Калькулятор ключа на биполярном транзисторе

Как пользоваться калькулятором

1. Напряжение управления — уровень единицы на выходе, который открывает транзистор. Под нагрузкой выход микроконтроллера отдаёт чуть меньше напряжения питания; гарантированный минимум при заданном токе указан в даташите. У ATmega328P с питанием 5 В это 4,2 В при токе 20 мА, при токе в единицы миллиампер напряжение ближе к питанию.
2. Напряжение база–эмиттер $U_\text{бэ нас}$ — из таблицы электрических характеристик даташита (VBE(sat)), при токе, близком к вашему. У 2N3906 это 0,65–0,85 В при 10 мА и не больше 0,95 В при 50 мА, у P2N2222A — от 0,6 до 1,2 В при 150 мА.
3. Ток нагрузки — ток через коллектор: ток катушки реле, светодиодов, двигателя в установившемся режиме.
4. Минимальный h21э — наименьшее значение hFE из даташита при токе, близком к току нагрузки. Типичное значение не годится: оно гарантирует только то, что половина экземпляров не хуже.
5. Коэффициент насыщения k — запас по току базы, обычно от 2 до 5.
6. Напряжение насыщения $U_\text{кэ нас}$ (VCE(sat)) — падение на открытом транзисторе, по нему считается нагрев.

Калькулятор покажет номинал резистора базы, ток базы с этим номиналом, отношение $I_\text{к}/I_\text{б}$, мощность на транзисторе и на резисторе. Предупреждения появятся, если запаса по току базы мало, если вывод микроконтроллера должен отдать больше 20 мА или если корпус TO-92 не рассеет выделяющуюся мощность. Значения сохраняются в адресе страницы — расчётом можно поделиться ссылкой.

Формулы

После округления номинала вниз ток базы пересчитывается: $I_\text{б} = (U_\text{упр} - U_\text{бэ нас}) / R_\text{б}$, а отношение $\beta_\text{прин} = I_\text{к} / I_\text{б}$ показывает, насколько глубоко транзистор насыщен. Это число полезно сравнить с условиями из даташита: напряжение $U_\text{кэ нас}$ производители гарантируют при определённом отношении, обычно $I_\text{к}/I_\text{б} = 10$ (у P2N2222A — 0,3 В при 150 мА и токе базы 15 мА). Если $\beta_\text{прин}$ заметно больше, реальное падение на транзисторе может оказаться выше табличного.

Пример: реле 5 В от микроконтроллера 3,3 В

Катушка реле на 5 В потребляет 80 мА, ключ — P2N2222A. В даташите onsemi минимальный h21э при 150 мА и $U_\text{кэ}$ = 1 В равен 50, а при 10 мА и $U_\text{кэ}$ = 10 В — 75; для тока 80 мА берём 50, это худший из двух случаев.

1. Ток базы с запасом k = 3: $I_\text{б} = 3 \cdot 80 / 50 = 4{,}8$ мА.
2. Резистор: $R_\text{б} = (3{,}3 - 0{,}8) / 4{,}8\ \text{мА} = 521$ Ом; ближайший меньший номинал E24 — 510 Ом.
3. Фактический ток базы — 4,9 мА, $I_\text{к} / I_\text{б}$ = 16: транзистор глубоко в насыщении.
4. Мощность на транзисторе: $0{,}3 \cdot 0{,}08 + 0{,}8 \cdot 0{,}0049 = 28$ мВт — корпус TO-92 её не заметит. Резистор рассеивает 12 мВт.

Параллельно катушке ставят диод катодом к плюсу: без него при выключении ЭДС самоиндукции катушки пробивает транзистор. Резистор 10 кОм между базой и эмиттером держит ключ закрытым, пока вывод микроконтроллера после сброса находится в высокоимпедансном состоянии; он отбирает от тока базы всего $0{,}8\ \text{В} / 10\ \text{кОм} = 80$ мкА. Схема целиком — в разделе «Транзисторный ключ» статьи о биполярном транзисторе.

Типичные ошибки

• Расчёт по типичному h21э. Разброс h21э у транзисторов одного типа — в разы, а при охлаждении он ещё падает: у P2N2222A при 10 мА минимум 75 при 25 °C и 35 при −55 °C. Ключ, рассчитанный «впритык» по типичному значению, на холоде выйдет из насыщения и начнёт греться.
• Нет резистора в базе. Переход база–эмиттер — это диод: без резистора ток ограничивает только выход микроконтроллера, и превышен будет его предельный ток.
• Слишком большой ток базы. Запас больше 5–10 раз не углубляет насыщение заметно, но нагружает вывод и замедляет выключение: заряд, накопленный в базе, рассасывается дольше.
• Нет диода на индуктивной нагрузке. Реле, соленоид и двигатель при выключении выдают выброс напряжения, превышающий допустимое $U_\text{кэо}$ транзистора.
• PNP-ключ в плюсовом проводе напрямую от вывода. Если нагрузка питается от напряжения выше питания микроконтроллера, вывод не может поднять базу до уровня эмиттера, и транзистор не закрывается. Нужен промежуточный NPN-транзистор — схема в разделе «Ключ на PNP в плюсовом проводе».

Как транзистор входит в насыщение и чем этот режим отличается от активного, разобрано в статье «Биполярный транзистор», в разделе «Режимы работы». Номинал гасящего резистора для светодиода, который включает ключ, — в калькуляторе резистора для светодиода, а нагрев мощного транзистора — в расчёте радиатора.