Быстрый анализ коммутаторов BJT / драйверов
В этом техническом описании объясняется быстрая и простая процедура оценки цепи переключателя / драйвера на основе транзистора с биполярным переходным устройством NPN.
Вспомогательная информация
Введение в биполярные переходные транзисторы (BJT)
Распространение Arduino, малины Pi, TI MSP430 LaunchPad и других других встроенных платформ разработки привело к соответствующему распространению базовой схемы переключателей / драйверов на базе транзистора с биполярным переходником NPN. Эта конфигурация позволяет выходному выводу микроконтроллера безопасно и удобно управлять сильноточными нагрузками. На следующей диаграмме изображены два стандартных приложения - подсветка высокой интенсивности со светодиодом и реле.
Эта схема, безусловно, имеет свои преимущества:
- Это просто и использует легко доступные части.
- Он является гибким - широкий выбор напряжений и токов нагрузки может быть установлен путем выбора подходящего транзистора.
- Вы можете легко перейти на гальванически изолированную реализацию, используя оптрон вместо BJT.
Однако он также сопряжен с риском: самоуспокоенность. Это просто и широко, и это может побудить нас просто отказаться от схемы, которую мы находим в Интернете, и предположить, что она будет работать.
Как обычно бывает в жизни, один размер не подходит всем. Ниже перечислены важные величины, которые необходимо учитывать, прежде чем вы завершите настройку переключателя / драйвера BJT:
- Базовый ток BJT (I B), который также является источником тока с помощью вывода GPIO
- Коэффициент усиления постоянного тока BJT (β)
- Ток коллектора BJT (I C), который также является током нагрузки
Вот визуальное представление:
I B не должен превышать максимальный выходной ток для штыря, управляющего базой. Чтобы проверить это, предположим, что постоянное падение напряжения 0, 7 В для перехода от базового к эмиттеру. Это дает вам следующее:
$$ I_B = \ frac {V_ {IO} -0.7 \ V} {R_B} $$
где V IO является источником напряжения для схемы ввода / вывода микросхемы (общие значения составляют 5 В и 3, 3 В).
Затем нам нужно подтвердить, что ток коллектора 1) достаточно высок, чтобы правильно управлять нагрузкой и 2) не настолько высок, что он вызывает сбои в работе. Первым шагом является вычисление приблизительного минимального тока коллектора с использованием минимального значения BJT для коэффициента усиления активной области.
$$ I_ {Cmin} = I_B \ times \ beta_ {min} $$
Если это меньше минимально допустимого тока нагрузки, вы не можете быть уверены, что схема будет работать правильно. Чтобы исправить это, увеличьте базовый ток с помощью меньшего базового резистора или выберите транзистор с более высоким β.
Следующий шаг - рассчитать приблизительный максимальный ток коллектора, используя максимальное значение для β. Если I Cmax слишком высока для вашего груза, вам нужен резистор для ограничения тока коллектора. Всякий раз, когда вы вынуждаете I C быть меньше, чем β × I B, вы перемещаете BJT в область насыщения - дополнительное падение напряжения (созданное резистором) снижает напряжение коллектора и приводит к тому, что соединение между коллектором становится недостаточно обратное смещение для работы с активной областью. (На самом деле, нецелесообразно устанавливать ток коллектора с использованием I C = β × I B, потому что β настолько изменчив, что гарантирует, что транзистор имеет более чем достаточный коэффициент усиления тока, а затем добавит сопротивление к пределу I C). Когда вы находитесь в режиме насыщения, вы принимаете фиксированное напряжение для соединения коллектор-эмиттер, называемый V CEsat; проверьте спецификацию BJT или используйте общее, но неточное значение 0, 2 В. Затем вы используете закон Ома в сочетании с V CC и V CEsat для расчета тока коллектора и убедитесь, что он находится в допустимом диапазоне для вашей нагрузки.