Транзистор 12 вольт – Подскажите как включить NPN транзистор так, чтобы при подаче на базу 5 вольт открывался переход и проходил ток 12 вольт.

Содержание

Транзисторные ключи. Схема, принцип работы

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или биполярных транзисторов. Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р–n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.

Статический режим работы

В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:

  1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
  2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
  3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Этот параметр зависит от максимальной допустимой частоты, когда может осуществляться переключение сигналов. Это в свою очередь зависит от длительности переходного процесса, что определяется инерционностью транзистора, а также влиянием паразитных параметров. Для характеристики быстродействия логического элемента часто указывают среднее время, которое происходит при задержке сигнала, при его передаче в транзисторный ключ. Схема, отображающая его, обычно именно такой усреднённый диапазон отклика и показывает.

Взаимодействие с другими ключами

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Что выбрать

С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах аналоговых сигналов. Поэтому в них применяются специальные полевые транзисторы, где есть управляющий р–n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

  1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
  2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
  3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
  4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

fb.ru

Ключ на полевом транзисторе своими руками

Пожалуй, даже далёкий от электроники человек слышал, что существует такой элемент, как реле. Простейшее электромагнитное реле содержит в себе электромагнит, при подаче на который напряжения происходит замыкание двух других контактов. С помощью реле мы может коммутировать довольно мощную нагрузку, подавая или наоборот, снимая напряжение с управляющих контактов. Наибольшее распространение получили реле, управляющиеся от 12-ти вольт. Также встречаются реле на напряжение 3, 5, 24 вольта.

Однако коммутировать мощную нагрузку можно не только с помощью реле. В последнее время широкое распространение получили мощные полевые транзисторы. Одно из их главных предназначений – работа в ключевом режиме, т.е. транзистор либо закрыт, либо полностью открыт, когда сопротивление перехода Сток – Исток практически равно нулю. Открыть полевой транзистор можно подав напряжение на затвор относительно его истока. Сравнить работу ключа на полевом транзисторе можно с работой реле – подали напряжение на затвор, транзистор открылся, цепь замкнулась. Сняли напряжение с затвора – цепь разомкнулась, нагрузка обесточена.
При этом ключ на полевом транзисторе имеет перед реле некоторые преимущества, такие, как:
  • Большая долговечность. Довольно часто реле выходят из строя из-за наличия механически подвижных частей, транзистор же при правильных условиях эксплуатации имеет гораздо больший срок службы.
  • Экономичность. Обмотка реле потребляет ток, причём иногда весьма значительный. Затвор транзистора же потребляет ток только в момент подачи на него напряжения, затем он практически не потребляет тока.
  • Отсутствие щелчков при переключении.

Схема


Схема ключа на полевого транзистора представлена ниже:

Резистор R1 в ней является токоограничивающим, он нужен для того, чтобы уменьшить ток, потребляемый затвором в момент открытия, без него транзистор может выйти из строя. Номинал этого резистора можно спокойно изменять в широких пределах, от 10 до 100 Ом, это не скажется на работе схемы.
Резистор R2 подтягивает затвор к истоку, тем самым уравнивая их потенциалы тогда, когда на затвор не подаётся напряжение. Без него затвор останется «висеть в воздухе» и транзистор не сможет гарантированно закрыться. Номинал этого резистора также можно менять в широких пределах – от 1 до 10 кОм.
Транзистор Т1 – полевой N-канальный транзистор. Его нужно выбирать исходя из мощности, потребляемой нагрузкой и величины управляющего напряжения. Если оно меньше 7-ти вольт, следует взять так называемый «логический» полевой транзистор, который надёжно открывает от напряжения 3.3 – 5 вольт. Их можно найти на материнских платах компьютеров. Если управляющее напряжение лежит в пределах 7-15 вольт, можно взять «обычный» полевой транзистор, например, IRF630, IRF730, IRF540 или любые другие аналогичные. При этом следует обратить внимание на такую характеристику, как сопротивление открытого канала. Транзисторы не идеальны, и даже в открытом состоянии сопротивление перехода Сток – Исток не равно нулю. Чаще всего оно составляет сотые доли Ома, что совершенно не критично при коммутации нагрузки небольшой мощности, но весьма существенно при больших токах. Поэтому, чтобы снизить падение напряжения на транзисторе и, соответственно, уменьшить его нагрев, нужно выбирать транзистор с наименьшим сопротивлением открытого канала.
«N» на схеме – какая-либо нагрузка.
Недостатком ключа на транзисторе является то, что он может работать только в цепях постоянного тока, ведь ток идёт только от Стока к Истоку.

Изготовление ключа на полевом транзисторе


Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:
1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

4) В итоге на текстолите появляется рисунок дорожек в зеркальном отображении. Если тонер местами плохо прилип к будущей плате, можно подправить огрехи в помощью женского лака для ногтей.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

После травления плата приобретает такой вид:

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:


Плата готова к запаиванию в неё деталей. Потребуются всего два резистора и транзистор.

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:


В качестве нагрузки для проверки работы схемы я взял два мощных резистора по 100 Ом, включенных параллельно.

Использовать устройство я планирую в связке с датчиком влажности (плата на заднем плане). Именно с него на схему ключа поступает управляющее напряжение 12 вольт. Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Падение напряжение на транзисторе при этом составило 0,07 вольта, что в данном случае совсем не критично. Нагрева транзистора на наблюдается даже при постоянной работе схемы. Успешной сборки!



Скачать плату и схему:
plata.zip [4,93 Kb] (cкачиваний: 434)

sdelaysam-svoimirukami.ru

схема, принцип работы и особенности :: SYL.ru

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 h21Э). 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. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. 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.

www.syl.ru

Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей | hardware

Меня часто спрашивают, как управлять с помощью микроконтроллера мощными потребителями тока — лампами, питающимися от сети 220 В, мощными тенами. В этой статье собран материал по работе электронных ключей — как они устроены, как работают, как их можно применить в радиолюбительской практике (перевод [1]).

Сначала стоит разобраться в том, что же такое электронный ключ? В сущности это просто выключатель (или переключатель) который замыкает/размыкает сильноточную цепь по внешнему электрическому сигналу (тоже входной ток, но намного меньшей мощности). Обычно, когда на вход электронного ключа подается слабый ток управления, ключ замыкается и пропускает через себя мощный ток в силовой цепи. Когда ток управления пропадает, то ключ размыкается и мощный потребитель тока отключается. На фото представлены основные представители электронных ключей — реле и транзисторы.

1 — мощный транзистор IRFP450 MOSFET, который можно применять в ключевых источниках питания, в генераторах развертки ЭЛТ-мониторов.

2IRF840B, тоже довольно мощный транзистор, собрат IRFP450. Может безопасно, продолжительное время, без использования радиатора (или охлаждающего вентилятора) коммутировать токи до 8A при напряжении 500V.

UPD140601: как верно прокомментировал Ross, на самом деле без радиатора IRF840 долго в таких рабочих условиях не протянет, потому что рассеиваемая мощность превысит 50 Вт. Если взять транзистор с сопротивлением канала на 2 порядка меньше, тогда другое дело.

3 — два простых, дешевых транзистора. Слева транзистор структуры PNP, а справа NPN. Эти транзисторы могут управлять током до 0.15A при напряжении 50 .. 90V.

Обычно транзисторы могут коммутировать ток от 0.15A до 14A при напряжении от 50V до 500V (см. даташит на каждый конкретный транзистор), так что транзистор может переключить мощность до 7 киловатт, если на вход транзистора приложить совсем маленькую мощность — несколько милливатт.

Приведенные на фото реле могут коммутировать токи от 5A до 15A при напряжении до 240V. Не очень правильно будет сравнивать реле с транзисторами MOSFET, но они почти не генерируют тепло и не нуждаются в радиаторах.

4 — самое простое реле, подходящее для большинства случаев. У этого реле 5 ножек, две подключены к обмотке, а еще три — к контактам на переключение.

5 — мощное реле на 20A, вытащенное из микроволновой печи.

6 — два реле, установленные на приемный радиомодуль (может обучаться на срабатывание от нужного приходящего по радио кода). Сам приемник потребляет меньше 5mA, но может при этом переключить ток до 12A при напряжении 36V, что составит 360 ватт!

7 — два мощных 135-ваттных транзистора 2N3055 от старого усилителя звука, со своим родным радиатором. Это устаревшие биполярные транзисторы, и они не настолько эффективны, как современные транзисторы MOSFET. Однако два таких транзистора в некоторых случаях могут заменить один IRFP450, чтобы коммутировать больше 75 ватт мощности.

8 — приемник кода RC от большой детской радиоуправляемой игрушки — автомобиля. Использует два одинаковых реле для прямого и обратного хода двигателя машинки. Странно, что эти реле системы SPDT, что означает, что у них не используются контакты N/C.

9 — два реле системы DPDT, которые эквивалентны 4 отдельным реле (в каждом из этих реле по 2 контактные группы).

Электронные ключи применяются в тех случаях, когда использование простых кнопок и выключателей неудобно или невозможно — например, для запуска автомобильного стартера, или для выключения ядерного реактора, или в электронных проектах, которые по радиосигналу могут управлять включением/выключением освещения или приводом гаражной двери. В этом руководстве будет сделана попытка объяснить самым простым языком, как работают такие электронные ключи. И начнем с самого простого — реле.

[Что такое электронное реле]

Если коротко, то реле представляет из себя электромагнит, который управляет замыканием контактов. Работает это точно так же, как если бы контакты замыкались механическим нажатием кнопки, но в случае реле усилие для замыкания берется от магнитного поля обмотки реле. Выходные контакты реле могут управлять очень большой электрической мощностью — на порядки большей, чем прикладываемая мощность к обмотке электромагнита реле. При этом входная цепь обмотки (где действует слабый управляющий ток) полностью изолирована от выходной мощной цепи, что очень важно для безопасного управления высоковольтными нагрузками (220, 380 V и выше).

Чаще всего у реле есть 5 контактов — вход 1 (на анимационном рисунке помечен +), вход 2 (на рисунке помечен как -), COM (COMmon, общий контакт), N/O (Normally Open, по умолчанию разомкнуто, когда обмотка не получает питание), N/C (Normally Closed, по умолчанию замкнуто, когда обмотка не получает питание).

Чтобы лучше понять работу реле, вспомним, что эти контакты означают и для чего нужны:

Вход 1: один из концов обмотки электромагнита реле, в нашем примере это вход для положительного полюса входного тока для обмотки. Когда на этот контакт приложен плюс напряжения (достаточного, чтобы реле сработало) относительно контакта Вход 2, то реле переключает контакты в активное состояние. Почти все реле нечувствительны к полярности входного тока, поэтому можно на Вход 1 подать +, а на Вход 2 подать минус, и наоборот, на Вход 1 подать -, а на Вход 2 подать +, и в любом случае реле нормально сработает. Некоторые реле, которые имеют массивный инерционный якорь, могут даже срабатывать от переменного входного напряжения (подробности см. в паспорте на реле).
Вход 2: другой конец обмотки электромагнита реле. Все то же самое, что и для Вход 1, только полюс в нашем примере отрицательный.
COM: это общий электрод выходных контактов переключателя. При срабатывании или отпускании реле этот контакт перекидывается на контакт N/O или N/C (контакты N/O и N/C работают в противофазе, т. е. COM может быть замкнут либо на N/O, либо на N/C). Контакт COM (как и контакты N/O и N/C) можете использовать по своему усмотрению для коммутации электрической нагрузки.
N/C: контакт, который нормально замкнут на COM. Т. е. контакт N/C замкнут на COM, когда обмотка реле обесточена. Когда на обмотку реле подано рабочее напряжение, то контакты N/C и COM размыкаются.
N/O: контакт, который нормально разомкнут с COM. Т. е. когда обмотка реле обесточена, то контакты N/O и COM разомкнуты. Когда на обмотку реле подано рабочее напряжение, то контакты N/O и COM замыкаются.

Для улучшения токопроводимости и уменьшения искрения поверхности контактов часто покрывают специальными металлами и сплавами на основе серебра, никеля, ванадия, а иногда для покрытия контактов применяется даже золото или платина (если это реле для коммутации сигналов в качественной аудиоаппаратуре или высокочастотной радиотехнике).

Если у Вас есть 9V батарейка (например «Крона») и обычное реле, то попробуйте подключить обмотку реле к + и — батарейки. При подключении Вы услышите щелчок, который происходит из-за притягивания якоря реле к сердечнику электромагнита и переключения контактов. При отключении обмотки от батарейки произойдет также щелчок, но слабее. При отключении контакта обмотки от батареи Вы также увидите искру, которая возникает от ЭДС самоиндукции обмотки реле.

Если принцип переключения контактов все еще непонятен для Вас, то его можно представить к виде псевдокода и иллюстрирующей процесс анимационной картинки:

Если input = on (Power ON, через обмотку течет ток)
   COM + N/O (COM замкнут на N/O)
Иначе (Power OFF, обмотка обесточена)
   COM + N/C (COM замкнут на N/C)

[Как использовать реле]

Как было уже упомянуто, реле используется для того, чтобы маломощные устройства (электронные компоненты, устройства) могли включать и выключать устройства, которые потребляют намного больше энергии. Самый распространенный пример применения — автомобиль. Теперь Вас не должно удивлять, почему Вы слышите щелчки при включении индикаторной лампочки, потому что Вы знаете — это срабатывает электромагнит реле. Мигания лампочки может создавать маленькая микросхема таймера, например 555 timer (NE555, LM555).

Таймер 555 часто используется для создания импульсов (для простого включения и выключения) на любую нужную длительность, однако эта микросхема 555 сгорит, если будет пропускать через себя ток больше 200 ма. Так что невозможно просто так, без реле, подключить индикаторные лампочки к таймеру 555, потому что даже самые маломощные лампочки потребляют 700 ма и более. Теперь, если мы будем использовать таймер 555 для включения реле, то контактами реле можно запитывать мощные индикаторные лампочки. В этом случае через микросхему таймера будет течь ток около 50 .. 100 ма, что вполне безопасно, а в силовой цепи, питающей индикаторные лампочки, могут течь токи до 5А.

Если у Вас дорогая, новая машина, то мало шансов, что Вы услышите щелчки при мигании индикаторных ламп, поскольку современная тенденция — применять везде, где можно, мощные транзисторы MOSFET, а в качестве индикаторных ламп ставить экономичные светодиоды.

На интерактивной flash-анимации показан простой сценарий, в котором используются оба контакта N/O и N/C, чтобы включать либо красную, либо зеленую лампу (в зависимости от того, запитана обмотка реле, или нет). Наведите курсор мыши на серый выключатель, и нажмите левую кнопку мыши. При этом красная лампа погаснет, а зеленая загорится.

На следующем рисунке показан пример использования реле вместе с таймером NE555.

Кратковременное замыкание кнопки S1 запускает формирование длительной выдержки времени, в течение которого реле включено, и замыкает контакты NO и C. По окончании времени выдержки схема возвращается в исходное состояние, реле обесточивается, и становятся замкнутыми контакты NC и C. Такое устройство можно использовать для включения освещения на лестнице — по истечении заданного времени свет автоматически выключится. RC-цепочка, подключенная к выводам 6 и 7 таймера NE555, определяет выдержку времени. Диод, подключенный параллельно обмотке реле, защищает микросхему таймера NE555 от опасного выброса ЭДС самоиндукции, которое возникает при обесточивании обмотки реле (обмотка обладает значительной индуктивностью). Чтобы схема работала нормально, выбирайте подходящее реле — с током срабатывания не более 200mA (это максимум, который позволяет выход микросхемы таймера) при напряжении от 4.5 до 11 вольт. Напряжение питания схемы подберите в соответствии с параметрами реле — от 5 до 12 вольт.

Вместо микросхемы таймера NE555 можно использовать любой микроконтроллер AVR, например ATmega32A или ATtiny85 [4]. Микроконтроллер точно так же, как и таймер 555, может переключать свой выход с 0 на 1. Однако имейте в виду, что выходной допустимый ток у микроконтроллера существенно меньше, а выходное напряжение может меняться только в пределах от 0 до 5V. Например, для ATmega32A выходной ток не может превышать 40mA на один порт. Поэтому в общем случае для усиления порта микроконтроллера используют транзисторные ключи [2]. Вход транзисторного ключа подключен к микроконтроллеру, а выход — к обмотке реле.

[Что такое транзистор]

В предыдущем разделе мы упомянули транзисторы в качестве усилителя / буфера сигналов от микроконтроллера. Но не успели разобраться, как транзисторы выглядят и по какому принципу работают. На фото показан внешний вид транзисторов различного назначения.

Транзистор на сегодняшний день все еще часто используется в электронных схемах, и он является одним из элементарных компонентов радиоэлектроники (наряду с диодами, резисторами и конденсаторами). Несмотря на то, что принцип работы транзистора для новичка трудно понять с первого раза, транзистор по сути очень прост и очень хорошо работает вместе с реле. Как Вы уже наверное заметили, у транзистора 3 ножки, и простые биполярные транзисторы бывают двух типов: PNP и NPN.

Самыми первыми появились транзисторы PNP, и они изготавливались на основе полупроводника германия. Потом освоили изготовление транзисторов из кремния, и более распространенными стали транзисторы структуры NPN. Транзисторы обеих структур (PNP и NPN) работают по одинаковому принципу, отличие только в полярности рабочего напряжения питания, и в некоторых параметрах. В настоящее время чаще используют транзисторы NPN.

В ключевых схемах назначение транзистора то же самое, что и у реле. Когда слабый открывающий ток течет через эмиттерный переход (между базой Б и эмиттером Э), то канал между коллектором (К) и эмиттером (Э) открывается, и может пропускать ток больше базового в десятки и сотни раз. Эмиттер в этом случае играет роль общего электрода, и для транзисторов NPN в ключевом режиме эмиттер часто подключен к общему отрицательному проводу питания, к земле GND.

Транзисторы иногда используют вместо реле, и они переключают большую мощность, как и реле, от слабого сигнала. Но в отличие от реле, скорость переключения транзисторов может быть очень высокой (время перехода из выключенного состояния во включенное и наоборот очень мало), поэтому их применяют для управления звуковыми динамиками и импульсными трансформаторами в ключевых источниках питания. Большинство самых обычных транзисторов могут переключаться со скоростью 1 миллион раз в секунду. Транзисторы также выгодно отличаются от реле малыми габаритами, поэтому они могут использоваться в тех местах, где реле использовать невозможно или непрактично. Однако транзисторы могут быть повреждены сильными электромагнитными полями, статическим электричеством и перегревом, что накладывает определенные ограничения на области применения транзисторов.

[Как работает транзистор]

Транзистор работает усилителем мощности. На вход прикладывается маленькая управляемая мощность, а на выходе снимается в десятки и даже сотни раз бОльшая мощность. Это происходит за счет изменения сопротивления между выводами коллектора и эмиттера в зависимости от тока, который протекает между базой и эмиттером.

К сожалению, расположение выводов базы, эмиттера и коллектора (цоколевка) может меняться от одного типа транзистора к другому, так что для того, чтобы понять, где база, а где эмиттер и где коллектор, обращайтесь к документации на транзистор. Есть способы, позволяющие с помощью тестера определить цоколевку, но это существенно сложнее, чем просто заглянуть в даташит.

Транзисторы, в отличие от реле, могут открываться не полностью (иметь некое сопротивления канала эмиттер — коллектор), что прямо пропорционально току, протекающему через базу. Эту пропорцию называют коэффициент усиления тока транзистора, h21Э. Например, если коэффициент усиления транзистора равен 100, то при токе 1mA, протекающем через базу, ток через канал коллектор — эмиттер может достигать 100mA, что на техническом языке называют усилением. Транзистор, также в отличие от реле, может сильно нагреваться при протекании через него тока. Обычно высокий нагрев получается при большой рассеиваемой мощности на сопротивлении канала коллектор — эмиттер, когда транзистор не полностью открыт. Поэтому нагрев и потери мощности минимальные тогда, когда транзистор либо полностью закрыт, либо полностью открыт.

Все транзисторы имеют некий порог входного напряжения, по превышении которого транзистор начинает открываться. Для большинства обычных кремниевых биполярных транзисторов это напряжение составляет 0.5 .. 0.8V. Для германиевых транзисторов это напряжение меньше, и составляет около 0.2 .. 0.4V. Иногда этот порог называют напряжением отсечки. Если входное напряжение ниже напряжения отсечки, то ток через каналы база — эмиттер и коллектор — эмиттер не течет, транзистор полностью закрыт.

Также все транзисторы имеют максимальный входной ток, после превышения которого эффект усиления перестает проявляться. Т. е. выше этого порога усиление перестает проявляться, выходной ток перестает расти. При этом напряжение между базой и эмиттером близко и даже выше напряжения между коллектором и эмиттером. Такое состояние транзистора называют насыщением, и при этом считается, что транзистор полностью открыт.

В этой статье мы рассматриваем применение транзистора в качестве электронного ключа, поэтому будут использоваться только два состояния транзистора — либо он полностью закрыт (состояние отсечки тока), либо полностью открыт (состояние насыщения). Ниже приведена анимация, упрощенно показывающая общий принцип работы транзистора. Обратите внимание, что ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, причем ток базы в 100 раз меньше тока коллектора (коэффициент усиления тока равен 100).

По этой картинке можно проще понять, почему малого тока базы достаточно, чтобы открыть силовой канал проводимости коллектор — эмиттер (потому что маленький входной ток как бы открывает вентиль основного канала). Также можно условно понять состояние насыщения — поток воды переполняет трубу, и труба не может пропустить через себя воды больше, чем позволяет диаметр трубы. Конечно же, такое представление является упрощенным, очень приблизительно отражающим реальные процессы, которые происходят в транзисторе.

[Как использовать транзистор]

Очень часто транзистор используется как электронный ключ. Когда управляющий ток течет между базой и эмиттером, открывается силовой канал между эмиттером и коллектором, сопротивление между эмиттером и коллектором резко падает. К примеру, можно включать/выключать светодиоды в зависимости от сигнала тока, приходящего от таймера 555 (как на анимации ниже) или от микроконтроллера. Между управляющим выходом таймера 555 (или выходным портом микроконтроллера) и базой транзистора почти всегда ставят токоограничивающий защитный резистор (на этой анимации для упрощения резистор не показан). Для упрощения также не показаны токоограничительные резисторы, которые должны стоять последовательно с каждым светодиодом.

Ранее уже упоминалась возможность управлять реле с помощью микроконтроллера. Для этого обычно также применяются транзисторы. Ниже приведена простая схема на транзисторе KT315 (его можно заменить аналогом на BC547), предназначенная для коммутации сетевой нагрузки 220V с помощью реле (это может быть лампа, или нагреватель, или асинхронный двигатель).

Диод VD1 нужен для предотвращения повреждения транзистора высоковольтным импульсом ЭДС самоиндукции, который возникает при обесточивании обмотки реле.

[Общие замечания по применению реле и транзисторов]

Реле бывают с самыми разными параметрами, определяющими его назначение и область применения. Чем реле мощнее (то есть чем больше ток и напряжение, которое реле может коммутировать), тем больше размеры реле из-за увеличения размеров электромагнита и контактной группы. Чем реле больше по размеру, тем оно будет требовать бОльшей мощности для управления. Поэтому старайтесь подобрать реле, наиболее подходящее Вам по параметрам.

Важно также подобрать нужное напряжение источника питания для реле. Если напряжение будет слишком низким, то реле не будет надежно срабатывать (или не будет срабатывать вовсе). Если напряжение будет слишком большим, то на обмотке реле будет рассеиваться слишком большая мощность, обмотка будет перегреваться и реле может выйти из строя. Чтобы правильно выбрать напряжение питания обмотки реле, см. параметры реле в его паспорте или даташите.

Для управления реле с помощью микроконтроллера применяйте транзисторы в качестве буферных ключей.

Вы могли бы задаться вопросом — в чем разница между мощными, обычными биполярными транзисторами и транзисторами MOSFET. Мощные транзисторы могут выдержать бОльшие токи и напряжения, и имеют специальные корпуса (обычно максимальные токи порядка 10 .. 20A, и напряжения до 600V и более). Корпус мощного транзистора рассчитан на крепление к теплоотводящей поверхности (например, радиатору). Обычные транзисторы имеют простые пластмассовые миниатюрные корпуса, и могут обычно выдерживать напряжения до 150V и токи до 2A.

Транзистор MOSFET, несмотря на то, что принцип его работы и параметры абсолютно отличаются от традиционных биполярных транзисторов, применяются для тех же целей, что и биполярные транзисторы. Ниже приведен пример схемы для управления реле на транзисторе MOSFET.

Под транзисторами MOSFET часто подразумевают мощные транзисторы. Действительно, параметры у MOSFET значительно превышают параметры биполярных транзисторов по току и напряжению. В закрытом состоянии сопротивление канала сток — исток транзисторов MOSFET близко к бесконечности, а в открытом состоянии падает практически до нуля. Поэтому транзисторы MOSFET могут безопасно работать при переключении очень больших мощностей, выделяя при этом малое количество тепла. Транзисторы MOSFET, как и биполярные, могут плавно изменять сопротивление силового канала, однако это сопротивление зависит от входного напряжения, а не от входного тока. Во многих случаях можно с небольшими модификациями схемы заменить биполярный транзистор на транзистор MOSFET. Обратная замена возможна далеко не всегда.

Меня наверное можно назвать «радиоэлектронным старьевщиком». Не могу равнодушно мимо любой выброшенной радиоэлектронной железки — хочется забрать домой, починить или хотя бы разобрать на запчасти. В старой аппаратуре можно найти реле и транзисторы, вполне работоспособные и достойные лучшей участи, чем гниение на свалке. Реле могут стоять в микроволновых печах, кондиционерах, телевизорах, холодильниках, источниках бесперебойного электропитания, музыкальных центрах, радиоуправляемых игрушках. Транзисторы встречаются почти в любой электронной аппаратуре, и последнее время все больше встречаются транзисторы с планарным монтажом на плату (SMD), а транзисторы со штыревыми выводами встречаются реже.

[Что обозначают аббревиатуры SPDT, SPST, DPST, DPDT]

Аббревиатура Расшифровка
аббревиатуры
Обозначение в Великобритании Обозначение в США Описание Графический символ
SPST Single pole, single throw One-way Two-way Простой выключатель, имеющий два положения — включено или выключено. Два контакта могут быть либо замкнуты друг с другом, либо разомкнуты. Применяется, например, для включения освещения.
SPDT Single pole, double throw Two-way Three-way Простой переключатель. Общий контакт C (COM, Common) соединяется либо с контактом L1, либо с L2.
SPCO
SPTT
Single pole changeover или Single pole, triple throw     По контактам то же самое, что и SPDT. Некоторые производители реле используют SPCO/SPTT для обозначения переключателей, имеющих выключенное среднее, центральное положение, в котором все контакты разомкнуты.
DPST Double pole, single throw Double pole Double pole То же самое, что и две отдельных контактных группы SPST, управляемые одновременно одним механизмом.
DPDT Double pole, double throw     То же самое, что и две отдельных контактных группы SPDT, управляемые одновременно одним механизмом.
DPCO Double pole changeover или Double pole, centre off     По контактам эквивалентно DPDT. Некоторые производители используют DPCO для обозначения переключателей, имеющих среднее, выключенное положение.
    Intermediate switch Four-way switch Переключатель DPDT, имеющий внутреннее соединение контактов таким образом, что переключение меняет полярность подведенного напряжения. Используется редко.

[Ссылки]

1. How Electronic Switches Work For Noobs: Relays and Transistors site:instructables.com.
2. usb-Relay — маленькое USB-устройство, управляющее включением и выключением реле.
3. Транзистор — это просто. Очень хорошие видеоуроки, объясняющие принцип работы полупроводников.
4. Доступ к портам I/O AVR на языке C (GCC, WinAVR).
5. Как работают транзисторы MOSFET.

microsin.net

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1

О какой нагрузке идет речь? Да о любой — релюшки, лампочки, соленоиды, двигатели, сразу несколько светодиодов или сверхмощный силовой светодиод-прожектор. Короче, все что потребляет больше 15мА и/или требует напряжения питания больше 5 вольт.

Вот взять, например, реле. Пусть это будет BS-115C. Ток обмотки порядка 80мА, напряжение обмотки 12 вольт. Максимальное напряжение контактов 250В и 10А.

Подключение реле к микроконтроллеру это задача которая возникала практически у каждого. Одна проблема — микроконтроллер не может обеспечить мощность необходимую для нормальной работы катушки. Максимальный ток который может пропустить через себя выход контроллера редко превышает 20мА и это еще считается круто — мощный выход. Обычно не более 10мА. Да напряжение у нас тут не выше 5 вольт, а релюшке требуется целых 12. Бывают, конечно, реле и на пять вольт, но тока жрут больше раза в два. В общем, куда реле не целуй — везде жопа. Что делать?

Первое что приходит на ум — поставить транзистор. Верное решение — транзистор можно подобрать на сотни миллиампер, а то и на амперы. Если не хватает одного транзистора, то их можно включать каскадами, когда слабый открывает более сильный.

Поскольку у нас принято, что 1 это включено, а 0 выключено (это логично, хотя и противоречит моей давней привычке, пришедшей еще с архитектуры AT89C51), то 1 у нас будет подавать питание, а 0 снимать нагрузку. Возьмем биполярный транзистор. Реле требуется 80мА, поэтому ищем транзистор с коллекторным током более 80мА. В импортных даташитах этот параметр называется Ic, в наших Iк. Первое что пришло на ум — КТ315 — шедевральный совковый транзистор который применялся практически везде 🙂 Оранжевенький такой. Стоит не более одного рубля. Также прокатит КТ3107 с любым буквенным индексом или импортный BC546 (а также BC547, BC548, BC549). У транзистора, в первую очередь, надо определить назначение выводов. Где у него коллектор, где база, а где эмиттер. Сделать это лучше всего по даташиту или справочнику. Вот, например, кусок из даташита:

Обратите внимание на коллекторный ток — Ic = 100мА (Нам подоходит!) и маркировку выводов.

Цоколевка нашего КТ315 определяется так

Если смотреть на его лицевую сторону, та что с надписями, и держать ножками вниз, то выводы, слева направо: Эмиттер, Колектор, База.

Берем транзистор и подключаем его по такой схеме:

Коллектор к нагрузке, эмиттер, тот что со стрелочкой, на землю. А базу на выход контроллера.

Транзистор это усилитель тока, то есть если мы пропустим через цепь База-Эмиттер ток, то через цепь Колектор-Эмиттер сможет пройти ток равный входному, помноженному на коэффициент усиления hfe.
hfe для этого транзистора составляет несколько сотен. Что то около 300, точно не помню.

Максимальное напряжение вывода микроконтроллера при подаче в порт единицы = 5 вольт (падением напряжения в 0.7 вольт на База-Эмиттерном переходе тут можно пренебречь). Сопротивление в базовой цепи равно 10000 Ом. Значит ток, по закону Ома, будет равен 5/10000=0.0005А или 0.5мА — совершенно незначительный ток от которого контроллер даже не вспотеет. А на выходе в этот момент времени будет Ic=Ibe*hfe=0.0005*300 = 0.150А. 150мА больше чем чем 100мА, но это всего лишь означает, что транзистор откроется нараспашку и выдаст максимум что может. А значит наша релюха получит питание сполна.

Все счастливы, все довольны? А вот нет, есть тут западло. В реле же в качестве исполнительного элемента используется катушка. А катушка имеет неслабую индуктивность, так что резко оборвать ток в ней невозможно. Если это попытаться сделать, то потенциальная энергия, накопленная в электромагнитом поле, вылезет в другом месте. При нулевом токе обрыва, этим местом будет напряжение — при резком прерывании тока, на катушке будет мощный всплеск напряжения, в сотни вольт. Если ток обрывается механическим контактом, то будет воздушный пробой — искра. А если обрывать транзистором, то его просто напросто угробит.

Надо что то делать, куда то девать энергию катушки. Не проблема, замкнм ее на себя же, поставив диод. При нормальной работе диод включен встречно напряжению и ток через него не идет. А при выключении напряжение на индуктивности будет уже в другую сторону и пройдет через диод.

Правда эти игры с бросками напряжения гадским образом сказываются на стабильности питающей сети устройства, поэтому имеет смысл возле катушек между плюсом и минусом питания вкрутить электролитический конденсатор на сотню другую микрофарад. Он примет на себя большую часть пульсации.

Красота! Но можно сделать еще лучше — снизить потребление. У реле довольно большой ток срывания с места, а вот ток удержания якоря меньше раза в три. Кому как, а меня давит жаба кормить катушку больше чем она того заслуживает. Это ведь и нагрев и энергозатраты и много еще чего. Берем и вставляем в цепь еще и полярный конденсатор на десяток другой микрофарад с резистором. Что теперь получается:

При открытии транзистора конденсатор С2 еще не заряжен, а значит в момент его заряда он представляет собой почти короткое замыкание и ток через катушку идет без ограничений. Недолго, но этого хватает для срыва якоря реле с места. Потом конденсатор зарядится и превратится в обрыв. А реле будет питаться через резистор ограничивающий ток. Резистор и конденсатор следует подбирать таким образом, чтобы реле четко срабатывало.
После закрытия транзистора конденсатор разряжается через резистор. Из этого следует встречное западло — если сразу же попытаться реле включить, когда конденсатор еще не разрядился, то тока на рывок может и не хватить. Так что тут надо думать с какой скоростью у нас будет щелкать реле. Кондер, конечно, разрядится за доли секунды, но иногда и этого много.

Добавим еще один апгрейд.
При размыкании реле энергия магнитного поля стравливается через диод, только вот при этом в катушке продолжает течь ток, а значит она продолжает держать якорь. Увеличивается время между снятием сигнала управления и отпаданием контактной группы. Западло. Надо сделать препятствие протеканию тока, но такое, чтобы не убило транзистор. Воткнем стабилитрон с напряжением открывания ниже предельного напряжения пробоя транзистора.
Из куска даташита видно, что предельное напряжение Коллектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 составляет 30 вольт. Вкручиваем стабилитрон на 27 вольт — Profit!

В итоге, мы обеспечиваем бросок напряжения на катушке, но он контроллируемый и ниже критической точки пробоя. Тем самым мы значительно (в разы!) снижаем задержку на выключение.

Вот теперь можно довольно потянуться и начать мучительно чесать репу на предмет того как же весь этот хлам разместить на печатной плате… Приходится искать компромиссы и оставлять только то, что нужно в данной схеме. Но это уже инженерное чутье и приходит с опытом.

Разумеется вместо реле можно воткнуть и лампочку и соленоид и даже моторчик, если по току проходит. Реле взято как пример. Ну и, естественно, для лампочки не потребуется весь диодно-конденсаторный обвес.

Пока хватит. В следующий раз расскажу про Дарлингтоновские сборки и MOSFET ключи.

easyelectronics.ru

Работа транзистора в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа? Какого еще ключа? Такого?

А может быть такого?

Ключ от сундучка более-менее похож на правду, так как запирает и отпирает сундучок, но все равно далек от истины.

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку — ток побежал, отжали — получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение 😉 Нажали на пипку — сигнал есть, отжали пипку — сигнала нет.

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между «включено» и «выключено» мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор «R» здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Но все ли так просто, как кажется на первый взгляд?

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью «открыть» транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения«.

Этот рисунок — воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антеннкой, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится! Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз  при отключении заземлять базу? В идеале — да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ<0,6 Вольт или чтобы ток базы IБ = 0. Этот способ чаще всего используется в МК и других логических схемах.

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме «отсечки«.

Ну а теперь долгожданная практика 😉

Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б

Он у нас структуры NPN

А вот и его цоколевка

Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.

Будем собирать всю эту конструкцию вот по этой схеме:

Для начала найдем лампочку. Порылся в загашнике и нашел лампочку на 6 Вольт:

Вот так она светит при своих номинальных 6 Вольтах:

А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее цепануть напрямую к блоку питания.

0,22 Ампера.

Чтобы не спалить эмиттерный переход чрезвычайно большим током, я поставил туда базовый резистор на 150 Ом. Ниже расскажу, как я его рассчитал. Bat1  — это у нас будет вот этот блок питания:

А Bat2 — вот этот:

Вся схема в сборе будет выглядеть примерно вот так:

Синие провода — это с Bat2, а красный и черно-красный — с Bat1

Вставим амперметр в цепь базы для наблюдения результатов.

На деле все это будет выглядеть вот так:

Ну что, поехали! Добиваемся, чтобы через базовую цепь шел ток силой в 10 миллиАмпер, покрутив ручку на черном блоке питания Bat1

Лампочка засветилась, но тускло.

Оно и понятно, лампочка кушает всего-то 120 миллиАмпер

А давайте еще добавим напряжение на Bat1, увеличивая при этом силу тока через базу. Теперь сила тока через базу уже будет 15 миллиАмпер:

Смотрим, сколько при этом кушает наша лампочка:

150 миллиАмпер.

Снова крутим крутилку Bat1, увеличивая напряжение, а следовательно, и силу тока:

Смотрим на показания Bat2:

210 миллиАмпер.

Хм, мы на грани того, что сопротивления уже почти нет между эмиттером и коллектором, потому что когда мы цепляли лампочку напрямую от Bat2, она у нас кушала 220 миллиАмпер.

Ну давайте еще добавим напряжение на Bat1

Cмотрим на показания Bat2:

Опа на! Можно сказать, что у нас схема превратилась в эту схемку 😉

А что будет, если мы еще больше прибавим силу тока на базе? Неужели у нас лампочка будет гореть еще ярче? Прибавляем до 30 миллиАмпер.

Барабанная дробь…

Побрейтесь! ))

Кстати, значение базового тока, после которого уже транзистор полностью открывается, называется границей насыщения. В моем случае граница насыщения наблюдается при токе чуть больше 23 миллиАмпер.

Ну что можно сказать из опыта? В нашей схеме базовый ток значением в 23-24 миллиАмпера полностью открыл транзистор, то есть сделал так, что сопротивление между эмиттером и коллектором стало почти равным нулю. Дальнейшее увеличение базового тока ни к чему не привело. Транзистор достиг насыщения. Он сыт этим базовым током по самое горло. Это все равно, что давить на газ в автомобиле, который не может ехать 200 км/ч. 199 может, но даже если вы давите двумя ногами на педаль газа, загнув при этом саму педаль в пол и даже проломив днище автомобиля,  все равно не выжмите 200 км/ч. Что же является ограничением для лампочки, что она не может светить еще ярче? Самый что ни на есть простой закон Ома для участка цепи 😉 Чтобы в нашем случае лампочка светила еще ярче, нам можно добавить только напряжение на Bat2.

Давайте замеряем падение напряжения между коллектором и эмиттером (UКЭ), когда базовый ток IБ =30 миллиАмпер.

UКЭ=82,4 миллиВольта.

А когда я поднял базовый ток до 50 миллиАмпер, у нас UКЭ=51,7 миллиВольт.

Вывод?

Чем больше базовый ток, тем меньше падение напряжения, а следовательно и сопротивление между коллектором и эмиттером. Как нам гласит правило шунта: на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. Кстати, в буржуйских даташитах UКЭ обозначается как VCEsat.  «Sat» сокращенно от англ.  — saturation — что значит «насыщение».

То есть, получив сопротивление между коллектором и эмиттером близко к нулю, мы можем минимизировать потери на нагрев транзистора? Да, все верно, НО… здесь есть свои подводные камни

Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=UКЭ х IН

где

P — это мощность в Ваттах

UКЭ — напряжение между коллектором и эмиттером, В

IН — сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А

Из формулы: чем меньше UКЭ , тем меньше будет греться транзистор.

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиАмпер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК «подтягивается» к нулю еще при программировании.

Расчет резистора базы для режима насыщения

Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:

Для начала можно найти ток базы:

где

IБ — это базовый ток, в Амперах

kНАС  — коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

I— коллекторный ток, в Амперах

β — коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите

Ну  а дальше дело за малым

Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения

Воспользуемся формулами, приведенными выше:

Ток коллектора мы знаем из нашего опыта. Он равен 0,22 Ампера.

Коэффициент β мы берем из даташита самый минимальный, то есть 20.

kНАС лучше взять равным 3.

Теперь считаем:

Берем ближайший резистор из ряда на 150 Ом 😉 Вот так я подбирал резистор.

В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.

Продолжение——->

<——-Предыдущая статья

www.ruselectronic.com

схема ключа на транзисторе на 12 вольт



транзисторный ключ 12 вольт схема

В разделе Техника на вопрос Как сделать транзисторный ключ с управлением 3 вольта? заданный автором Александр Ермош лучший ответ это проще уже некуда)) ) В качестве управляющего можно использовать сигнал включения инвертора, он идёт с мат платы монитора и разрешает инвертору запуститься, название не помню его.

Ответ от 22 ответа[гуру]

Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Как сделать транзисторный ключ с управлением 3 вольта?

Ответ от Проспект[активный]
подобрать транзистор который открывается от 3х вольт

Ответ от Avtor[гуру]
Зайди-ка лучше на радиолюбительские форумы-найдёшь при желании

Ответ от Осознать[гуру]
«На входе 14 вольт, светодиоды светят отлично! На выходе естественно тоже 14 вольт, НО яркость их вдвое а то и втрое ниже! Управляющее питание на транзистор 3 вольта, при его присутствии транзистор открыт. «
Тут что то не так!! !
если напряжение на входе выходе одинаковое то и гореть светодиоды должны одинаково.

Ответ от Невроз[активный]
Берешь подходящий по току и напряжению РНР (проблемы с английской раскладкой) транзистор. На эмиттер подаешь «+12В», к коллектору цепляешь светодиоды, на базу через резистор 1кОм (возможно придется подобрать в сторону уменьшения) управляющие «+3В».
При подаче управляющих +3В транзистор будет открываться и напряжение +12В будет поступать на светодиоды.

Ответ от Ѐоман Сергеевич[гуру]
1) Рассчитай/измерь ток Ik, потребляемый нагрузкой.
2)Используй кремниевый биполярный транзистор соответствующей мощности по схеме с ОЭ.
3) Найди управляющий ток транзистора Iу = Ik/h31э
4) Входное напряжение подавай на переход б-э через резистор сопротивлением, несколько меньшим, чем R = 2,4/Iу
Можно использовать MOSFET транзистор, тогда вообще ниче не надо: включаешь нагрузку в сток, а на затвор 3В напрямую.

Ответ от Владимир Серов[гуру]
Не получится упралять этим напряжением, так как не будет обратной связи о исправности
конвертора и процессор заблокирует этот сигнал.
Да и проблем нет: выключил ПК и монитор тоже отулючится


22oa.ru