Przełączniki tranzystorowe: obwód, zasada działania i funkcje

Mikrokontrolery mogą być używane do sterowania potężnymi urządzeniami - żarówkami, grzejnikami, a nawet napędami elektrycznymi. W tym celu stosowane są przełączniki tranzystorowe - urządzenia do przełączania obwodu. Są to uniwersalne urządzenia, które można wykorzystywać dosłownie w każdej dziedzinie działalności - zarówno w życiu codziennym, jak i inżynierii motoryzacyjnej.

Co to jest klucz elektroniczny?

Klucz jest, jeśli uproszczony, zwykłym przełącznikiem. Dzięki niemu obwód elektryczny jest zamknięty i otwarty. Miej tranzystor bipolarny Istnieją trzy wnioski:

1. Kolekcjoner.
2. Emiter
3. Podstawa.

Klucze elektroniczne zbudowane są na półprzewodnikach bipolarnych - konstrukcja jest prosta, nie wymaga dużej liczby elementów. Za pomocą przełącznika obwód jest zamknięty i otwarty. Dzieje się tak za pomocą sygnału kontrolnego (który wytwarza mikrokontroler), dostarczanego do podstawy tranzystora.

Przełączanie obciążenia

Proste obwody na przełącznikach tranzystorowych mogą być używane do przełączania prądów w zakresie 0,15 ... 14 A, przy napięciu 50 ... 500 V. Wszystko zależy od konkretnego rodzaju tranzystora. Klucz może przełączać obciążenia 5-7 kW za pomocą sygnału sterującego, którego moc nie przekracza setek miliwatów.

Zamiast przełączników tranzystorowych można stosować proste przekaźniki elektromagnetyczne. Mają godność - podczas pracy nie ma ogrzewania. Ale częstotliwość włączania i wyłączania jest ograniczona, więc używaj ich w inwerterach lub zasilacze impulsowe stworzenie sinusoidy jest niemożliwe. Ale na ogół zasada działania klucza na tranzystorze półprzewodnikowym i przekaźniku elektromagnetycznym jest taka sama.

Przekaźnik elektromagnetyczny

Przekaźnik to elektromagnes kontrolujący grupę kontaktów. Możesz narysować analogię za pomocą konwencjonalnego przełącznika przyciskowego. Tylko w przypadku przekaźnika siła jest pobierana nie z ręki, ale z pola magnetycznego, które znajduje się wokół cewki wzbudzającej. Styki mogą przełączać bardzo duże obciążenie - wszystko zależy od rodzaju przekaźnika elektromagnetycznego. Urządzenia te są bardzo popularne w technologii motoryzacyjnej - służą do włączania wszystkich potężnych odbiorców energii elektrycznej.

Pozwala to na podzielenie całego wyposażenia elektrycznego samochodu na jednostkę napędową i sterowanie. Pobór prądu uzwojenia wzbudzenia przekaźnika jest bardzo mały. A styki mocy mają osadzanie metali szlachetnych lub półszlachetnych, co eliminuje prawdopodobieństwo łuku. Zamiast przekaźników można użyć 12-woltowych przełączników tranzystorowych. W tym samym czasie poprawia się funkcjonalność urządzenia - włączenie jest ciche, kontakty nie klikają.

Kołki przekaźnika elektromagnetycznego

Zwykle w przekaźnikach elektromagnetycznych znajduje się 5 pinów:

1. Dwa kontakty do kontroli. Uzwojenie wzbudzenia jest z nimi połączone.
2. Trzy styki przeznaczone do przełączania. Jeden wspólny kontakt, który zwykle jest zamknięty i zwykle otwarty z innymi osobami.

W zależności od tego, który obwód przełączający jest używany, stosowane są grupy styków. Przełącznik tranzystora polowego ma 3-4 styki, ale operacja jest taka sama w przybliżeniu w ten sam sposób.

Jak działa przekaźnik elektromagnetyczny

Zasada działania przekaźnika elektromagnetycznego jest dość prosta:

1. Nawijanie przez przycisk łączy się z zasilaniem.
2. W lukę obwód mocy Zestyki zasilania konsumenta są włączone.
3. Po naciśnięciu przycisku uzwojenie zostaje pobudzone, płyta zostaje przyciągnięta, a grupa styków jest zamknięta.
4. Prąd dostarczany jest konsumentowi.

W przybliżeniu w ten sam sposób działają przełączniki tranzystorowe - istnieje nie tylko grupa styków. Ich funkcje wykonuje kryształ półprzewodnikowy.

Przewodność tranzystora

Jednym z trybów działania tranzystora - klucz. W rzeczywistości służy jako przełącznik. Nie ma sensu dotykać obwodów stopni wzmacniacza, nie należą one do tego trybu działania. Triody półprzewodnikowe są stosowane we wszystkich typach urządzeń - w technice motoryzacyjnej, w życiu codziennym, w przemyśle. Wszystkie tranzystory bipolarne mogą mieć ten rodzaj przewodności:

1. PNP.
2. NPN.

Pierwszy typ obejmuje półprzewodniki wykonane na bazie germanu. Te elementy są szeroko rozpowszechnione ponad pół wieku temu. Nieco później, jako aktywny element, zaczęto używać krzemu, którego odwrotną przewodność - npn.

Zasada działania urządzeń jest taka sama, różnią się tylko polaryzacją napięcia zasilania, a także poszczególnymi parametrami. Obecnie popularność półprzewodników krzemowych jest wyższa, są one prawie całkowicie wyparte germanem. Większość urządzeń, w tym przełączniki tranzystorowe, są wykonane na dwubiegunowych ogniwach krzemowych o przewodności npn.

Tryb klucza tranzystora

Tranzystor w trybie kluczy pełni te same funkcje, co przekaźnik lub przełącznik elektromagnetyczny. Prąd sterujący płynie w następujący sposób:

1. Od mikrokontrolera przez przejście "baza - emiter".
2. W tym przypadku otworzy się kanał "collector - emitter".
3. Poprzez kanał "collector - emitter" można pominąć prąd, którego wartość jest setki razy większa niż baza.

Specyfika przełączników tranzystorowych polega na tym, że częstotliwość przełączania jest znacznie wyższa niż w przypadku przekaźnika. Kryształ półprzewodnikowy może wykonać tysiące przejść od otwartych do zamkniętych iz powrotem w ciągu jednej sekundy. Zatem prędkość przełączania najprostszych tranzystorów bipolarnych wynosi około 1 milion razy na sekundę. Z tego powodu tranzystory są wykorzystywane w falownikach, aby utworzyć falę sinusoidalną.

Zasada działania tranzystora

Element działa dokładnie tak samo, jak w trybie wzmacniacza mocy. W rzeczywistości na wejście jest wprowadzany niewielki prąd sterujący, który jest wzmacniany kilkaset razy ze względu na to, że zmienia się opór między nadajnikiem a kolektorem. Co więcej, ten opór zależy od ilości prądu płynącego między nadajnikiem a podstawą.

W zależności od rodzaju tranzystora zmienia się pinout. Dlatego jeśli chcesz określić wnioski tego elementu, musisz odwołać się do katalogu lub arkusza danych. Jeśli nie możesz odwołać się do literatury, możesz użyć referencji do ustalenia wyników. Istnieje również funkcja z tranzystorami - mogą one nie w pełni otworzyć. Przekaźniki mogą na przykład znajdować się w dwóch stanach - zamkniętych i otwartych. Ale na tranzystorze rezystancja kanału "emiter - kolektor" może się zmieniać w szerokich granicach.

Przykład tranzystora w trybie klucza

Zysk - jest to jedna z głównych cech tranzystora. Jest to parametr pokazujący, ile razy prąd płynący przez kanał nadajnik-odbiornik jest wyższy niż prąd bazowy. Załóżmy, że współczynnik jest równy 100 (parametr ten jest oznaczony przez h _21E ). Oznacza to, że jeśli prąd 1 mA zostanie przyłożony do obwodu sterującego (prąd bazowy), wówczas na przejściu "kolektor-emiter" będzie to 100 mA. W konsekwencji nastąpił wzrost prądu wejściowego (sygnału).

Podczas pracy tranzystor nagrzewa się, więc potrzebuje pasywnego lub aktywnego chłodzenia - grzejników i chłodnic. Ale ogrzewanie występuje tylko wtedy, gdy przejście "kolektor-emiter" nie otwiera się całkowicie. W tym przypadku większa moc jest rozpraszana - trzeba ją gdzieś umieścić, trzeba "poświęcić" wydajność i uwolnić ją w postaci ciepła. Ogrzewanie będzie minimalne tylko w tych przypadkach, gdy tranzystor jest zamknięty lub całkowicie otwarty.

Tryb nasycenia

Wszystkie tranzystory mają pewną wartość progową prądu wejściowego. Gdy tylko ta wartość zostanie osiągnięta, wzmocnienie przestaje odgrywać dużą rolę. W tym przypadku prąd wyjściowy w ogóle się nie zmienia. Napięcie na styku "baza - emiter" może być wyższe niż między kolektorem a emiterem. To jest stan nasycenia, tranzystor otwiera się całkowicie. Tryb klucza wskazuje, że tranzystor działa w dwóch trybach - albo jest całkowicie otwarty lub zamknięty. Kiedy zasilanie prądem sterującym jest całkowicie zablokowane, tranzystor zamyka się i nie płynie prąd.

Praktyczne projekty

Istnieje wiele praktycznych schematów użycia tranzystorów w trybie klucza. Często są one używane do włączania i wyłączania diod LED w celu uzyskania efektów specjalnych. Zasada działania przełączników tranzystorowych pozwala nie tylko tworzyć "zabawki", ale także wdrażać złożone obwody sterujące. Konieczne jest jednak zastosowanie rezystorów w projektach w celu ograniczenia prądu (instalowane są między źródłem sygnału sterującego a bazą tranzystora). Ale źródłem sygnału może być wszystko - czujnik, przycisk, mikrokontroler itp.

Pracuj z mikrokontrolerami

Obliczając przełącznik tranzystorowy, należy wziąć pod uwagę wszystkie cechy elementu. Aby układ sterowania działał na mikrokontrolerze, stosowane są kaskady wzmacniające na tranzystorach. Problem polega na tym, że sygnał wyjściowy sterownika jest bardzo słaby, nie wystarczy włączyć zasilania uzwojenia przekaźnika elektromagnetycznego (lub otworzyć przejście bardzo mocnego przełącznika zasilania). Lepiej jest użyć dwubiegunowego przełącznika tranzystorowego, który steruje elementem MOSFET.

Proste projekty składające się z takich elementów są stosowane:

1. Tranzystor bipolarny.
2. Rezystor ograniczający prąd wejściowy.
3. Dioda półprzewodnikowa.
4. Przekaźnik elektromagnetyczny.
5. Zasilanie 12 woltów.

Dioda jest zainstalowana równolegle do cewki przekaźnika, jest to konieczne, aby zapobiec przerwaniu tranzystora z wysokim impulsem EMF, który pojawia się, gdy uzwojenie jest wyłączone.

Sygnał sterujący jest wytwarzany przez mikrokontroler, wchodzi do podstawy tranzystora i wzmacnia. Kiedy tak się dzieje, zasilanie jest doprowadzane do uzwojenia przekaźnika elektromagnetycznego - otwiera się kanał "kolektor-emiter". Gdy styki zasilania są zamknięte, obciążenie zostaje włączone. Sterowanie kluczem tranzystorowym odbywa się w trybie całkowicie automatycznym - udział ludzi praktycznie nie jest wymagany. Najważniejsze to poprawnie zaprogramować mikrokontroler i podłączyć do niego czujniki, przyciski, siłowniki.

Zastosowanie tranzystorów w projektach

Konieczne jest zbadanie wszystkich wymagań dotyczących półprzewodników, które będą stosowane w budownictwie. Jeśli planujesz kontrolować uzwojenie przekaźnika elektromagnetycznego, musisz zwrócić uwagę na jego moc. Jeśli jest wysoka, to użycie miniaturowych tranzystorów, takich jak KT315, raczej nie zadziała: nie będą w stanie dostarczyć prądu wymaganego do zasilania uzwojenia. Dlatego w energetyce zaleca się używanie potężnych tranzystory polowe lub montaż. Ich prąd wejściowy jest bardzo mały, ale wzmocnienie jest duże.

Nie ma potrzeby używania potężnych przekaźników do przełączania małych obciążeń: jest to nieuzasadnione. Upewnij się, że korzystasz z wysokiej jakości źródeł zasilania, spróbuj wybrać napięcie tak, aby przekaźnik działał w trybie normalnym. Jeśli napięcie jest zbyt niskie, styki nie będą przyciągane i nie nastąpi włączenie: pole magnetyczne będzie małe. Ale jeśli użyjesz źródła o dużym napięciu, uzwojenie zacznie się rozgrzewać, a może nawet zawiedzie.

Należy używać tranzystorów małej i średniej mocy jako buforów podczas pracy z mikrokontrolerami, jeśli trzeba uwzględnić potężne obciążenia. Jako urządzenia zasilające lepiej jest używać elementów MOSFET. Połączenie z mikrokontrolerem jest takie samo jak w przypadku elementu dwubiegunowego, ale istnieją pewne drobne różnice. Działanie przełącznika tranzystorowego z wykorzystaniem tranzystorów MOSFET jest takie samo jak w przypadku bipolarnych: opór złącza może się płynnie zmieniać, przenosząc element z otwartego do zamkniętego iz powrotem.