Перейти к содержанию

Транзистор как ключ

Маленький ток базы управляет большим током коллектора — поэтому транзистор работает как выключатель, которым командует вывод микроконтроллера. Ключ рассчитывают так, чтобы транзистор был либо полностью закрыт, либо полностью открыт.

Обновлено Редакция GAW

Электроника с нуляурок 7 из 825 мин

Цель урока: Рассчитать резистор базы NPN-ключа по току нагрузки и даташиту транзистора так, чтобы ключ гарантированно насыщался.

Содержание

Транзистор — первый элемент трека, которым можно управлять. У биполярного NPN-транзистора три вывода: коллектор, база и эмиттер. Ток между коллектором и эмиттером (управляемый) появляется, только когда течёт ток базы — между базой и эмиттером (управляющий). Чтобы ток базы пошёл, на переходе база–эмиттер должно быть около 0,7 В: это такой же p-n переход, как в диоде из урока 6.

Два состояния ключа

  • Отсечка: тока базы нет, транзистор закрыт, ток нагрузки равен нулю.
  • Насыщение: ток базы достаточно большой, транзистор открыт полностью, и на нём остаются лишь десятые доли вольта. Ток нагрузки задаёт сама нагрузка, а не транзистор.

Промежуточный — активный — режим для ключа вреден: на транзисторе падает заметное напряжение, и он греется. Энергия для нагрузки берётся от источника питания, а вывод микроконтроллера лишь даёт малый ток базы.

Как рассчитать ключ

Транзистор 2N3904 по даташиту onsemi:

Параметр2N3904
Ток коллекторадо 200 мА
Усиление hFE100–300 при 10 мА; не меньше 60 при 50 мА
UCE(sat)не больше 0,2 В при 10 мА / 1 мА; не больше 0,3 В при 50 мА / 5 мА
UBE(sat)0,65–0,85 В при 10 мА / 1 мА; не больше 0,95 В при 50 мА / 5 мА
Мощность625 мВт при 25 °C

Обратите внимание на условия: напряжения насыщения указаны при токе базы в 10 раз меньше тока коллектора. Это и есть рецепт:

  1. Ток базы IБ = IК / 10.
  2. Резистор базы Rб = (Uупр − UBE(sat)) / IБ, где Uупр — напряжение на выводе управления.
  3. Проверка: ток коллектора не больше допустимого, мощность UCE(sat) · IК намного меньше 625 мВт.

Пример: нагрузка 50 мА от вывода 3,3 В

Нагрузка 5 В, 50 мА в коллекторе 2N3904, управление от вывода микроконтроллера 3,3 В. Расчёт наш, по даташиту.

  1. IБ = 50 мА / 10 = 5 мА.
  2. Под нагрузкой напряжение на выводе микроконтроллера немного проседает. У STM32F103 (даташит DS5319, табл. 37) единица на выводе не ниже VDD − 0,4 В при токе до 8 мА, то есть не ниже 2,9 В. Тогда Rб = (2,9 − 0,95) / 0,005 = 390 Ом — стандартный номинал. Наибольшее UBE(sat) тоже взято с запасом: при меньшем напряжении база–эмиттер ток базы будет больше, что насыщению только помогает. Наибольший ток вывода при этом около (3,3 − 0,65) / 390 ≈ 6,8 мА — в пределах тех же 8 мА. Если бы мы взяли все 3,3 В, получили бы 470 Ом и у худшего экземпляра недобрали бы тока базы.
  3. На транзисторе не больше 0,3 В, мощность не больше 0,3 · 0,05 = 15 мВт — в 40 раз меньше допустимой.

Для другого микроконтроллера возьмите его напряжение единицы при нужном токе и допустимый ток вывода из даташита; допустимые токи выводов STM32 разобраны в ответе «Сколько тока можно взять с вывода STM32».

Ключ на NPN-транзисторе 2N3904: нагрузка 5 В, 50 мА от 5 В, база через 390 Ом от вывода 3,3 ВНагрузка 5 В, 50 мА включена между плюсом 5 В и коллектором транзистора VT1 2N3904, эмиттер соединён с общим проводом. База подключена к выводу микроконтроллера с уровнем 3,3 В через резистор Rб 390 Ом.+5 ВНагрузка5 В, 50 мАVT12N3904МК3,3 ВRб390 Ом
Пример урока: 2N3904 включает нагрузку 5 В, 50 мА от вывода 3,3 В через резистор базы 390 Ом

Если нагрузка — катушка реле или мотор, параллельно ей ставят диод катодом к плюсу. Без него при выключении катушка даёт выброс в сотни вольт, который может пробить транзистор. С диодом ток катушки замыкается через диод, и напряжение на коллекторе поднимается лишь до напряжения питания плюс прямое падение диода — около 0,7 В над питанием для кремниевого. Готовый расчёт — на странице «Драйвер реле на транзисторе».

Задание

Нагрузка на 10 мА включается от логического выхода 5 В через 2N3904.

  1. Рассчитайте резистор базы по правилу «IБ = IК / 10» и выберите номинал из ряда E24 (…, 3,6, 3,9, 4,3, 4,7 кОм, …).
  2. Товарищ поставил 47 кОм «для экономии тока». Почему это плохая идея?
Ответ и решение
  1. IБ = 10 мА / 10 = 1 мА. При UBE(sat) до 0,85 В: Rб = (5 − 0,85) / 0,001 = 4150 Ом. Округляем вниз, чтобы ток базы был не меньше 1 мА: 3,9 кОм, IБ ≈ (5 − 0,85) / 3900 ≈ 1,06 мА. На транзисторе останется не больше 0,2 В.
  2. С 47 кОм ток базы около (5 − 0,85) / 47 000 ≈ 88 мкА. При наименьшем hFE = 100 такой ток базы обеспечит только около 8,8 мА коллектора — меньше нужных 10 мА. Транзистор у худшего экземпляра не насытится, на нём упадёт заметное напряжение, и нагрузка получит меньше (наш вывод из данных даташита).

Что дальше

Последний урок первой части — как проверить всё это на деле мультиметром и не сжечь ни прибор, ни схему: урок 8. Резистор базы для любых транзистора и нагрузки посчитает калькулятор транзисторного ключа, практическую схему с номиналами даёт страница «Ключ на биполярном транзисторе». Устройство транзистора, режимы, усилители и проверка мультиметром — в статье «Биполярный транзистор», параметры и цоколёвка — на странице 2N2222 и 2N3904.

Урок основан на учебнике T. R. Kuphaldt «Lessons In Electric Circuits», Vol. III — Semiconductors, лицензия CC BY 4.0. Материал переработан: пересказан по-русски, сокращён и дополнен нашими примерами и данными из даташитов.

Частые вопросы

Почему ток базы берут в 10 раз меньше тока коллектора, а не по hFE?

Коэффициент hFE в даташите указан для активного режима и с большим разбросом, а насыщение onsemi гарантирует при конкретном отношении: напряжения насыщения 2N3904 заданы при IB = IC / 10. Если взять ток базы по минимальному hFE, транзистор окажется на границе насыщения, и на нём упадёт больше напряжения.

Можно ли подключить нагрузку к эмиттеру, а не к коллектору?

Можно, но это уже эмиттерный повторитель, а не ключ: напряжение на нагрузке будет меньше напряжения базы на 0,7 В и больше, а транзистор не насытится. Для управления от вывода микроконтроллера NPN-ключ ставят в минусовой провод нагрузки — эмиттер на общем проводе, нагрузка между плюсом и коллектором.

Нужен ли резистор между базой и эмиттером?

Желателен, если вывод управления может оказаться в третьем состоянии — например, при сбросе микроконтроллера. Резистор 10–100 кОм между базой и эмиттером надёжно закрывает транзистор, пока вывод не настроен. На расчёт тока базы он почти не влияет, если его ток мал по сравнению с током базы.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 4 «Bipolar Junction Transistors», section «The transistor as a switch» — управляемый ток идёт между коллектором и эмиттером, управляющий — между базой и эмиттером; без тока базы транзистор в отсечке, при наибольшем токе — в насыщении; для тока базы нужно преодолеть около 0,7 В перехода база–эмиттер; мощность нагрузки берётся от источника, а не от сигнала. CC BY 4.0
  2. onsemi. 2N3904: NPN General-Purpose Amplifier (2N3904/D, Rev. 3, October 2024) — ток коллектора до 200 мА; hFE 100–300 при 10 мА и UCE 1 В, не меньше 60 при 50 мА; UCE(sat) не больше 0,2 В при IC 10 мА, IB 1 мА и 0,3 В при 50 мА, 5 мА; UBE(sat) 0,65–0,85 В при 10 мА, 1 мА и не больше 0,95 В при 50 мА, 5 мА; рассеиваемая мощность 625 мВт при 25 °C
  3. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 3, section «Inductor commutating circuits» — без диода выброс катушки при размыкании — сотни вольт; с диодом напряжение на катушке — прямое падение диода, ключ видит напряжение батареи плюс около 0,7 В. CC BY 4.0
  4. STMicroelectronics. DS5319 Rev 20 (July 2025). STM32F103x8, STM32F103xB datasheet — табл. 37: напряжение единицы на выводе не ниже VDD − 0,4 В при токе 8 мА, VDD 2,7–3,6 В
  5. IEC 60063:2015. Preferred number series for resistors and capacitors — ряд E24 (те же значения, что в калькуляторе /tools/e-series/): номиналы в примере и задании урока

Нашли ошибку?

Смотрите также