Транзисторный силовой ключ. Биполярный транзистор. Ключевой режим. Расчет

Биполярный транзистор в ключевом режиме. Схема. Расчет. (10+)

Транзисторный ключ. Биполярный транзистор. Ключевой режим. Расчет

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Ключевым называется режим работы биполярного транзистора, при котором транзистор либо полностью открыт, находится в режиме насыщения, либо полностью закрыт, совершенно не проводит ток. Из одного состояния в другое биполярный транзистор в этом режиме переключается за очень небольшое время.

Для ключевого режима характерна минимальная рассеиваемая мощность на транзисторе. Действительно, рассеиваемая мощность равна произведению напряжения на элементе на силу тока через него. В ключевом режиме за исключением небольших переходных периодов, либо напряжение на транзисторе очень небольшое (когда транзисторный ключ открыт), либо ток равен нулю (когда транзисторный ключ закрыт).

Вашему вниманию также описание работы в ключевом режиме полевого транзистора.

Управляющий ток

На первом этапе нужно определиться с током, который нужно коммутировать и с коэффициентом передачи тока выбранного биполярного транзистора. Обратите внимание, что для коэффициента передачи тока характерен большой разброс. Нужно ориентироваться на минимально возможный коэффициент передачи тока. Кроме того, обычно делается небольшой запас 20 - 30%, с этим запасом тоже надо определиться.

[Управляющий ток] = (1 + [коэффициент запаса]) * [коммутируемый ток (ток нагрузки)] / [коэффициент передачи тока]

Рассеиваемая мощность в открытом состоянии

[Рассеиваемая мощность в стационарном режиме] = ([напряжение насыщения коллектор - эмиттер] * [ток нагрузки] + [напряжение насыщения база - эмиттер] * [управляющий ток]) * [доля рабочего времени, когда транзистор остается в открытом состоянии]

Доля рабочего времени, когда транзистор остается в открытом состоянии применяется в расчете, если транзистор достаточно часто (100 и более раз в секунду) переключается. Если транзистор переключается реже, то этот коэффициент считается равным единице.

Пиковая мощность, рассеиваемая при открытии

Формулы для расчета пиковых мощностей приблизительные. Переходные процессы, протекающие при переключении, имеют сложную физическую природу. Их точное математическое моделирование затруднено. Но для наших инженерных целей приведенные формулы дают результат необходимой точности.

Эта мощность зависит от типа нагрузки.

Нагрузка имеет емкостную природу, стремится поддерживать фиксированное напряжение на себе, а значит, и на транзисторе, так как напряжение на транзисторе равно напряжению питания минус напряжение на нагрузке.

[Пиковая мощность открытия] = [Напряжение питания] * [коммутируемый ток] / 2

Нагрузка имеет индуктивную природу, стремится поддерживать фиксированный ток через себя, а значит, и через транзистор.

[Пиковая мощность открытия] = 0

Нагрузка имеет резисторную природу. Ток через нагрузку и через транзистор пропорционален напряжению на нагрузке.

[Пиковая мощность открытия] = [Напряжение питания] * [коммутируемый ток] / 6

Пиковая мощность, рассеиваемая при закрытии

Эта мощность тоже зависит от типа нагрузки.

Если нагрузка имеет емкостную природу.

[Пиковая мощность закрытия] = 0

Нагрузка имеет индуктивную природу.

[Пиковая мощность закрытия] = ([Напряжение питания] + [Напряжение индуктивного выброса с учетом схемы демфирования]) * [коммутируемый ток] / 2

Обратите внимание, что индуктивный выброс напряжения при закрытии транзистора может в десятки раз превышать рабочее напряжение. Теоретически он ничем не ограничен. Для его снижения и защиты транзистора используются различные схемы демпфирования.

Нагрузка имеет резисторную природу.

[Пиковая мощность закрытия] = [Пиковая мощность открытия]

Суммарная средняя мощность, рассеиваемая ключом

[Суммарная средняя рассеиваемая мощность] = [Рассеиваемая мощность в стационарном режиме] + ([Пиковая мощность открытия] * [Время открывания транзистора] + [Пиковая мощность закрытия] * [Время закрывания транзистора]) * [Частота переключений]

Размерности величин во всех формулах: Сила тока - Амперы (А), Напряжение - Вольты (В), Время - Секунды (с), Частота - Герцы (Гц), Мощность - Ватты (Вт)

Параметры и максимальные эксплуатационные условия транзистора

Проверим теперь напоследок, подойдет ли нам выбранный транзистор.

Максимальное напряжение коллектор - эмиттер должно быть выше коммутируемого напряжения, а для случая коммутирования индуктивной нагрузки, выше коммутируемого напряжения с учетом бросков напряжения при выбранной схеме демпфирования.

Максимальный ток базы должен быть выше, чем наш расчетный управляющий ток.

Максимальный ток коллектора должен быть выше, чем коммутируемый ток.

Допустимая пиковая рассеиваемая мощность должна быть выше, чем пиковая рассеиваемая мощность в момент коммутации. Дело в том, что даже при условии невысокой средней рассеиваемой мощности, большая тепловая энергия, выделяющаяся за очень короткое время при переключении, может погубить биполярный транзистор.

Допустимая средняя рассеиваемая мощность должна быть выше, чем суммарная средняя мощность, рассеиваемая ключом.

Частота, рекомендованная для транзистора, должна быть выше, частота переключений в схеме.

Система охлаждения транзистора (радиатор или другая система отвода тепла) должны быть в состоянии рассеять выделяемую мощность.

Для использования в качестве ключей лучше подбирать транзисторы с минимальными напряжением насыщения коллектор - эмиттер, база - эмиттер, это снизит потери мощности в открытом состоянии, минимальными временами включения и выключения (рассасывания), это снизит потери мощности при переключении, максимальным коэффициентом передачи тока, это снизит потери на управление.

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. [2] сообщений.

Не могу согласится с утверждением, что (напряжение большое - ключ открыт), как раз - ключ должен быть закрыт т.е. у источника тока, когда цепь разорвана - напряжение максимально. Если смотреть характеристику транзистора - его наклонную прямую - видно, напряжение (кэ) макс. ток ( к). минимален и наоборот напряжение (кэ) минимально - ток - максимален. Правильно ли понимаю? Читать ответ...