Tranzistorové spínače: obvod, princip provozu a funkce

Mikrokontroléry lze ovládat výkonnými zařízeními - žárovkami, ohřívači topení, dokonce i elektrickými pohony. Pro tento účel se používají tranzistorové spínače - zařízení pro spínání obvodu. Jedná se o univerzální zařízení, která může být použita doslova v jakékoli oblasti činnosti - jak v každodenním životě, tak v automobilovém průmyslu.

Co je to elektronický klíč?

Klíč je, pokud je zjednodušený, běžný přepínač. Tím je elektrický obvod uzavřen a otevřen. Nechte bipolární tranzistor Existují tři závěry:

1. Sběratel.
2. Emitor
3. Základ.

Elektronické klíče jsou postaveny na bipolárních polovodičích - design je jednoduchý, nevyžaduje velké množství prvků. Pomocí spínače je obvod uzavřen a otevřen. To se děje pomocí řídicího signálu (který produkuje mikrokontrolér), dodávaného do základny tranzistoru.

Přepínání zatížení

Jednoduché obvody tranzistorových spínačů lze použít pro spínání proudů v rozsahu 0,15 ... 14 A, napětí 50 ... 500 V. Vše závisí na konkrétním typu tranzistoru. Klíč může přepínat zatížení 5-7 kW pomocí řídicího signálu, jehož výkon nepřesahuje stovky milliwattů.

Namísto tranzistorových spínačů lze použít jednoduché elektromagnetické relé. Mají důstojnost - během provozu nedochází k ohřevu. Frekvence cyklů zapnutí a vypnutí je však omezena, takže je používejte v měničích nebo pulzní napájecí zdroje vytvořit sinusoid z nich je nemožné. Obecně platí, že princip fungování klíče na polovodičovém tranzistoru a elektromagnetickém relé je stejný.

Elektromagnetické relé

Relé je elektromagnet, který ovládá skupinu kontaktů. Můžete vytvořit analogii s konvenčním tlačítkovým přepínačem. Pouze v případě relé se síla neprovádí z ruky, ale z magnetického pole, které se nachází kolem excitační cívky. Kontakty mohou přepínat velmi velké zatížení - to vše závisí na typu elektromagnetického relé. Tato zařízení jsou velmi populární v automobilové technologii - používají se k zapnutí všech silných spotřebitelů elektřiny.

To vám umožní rozdělit všechna elektrická zařízení vozidla na pohonnou jednotku a ovládání. Aktuální spotřeba excitačního vinutí relé je velmi malá. A silové kontakty mají ukládání drahokamů nebo polodrahokamů, což eliminuje pravděpodobnost oblouku. Tranzistorové spínače 12 voltů mohou být použity namísto relé. Současně je funkce zařízení vylepšena - zařazení je tiché, kontakty neklikají.

Kolíky elektromagnetického relé

Obvykle jsou v elektromagnetických reléch 5 pinů:

1. Dva kontakty pro ovládání. Budicí vinutí je s nimi spojeno.
2. Tři kontakty určené ke spínání. Jeden společný kontakt, který je normálně zavřený a normálně otevřený s ostatními.

V závislosti na použitém spínacím obvodu se používají skupiny kontaktů. Tranzistorový přepínač s polním efektem má 3-4 kontakty, ale stejný postup je stejný.

Jak elektromagnetické relé

Princip fungování elektromagnetického relé je poměrně jednoduchý:

1. Vinutí přes tlačítko se připojí k napájecímu zdroji.
2. Do mezery napájecí obvod Kontakty spotřebiče jsou zapnuté.
3. Když je tlačítko stisknuto, navíjení je napájeno, deska je přitahována a skupina kontaktů je zavřená.
4. Proud je dodáván spotřebiteli.

Přibližně stejným způsobem fungují tranzistorové spínače - není zde jen skupina kontaktů. Jejich funkce jsou prováděny pomocí polovodičového krystalu.

Tranzistorová vodivost

Jeden z režimů provozu tranzistoru - klíč. Ve skutečnosti slouží jako přepínač. Nemají smysl dotýkat se obvodů stupňů zesilovače, nepatří k tomuto režimu provozu. Polovodičové triody se používají ve všech typech zařízení - v automobilovém průmyslu, v každodenním životě, v průmyslu. Všechny bipolární tranzistory mohou mít tento typ vodivosti:

1. PNP.
2. NPN.

První typ zahrnuje polovodiče vyrobené na bázi germania. Tyto prvky jsou rozšířeny před více než půl stoletím. O něco později, jako aktivní prvek, začali používat křemík, jehož zpětná vodivost - npn.

Princip fungování zařízení je stejný, liší se pouze polaritou napájecího napětí, stejně jako v jednotlivých parametrech. Obliba křemíkových polovodičů je v současné době vyšší, jsou téměř úplně nahrazeny germaniem. A většina zařízení, včetně tranzistorových spínačů, je vyrobena z bipolárních silikonových článků s vodivostí npn.

Režim klíče tranzistoru

Tranzistor v klíčovém režimu provádí stejné funkce jako elektromagnetické relé nebo spínač. Řídící proud proudí následovně:

1. Z mikrokontroléru přes přechod "base - emitor".
2. V takovém případě se otevře kanál "kolektor - emitor".
3. Prostřednictvím kanálu "sběrač - emitor" můžete přeskočit proud, jehož hodnota je stokrát vyšší než hodnota základny.

Zvláštností tranzistorových spínačů je, že spínací frekvence je mnohem vyšší než spínací frekvence relé. Polovodičový krystal může způsobit tisíce přechodů z otevřené do uzavřené a zpět za sekundu. Rychlost spínání nejjednodušších bipolárních tranzistorů je tedy asi 1 miliónkrát za sekundu. Z tohoto důvodu se tranzistory používají ve střídačích k vytvoření sinusové vlny.

Princip fungování tranzistoru

Prvek pracuje přesně stejně jako v režimu zesilovače výkonu. Ve skutečnosti se na vstup zapisuje malý řídící proud, který je několikrát zesílen vzhledem k tomu, že se změní odpor mezi výbojem a kolektorem. Navíc tento odpor závisí na množství proudu, který proudí mezi emitorem a základnou.

V závislosti na typu tranzistoru se mění pinout. Proto pokud potřebujete určit závěry prvku, musíte se obrátit na adresář nebo datový list. Nemůžete-li se obrátit na literaturu, můžete pomocí odkazu určit zjištění. K dispozici je také funkce s tranzistory - nemusí se plně otevřít. Relé mohou být například ve dvou stavech - uzavřených a otevřených. Ale u tranzistoru se odpor kanálu "emitor - sběrač" může lišit v širokých mezích.

Příklad tranzistoru v režimu kláves

Zisk - jedná se o jednu z hlavních charakteristik tranzistoru. Tento parametr udává, kolikrát proud, který proudí kanálem emitor-kolektor, je vyšší než proud proudu. Předpokládejme, že koeficient se rovná 100 (tento parametr označuje h _21E ). To znamená, že pokud se na řídicí obvod (základní proud) použije proud 1 mA, pak bude při přechodu "kolektor-emitor" 100 mA. V důsledku toho došlo k nárůstu příchozího proudu (signálu).

Během provozu se tranzistor zahřívá, takže potřebuje pasivní nebo aktivní chlazení - radiátory a chladiče. Ohřev však dochází pouze tehdy, když se průchod "kolektor-emitor" zcela neotevře. V tomto případě se rozptýlí více energie - musí být někde umístěno, musíte "obětovat" účinnost a uvolnit ji ve formě tepla. Ohřev bude minimální pouze v těch případech, kdy je tranzistor uzavřen nebo zcela otevřen.

Režim sytosti

Všechny tranzistory mají určitou prahovou vstupní hodnotu. Jakmile je tato hodnota dosažena, zisk přestává hrát velkou roli. V tomto případě se výstupní proud vůbec nezmění. Napětí na kontaktech "základna - emitor" může být vyšší než mezi kolektorem a emitorem. Jedná se o stav saturace, tranzistor se otevírá zcela. Klíčový režim indikuje, že tranzistor pracuje ve dvou režimech - buď je plně otevřený nebo uzavřený. Když je napájení řídícího proudu zcela zablokováno, tranzistor se uzavře a proud neteče.

Praktické návrhy

Existuje spousta praktických schémat použití tranzistorů v režimu kláves. Často se používají k zapnutí a vypnutí LED pro vytvoření speciálních efektů. Princip fungování tranzistorových spínačů umožňuje nejen vytvářet "hračky", ale také provádět komplexní řídicí obvody. Ale je nutné použít v konstrukcích rezistory k omezení proudu (jsou instalovány mezi zdrojem řídicího signálu a základnou tranzistoru). Zdrojem signálu však může být cokoliv - senzor, tlačítkový spínač, mikrokontrolér atd.

Práce s mikrokontroléry

Při výpočtu tranzistorového spínače musíte vzít v úvahu všechny funkce prvku. Aby řídící systém fungoval na mikrokontroléru, používají se zesílení kaskád na tranzistory. Problém je, že výstupní signál regulátoru je velmi slabý, nestačí zapnout napájení na vinutí elektromagnetického relé (nebo otevřít přechod velmi silného vypínače). Je lepší použít bipolární tranzistorový přepínač, který ovládá prvek MOSFET.

Používají se jednoduché konstrukce skládající se z těchto prvků:

1. Bipolární tranzistor.
2. Rezistor omezuje vstupní proud.
3. Polovodičová dioda.
4. Elektromagnetické relé.
5. Napájení 12 voltů.

Dioda je instalována rovnoběžně s cívkou relé, je nutné, aby se zabránilo rozbití tranzistoru vysokým pulsem EMF, který se objeví při vypnutí vinutí.

Řídící signál je generován mikroprocesorem, vstupuje do základny tranzistoru a zesiluje. Když k tomu dojde, napájí se na vinutí elektromagnetického relé - otevře se kanál "kolektor-emitor". Po zapnutí napájecích kontaktů je zátěž zapnutá. Ovládání tranzistorového klíče probíhá v plně automatickém režimu - lidská účast se prakticky nevyžaduje. Hlavní věcí je správné naprogramování mikrokontroléru a připojení senzorů, tlačítek a akčních členů.

Použití tranzistorů v konstrukcích

Je nutné studovat všechny požadavky na polovodiče, které se budou používat ve stavebnictví. Pokud máte v plánu řídit vinutí elektromagnetického relé, pak musíte věnovat pozornost jeho síle. Pokud je vysoká, pak je pravděpodobné, že miniaturní tranzistory, jako je KT315, nebudou pracovat: nebudou schopny zajistit proud požadovaný pro napájení vinutí. Proto se doporučuje v energetice používat silné tranzistory s efektem pole nebo sestavení. Jejich vstupní proud je velmi malý, ale zisk je velký.

Není nutné používat výkonné relé pro spínání nízkého zatížení: to je nepřiměřené. Ujistěte se, že používáte vysoce kvalitní zdroje napájení, zkuste zvolit napětí tak, aby relé fungovalo v normálním režimu. Pokud je napětí příliš nízké, kontakty nebudou přitahovány a zapnutí nedojde: magnetické pole bude malé. Ale pokud použijete zdroj s velkým napětím, vinutí se začne zahřát a možná dokonce selže.

Během práce s mikrokontroléři používejte jako vyrovnávací paměť nízké a střední výkonové tranzistory, pokud potřebujete zahrnout výkonné zátěže. Jako napájecí zařízení je lepší používat prvky MOSFET. Připojení k mikrokontroléru je stejné jako spojení s bipolárním prvkem, ale existují některé drobné rozdíly. Provoz tranzistorového spínače s tranzistory MOSFET je stejný jako u bipolárních tranzistorů: odpor spojnice se může plynule měnit, přenášení prvku z otevřeného do uzavřeného stavu a zpět.