодом и реле.
Эта схема, безусловно, имеет свои преимущества:
- она простая и использует легкодоступные компоненты;
- она гибкая – при выборе подходящего транзистора можно использовать широкий диапазон напряжений и токов нагрузки;
- вы можете легко перейти на гальванически изолированную реализацию, используя оптопару вместо биполярного транзистора.
Однако она также сопряжена с риском: самоуспокоение. Она проста и широко распространена, и это может побудить нас просто взять схему, найденную в интернете, и предположить, что она будет работать.
Как обычно бывает в жизни, один размер подходит не всем. Ниже приведены важные параметры, которые необходимо учесть при разработке схемы ключа/драйвера на биполярном транзисторе:
- ток базы биполярного транзистора (IБ), источником которого является вывод GPIO микроконтроллера;
- коэффициент усиления по току биполярного транзистора в активном режиме (β);
- ток коллектора биполярного транзистора (IК), который также является током нагрузки.
Ниже показано визуальное представление этих параметров:
IБ не должен превышать максимальный выходной ток вывода, управляющего базой. Чтобы проверить это, предположим, что на переходе база-эмиттер постоянное падение напряжения составляет 0,7 В. Это дает вам следующую формулу:
\[I_Б=\frac{V_{GPIO}-0,7\ В}{R_Б}\]
где VGPIO – напряжение питания для схемы ввода/вывода микросхемы (распространенные значения 5 В и 3,3 В).
Далее мы должны подтвердить, что ток коллектора 1) достаточно высок, чтобы правильно управлять нагрузкой, и 2) не настолько высок, чтобы вызвать сбой в работе нагрузки. Первым шагом является вычисление приблизительного минимального тока коллектора с использованием минимального значения коэффициента усиления по току биполярного транзистора в активной области.
\[I_{К,min}=I_Б\times\beta_{min}\]
Если он меньше, чем минимально допустимый ток нагрузки, то вы не сможете быть уверены, что схема будет работать правильно. Чтобы исправить это, увеличьте ток базы с помощью уменьшения резистора базы или выберите транзистор с более высоким β.
Следующим шагом является расчет приблизительного максимального тока коллектора с использованием максимального значения для β. Если IК,max слишком велик для вашей нагрузки, вам нужен резистор для ограничения тока коллектора. Всякий раз, когда вы заставляете IК быть меньше, чем β × IБ, вы перемещаете биполярный транзистор в область насыщения – дополнительное падение напряжения (создаваемое резистором) понижает напряжение коллектора и приводит к тому, что переход база-коллектор становится недостаточно смещен в обратном направлении для работы в активной области.
На самом деле, нецелесообразно устанавливать ток коллектора, используя формулу IК = β × IБ, потому что β очень изменчив; таким образом, вам сначала необходимо гарантировать, что транзистор имеет более чем достаточный коэффициент усиления по току, а затем вы добавляете сопротивление для ограничения IК.
Когда вы находитесь в режиме насыщения, вы предполагаете, что напряжение коллектор-эмиттер имеет фиксированное значение, называемое VКЭ,нас; для определения его величины посмотрите техническое описание на транзистор или используйте общее, но неточное значение 0,2 В. Затем вам необходимо воспользоваться законом Ома в сочетании с VCC и VКЭ,нас для расчета тока коллектора и подтверждения того, что он находится в допустимом диапазоне для вашей нагрузки.