Ключ на электрической схеме

Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

1. Коллектор.
2. Эмиттер.
3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

1. P-N-P.
2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер — коллектор» может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h_21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

1. Биполярный транзистор.
2. Резистор для ограничения входного тока.
3. Электромагнитное реле.
4. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Ключ (электротехника)

Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.

Содержание

Терминология

Выключателем может называться коммутационный аппарат, не имеющий собственного названия, имеющий как минимум два фиксированных положения своих контактов (включено/отключено) и способный изменить это положение под действием внешних сил, на другое положение контактов (включено/отключено) на сколь угодно малое или большое значение времени.

Варианты исполнения

Механические

Механические ключи служат для непосредственного управления цепью, так как диэлектрический рычаг механического ключа обычно напрямую связан с токоведущими частями ключа. Применяются обычно в случае, когда не требуется отделять управляемую цепь.

• Выключатели освещения
• Пакетные выключатели
• Тумблеры
• Переключатели различных конструкций: галетные, клавишные, движковые и др.

Электромагнитные

Электромагнитные ключи служат для дистанционного управления, управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

Электронные

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принцип работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

Неуправляемые

Управляемые

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его базу управляющего напряжения (сигнала) определённой полярности и уровня. Нагрузка, подключённая к транзисторному ключу, оказывается зашунтированной большим или малым сопротивлением транзистора. В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

Классификация

Выключатели можно классифицировать следующим образом:

1. По числу фиксированных положений контактов:
   • Двухпозиционные (включен/отключен):
     • С нормально-замкнутыми контактами,
     • С нормально-разомкнутыми контактами.
   • Многопозиционные (как правило, переключатели, имеющие более двух фиксированных положений своих контактов).
2. По рабочему напряжению:
   • Низковольтные (до 1000 вольт);
   • Высоковольтные (выше 1000 вольт).
3. По рабочему току.
4. По отключаемому току короткого замыкания.
5. По способу управления приводом:
   • Местного управления (как правило, выключатели, имеющие ручной привод); (выключатели, имеющие, помимо ручного, ещё и механический привод. Здесь стоит отметить, что не все виды выключателей можно включить или отключить вручную).
6. По типу привода:
   • Выключатели с ручным приводом;
   • Выключатели с пневматическим приводом;
   • Выключатели с электромагнитным приводом;
   • Выключатели с электромеханическим приводом;
   • Выключатели с механическим приводом;
   • Выключатели с магнитным приводом (Геркон);
   • Автоматические выключатели (которые, помимо ручного привода, имеют один или несколько приводов, приводимых в действие расцепителями автоматической защиты).
7. По способу установки:
   • Открытого исполнения (то есть, выключатели, допускающие установку на открытом воздухе без защиты от атмосферных осадков);
   • Закрытого исполнения (то есть, выключатели, которые не допускается устанавливать на открытом воздухе).
8. По степени влаго-/пыле-/взрывозащищённости (IP).
9. По климатическому исполнению.
10. По наличию/отсутствию дугогасящих устройств:
    • Без специальных устройств дугогашения (как правило, слаботочные выключатели и переключатели или выключатели, в которых наличие дугогасящих устройств конструктивно не предусмотрено, например рубильники, разъединители);
    • Со специальными устройствами дугогашения (выключатели, в задачу которых входит отключение цепей под большой токовой нагрузкой, в том числе и при возникновении короткого замыкания, вследствие отключения которых велик риск образования электрической дуги).
11. По способу гашения дуги/виду дугогасящих устройств:
    • Воздушные выключатели:
      • С дугогасительными камерами магнитного дутья,
      • С дугогасительными камерами газового дутья.

      :

      • С дугогасительными камерами магнитного дутья,
      • С дугогасительными камерами масляного дутья.
    • Маломасляные выключатели; .
12. По характеру дугогасящей среды:
    ; ; ;
    • Трансформаторное масло.
13. По материалу и исполнению коммутирующих контактов:
    • Цельнометаллические контакты:
      , , .
    • Цельнометаллические контакты с напылением драгоценных металлов:
      • С серебряным напылением,
      • С золотым напылением.
    • Металло-керамические контакты:
      • Контакты, выполненные из сплава технического серебра с гранулированным керамическим наполнителем методом порошковой металлургии.
    • Жидкие контакты:
      контакт. Например, в выключателях, реагирующих на изменение положения в пространстве, жидким контактом является капля ртути, которая, попадая между электродами, замыкает электрическую цепь (газовое реле).
      • Контакт, роль которого выполняет любая токопроводящая жидкость. Например, в датчиках уровня вода, попадая между электродами, замыкает электрическую цепь.

Бытовой выключатель

Бытовой выключатель — это двухпозиционный коммутационный аппарат с нормально-разомкнутыми контактами, предназначенный для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт, не предназначенный для отключения токов короткого замыкания, без специальных устройств дугогашения, местного управления, с ручным приводом.

Остальные характеристики этого выключателя, такие как рабочий ток, степень влаго-/пыле-/взрывозащищённости (IP), климатическое исполнение, способ установки, материал контактов — определяются производителем и зависят от конкретной модели.

Более того, для бытового выключателя актуально конструктивное исполнение — для внутренней установки (встраиваемым в стену, для скрытой проводки) или для внешней установки (устанавливаемым на стену, для открытой проводки).

В основном применяются для включения и выключения освещения (люстр, плафонов). Для этой же цели в продаже появились выключатели с плавным управлением освещённости: светорегуляторы, диммеры, триммеры.

Акустический выключатель

Акустический выключатель — электрический выключатель, управляемый звуком.

Бывает следующих типов:

1. Реагирующие на шум. Такой выключатель реагирует на шум в помещении, при его появлении включает свет. Используется в подъездах и коридорах для экономии электроэнергии.
2. Реагирующие на хлопок. Такой выключатель применяется в квартирах, удобен для применения в спальнях.
3. Реагирующие на слова. Такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса.

См. также

Ссылки

Источники

• «Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов» Рожкова Л. Д., Козулин В. С. — 3-е изд., перераб. и доп. — М .: Энергоатомиздат, 1987. — 648 с.: ил. ББК 31.277.1 Р63

• Проверить достоверность указанной в статье информации.
• Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

• Коммутационные аппараты

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Ключ (электротехника)» в других словарях:

Ключ — Ключ: В Викисловаре есть статья «ключ» Ключ, родник  место, где подземные воды вытекают на поверхность земли … Википедия

Ключ (значения) — Ключ инструмент для открывания замка. Гаечный ключ, разводной ключ инструмент для откручивания болтовых соединений. Ключ (криптография) информация, используемая алгоритмом для преобразования сообщения при шифровании или расшифровании. Ключ… … Википедия

Ключ (инструмент) — У этого термина существуют и другие значения, см. Ключ (значения). Ключ в замочной скважине В … Википедия

ключ (элемент электрической цепи) — ключ Элемент электрической цепи, электрическое сопротивление которого принимает нулевое либо бесконечно большое значение, причем интервал времени перехода от одного состояния к другому бесконечно мал. [ГОСТ Р 52002 2003 ] Тематики электротехника … Справочник технического переводчика

ключ (напр. цоколя лампы) — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN aligning plug … Справочник технического переводчика

ключ (напр. цоколя) — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN pip … Справочник технического переводчика

ключ возврата — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN reset keyresetting key … Справочник технического переводчика

ключ выбора режима «ручной — автоматический» — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN hand off automatic selector switch … Справочник технического переводчика

ключ для управления несколькими цепями — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN multiple key … Справочник технического переводчика

ключ квитирования — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN acknowledgement switchacknowledger … Справочник технического переводчика

Обозначения в эл. схемах

Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. ГОСТ 2.710

Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. ГОСТ 2.710-81 (фрагмент).

Буквенные коды наиболее распространенных видов элементов.

Примеры двухбуквенных кодов

Примеры видов элементов, помеченные * добавлены автором.

Комментарии

1. Если УГО стандартами не установлено, то разработчик выполняет УГО на полях схемы и дает пояснения (ГОСТ 2.702-2011).
То-есть, если в стандартах условное обозначение какого-то электрического устройства отсутствует, можно придумать свое (желательно используя имеющиеся в стандартах элементы условных обозначений). А на свободном поле чертежа, отобразить данное обозначение и дать разъяснения о его назначении, функции.
Например фотоконденсатор:

2. По буквенному обозначению, если уж в стандартах все фотоэлементы: и фоторезистор, и фотодиод, и фототранзистор обозначают одинаково — BL, то наверное будет логичнее и фотоконденсатор у присвоить тот-же буквенный код BL.

3. Фотоэлектрохими ческий суперконденсато р, при беглом ознакомлении, совмещает в себе полупроводников ый солнечный элемент собственно суперконденсато р. Возможно его можно изобразить таким образом:

Буквенный код, тот-же применяйте на Ваше усмотрение (возможно в данном случае, можно применить обозначение как для источника питания — G) и расшифруйте в пояснениях.
Но, это предположительн о. Нужно внимательней изучить конструкцию (у меня на это нет времени)

Доброго времени суток!
Меня очень сильно интересуют 3 вопроса.
1. Как обозначаются фотоконденсатор ы на электрических схемах (по логике должно быть обозначение аналогично фоторезистору: сам элемент (конденсатор в данном случае) взять в кружок и поставить 2 стрелки направленные на него; но проблема в том, что я не нашёл ни одного подтверждения этого как в каталогах, так и вообще в статьях в Интернете).
2. Если обозначения какого-либо элемента пока не существует, то можно ли его обозначать сочетанием букв, либо сочетанием элемента и букв? Например, в данном случае пусть не существует обозначения фотоконденсатор а. Какими из следующих вариантов тогда можно его обозначить: тремя буквами «BLC» или «CBL», взятыми в кружок (кстати, если это правильно, то какой из этих 2-х вариантов верен?), или же нарисовать конденсатор, а рядом поставить буквы «BL»?
3. Как обозначаются подтипы элементов на электрических схемах? Например, существует фотоэлектрохими ческий суперконденсато р (PES-фотоконден сатор, от англ. Photoelectroche mical Supercapacitor) . Как его обозначить на схеме? Конденсатором с рядом расположенными буквами PES? Или опять сочетанием каких-либо букв, например, «PES-С» (кстати, чисто из любопытства вопрос: если такое обозначение верно, то нужно ли ставить дефис?)?
Извините, что задал столько вопросов (наверное, глупых к тому же)! Я не очень в этой сфере разбираюсь. Но мне правда очень нужно это.
Заранее благодарю!