W praktyce często konieczne jest kontrolowanie za pomocą obwodu cyfrowego (na przykład mikrokontrolera) jakiegoś mocnego urządzenia elektrycznego. Może to być mocna dioda LED zużywająca duży prąd lub urządzenie zasilane z sieci 220 V. Rozważ typowe rozwiązania tego problemu.
Konwencjonalnie istnieją 3 grupy metod:
Wybór metody sterowania zależy od rodzaju obciążenia i rodzaju używanej logiki cyfrowej. Jeśli obwód jest zbudowany na układach TTL, to należy pamiętać, że są one sterowane przez prąd, w przeciwieństwie do CMOS, gdzie napięcie jest kontrolowane. Czasami to ma znaczenie.
Dla bieżących $ I_ (LED) = 0 (,) 075 \\, A $, prąd sterujący musi być $ \\ beta = 50 $ razy mniejszy:
Przyjmuje się, że spadek napięcia na emiterach przejściowych - podstawa wynosi $ V_ (EB) = 0 (,) 7 \\, В $.
Opór został zaokrąglony w dół, aby zapewnić obecny margines.
W ten sposób znaleźliśmy wartości oporu R1 i R2.
Jeśli ładunek jest bardzo silny, wówczas prąd płynący przez niego może osiągnąć kilka amperów. W przypadku tranzystorów dużej mocy współczynnik $ \\ beta $ może być niewystarczający. (Co więcej, jak widać z tabeli, dla potężnych tranzystorów, jest już mały.)
W takim przypadku można użyć kaskady dwóch tranzystorów. Pierwszy tranzystor steruje prądem, który otwiera drugi tranzystor. Taki obwód przełączający nazywa się obwodem Darlington.
W tym schemacie współczynniki $ \\ beta $ dwóch tranzystorów są mnożone, co pozwala uzyskać bardzo duży współczynnik transferu prądu.
Aby zwiększyć prędkość, tranzystory mogą połączyć rezystor i rezystor bazowy.
Rezystancje powinny być wystarczająco duże, aby nie wpływać na aktualną bazę - emiter. Typowe wartości to 5 ... 10 kΩ dla napięć 5 ... 12 V.
Tranzystory Darlington są produkowane jako osobne urządzenie. Przykłady takich tranzystorów podano w tabeli.
Reszta kluczowej pracy pozostaje taka sama.
W przyszłości nazwiemy tranzystor polowy w szczególności MOSFET, czyli tranzystory polowe z izolowaną bramką (są one również MOS-ami, są również TIR-ami). Są wygodne, ponieważ sterowane są wyłącznie napięciem: jeśli napięcie na bramce jest większe niż wartość progowa, tranzystor otwiera się. W tym przypadku prąd sterujący przez tranzystor, gdy jest otwarty lub zamknięty, nie płynie. Jest to znacząca przewaga nad tranzystorami bipolarnymi, w których prąd płynie przez cały czas, gdy tranzystor jest otwarty.
Również w przyszłości będziemy używać tylko n-kanałowego MOSFET (nawet dla obwodów push-pull). Wynika to z faktu, że tranzystory n-kanałowe są tańsze i mają lepsze właściwości.
Najprostszy schemat klucza w MOSFET pokazano poniżej.
Ponownie, obciążenie jest podłączone "od góry" do odpływu. Jeśli podłączysz go "od dołu", obwód nie będzie działał. Faktem jest, że trasistor otwiera się, gdy napięcie między bramą a źródłem przekracza próg. Po podłączeniu od dołu obciążenie spowoduje dodatkowy spadek napięcia, a tranzystor może nie otworzyć się lub nie całkowicie się otworzyć.
W przypadku sterowania push-pull, obwód rozładowujący kondensatora, w rzeczywistości, tworzy łańcuch RC, w którym maksymalny prąd rozładowania będzie równy
gdzie $ V $ to napięcie sterujące tranzystorem.
W związku z tym wystarczy umieścić rezystor 100 Ohm, aby ograniczyć ładunek - prąd rozładowania do 10 mA. Ale im większa rezystancja rezystora, tym wolniej będzie się otwierać i zamykać, ponieważ stała czasowa $ \\ tau = RC $ wzrasta. Jest to ważne, jeśli tranzystor często się przełącza. Na przykład w kontrolerze PWM.
Główne parametry, na które należy zwrócić uwagę to napięcie progowe $ V_ (th) $, maksymalny prąd przez odpływ $ I_D $ i rezystancja odpływu jest źródłem $ R_ (DS) $ otwartego tranzystora.
Poniżej znajduje się tabela z przykładami charakterystyk tranzystorów MOS.
| Model | $ V_ (th) $ | $ \\ max \\ I_D $ | $ \\ max \\ R_ (DS) $ |
|---|---|---|---|
| 2N7000 | 3 V | 200 mA | 5 omów |
| IRFZ44N | 4V | 35 A | 0,0175 Ohm |
| IRF630 | 4V | 9 A | 0,4 ohm |
| IRL2505 | 2 V | 74 A | 0,008 ohm |
Maksymalne wartości podane są dla $ V_ (th) $. Faktem jest, że z różnymi tranzystorami, nawet z tej samej partii, ten parametr może być bardzo różny. Ale jeśli maksymalna wartość jest równa, powiedzmy 3 V, to ten tranzystor może być stosowany w obwodach cyfrowych o napięciu zasilania 3,3 V lub 5 V.
Opór dren-źródło tych modeli tranzystorów jest dość mały, ale należy pamiętać, że przy dużych napięciach kontrolowanego obciążenia może nawet doprowadzić do uwolnienia znacznej mocy w postaci ciepła.
Jak już wspomniano, jeśli napięcie bramki względem źródła przekracza napięcie progowe, wówczas tranzystor otwiera się, a rezystancja odpływu - źródło jest małe. Jednak napięcie po włączeniu nie może gwałtownie skoczyć do progu. A przy mniejszych wartościach tranzystor działa jak opór, rozpraszając ciepło. Jeśli obciążenie musi być często włączane (na przykład w sterowniku PWM), pożądane jest przetransformowanie tranzystora z stanu zamkniętego do otwartego iz powrotem tak szybko, jak to możliwe.
Ponownie zwróć uwagę na położenie obciążenia dla tranzystora n-kanałowego - znajduje się on "na górze". Jeśli umieścisz go między tranzystorem a ziemią, ze względu na spadek napięcia na obciążeniu, napięcie bramki - źródło może być niższe niż próg, tranzystor nie otworzy się całkowicie i może się przegrzać i ulec awarii.
Jeśli nadal musisz podłączyć obciążenie do tranzystora n-kanałowego między drenażem a ziemią, to istnieje rozwiązanie. Możesz użyć gotowego chipa - kierowcy górnej części ramienia. Górny - ponieważ tranzystor jest na górze.
Kierowcy zarówno górnych, jak i dolnych ramion (na przykład IR2151) są również dostępni do budowy obwodu push-pull, ale nie jest to wymagane do prostego włączania obciążenia. Jest to konieczne, jeśli ładunek nie może zostać "zawieszony w powietrzu" i zawsze należy podciągnąć go do ziemi.
Rozważ schemat sterownika ramienia, na przykład IR2117.
Schemat nie jest bardzo skomplikowany, a użycie sterownika pozwala na najbardziej efektywne wykorzystanie tranzystora.
Kolejna ciekawa klasa urządzenia półprzewodnikowektóre mogą być użyte jako klucz to tranzystory bipolarne IGBT.
Łączą w sobie zalety tranzystorów MOS i bipolarnych: są sterowane napięciem, mają duże wartości maksymalnych dopuszczalnych napięć i prądów.
Możesz kontrolować klucz na IGBT, jak również klucz na MOSFET. Ze względu na to, że tranzystory IGBT są bardziej wykorzystywane w energoelektronice, są zwykle używane razem z przetwornikami.
Na przykład, zgodnie z arkuszem danych, IR2117 może być użyty do sterowania IGBT.
Przykładem IGBT jest IRG4BC30F.
Wszystkie poprzednie schematy wyróżniał fakt, że obciążenie, choć mocne, działało z DC. W schematach było jasno określone uziemienie i linia zasilająca (lub dwie linie - dla kontrolera i obciążenia).
W przypadku obwodów prądu zmiennego należy zastosować inne podejścia. Najczęściej stosuje się tyrystory, triaki i przekaźniki. Przekaźnik zostanie omówiony nieco później, ale na razie porozmawiajmy o dwóch pierwszych.
Tyrystor jest urządzeniem półprzewodnikowym, które może występować w dwóch stanach:
Ponieważ tyrystor przesyła prąd tylko w jednym kierunku, nie działa on zbyt dobrze przy włączaniu i wyłączaniu obciążenia. Połowa czasu dla każdego okresu prądu przemiennego jest bezczynna. Jednak tyrystor może być używany w ściemnianiu. Można go użyć do sterowania mocą, odcinając kawałek wymaganej mocy od fali zasilającej.
Triac jest faktycznie dwukierunkowym tyrystorem. Oznacza to, że pozwala to nie przechodzić przez półfalówki, ale pełną falę napięcia zasilającego obciążenie.
Otwórz triak (lub tyrystor) na dwa sposoby:
Druga metoda nie odpowiada nam, ponieważ napięcie zasilania będzie mieć stałą amplitudę.
Po otwarciu triaka można go zamknąć, zmieniając polaryzację lub zmniejszając natężenie prądu do wartości mniejszej niż tak zwany prąd trzymania. Ale ponieważ moc jest zorganizowana przez prąd przemienny, nastąpi to automatycznie pod koniec połowy okresu.
Wybierając triaka, należy wziąć pod uwagę wielkość prądu trzymania ($ I_H $). Jeśli weźmiesz mocny triak z dużym prądem trzymania, prąd przez ładunek może być zbyt mały, a triak po prostu się nie otworzy.
Do elektrycznej izolacji obwodów sterowniczych i mocy lepiej jest użyć transoptora lub specjalnego sterownika triaka. Na przykład MOC3023M lub MOC3052.
Te transoptory składają się z diody podczerwieni i fotomistora. Ten fotomistor może być użyty do sterowania silnym kluczem triaka.
W MOC3052 spadek napięcia na diodzie LED wynosi 3 V, a prąd wynosi 60 mA, więc po podłączeniu do mikrokontrolera może być konieczne użycie dodatkowego przełącznika tranzystorowego.
Wbudowany triak jest przeznaczony do napięć do 600 V i prądu do 1 A. To wystarcza do sterowania potężnymi urządzeniami gospodarstwa domowego za pomocą drugiego triaka mocy.
Rozważ obwód rezystancyjnego sterowania obciążeniem (na przykład żarówkę).
Tak więc ten transoptor działa jako napęd triaka.
Są też sterowniki z wykrywaczem zerowym - na przykład MOC3061. Przełączają się tylko na początku okresu, co zmniejsza zakłócenia w sieci energetycznej.
Rezystory R1 i R2 oblicza się jak zwykle. Rezystancja rezystora R3 jest określana na podstawie szczytowego napięcia w zasilaniu i prądu odblokowującego triaka mocy. Jeśli weźmiesz za dużo - triak się nie otworzy, za mały - prąd popłynie na próżno. Rezystor może potrzebować mocnego.
Warto przypomnieć, że 220 V w sieci energetycznej to wartość obecnego napięcia. Napięcie szczytowe wynosi $ \\ sqrt2 \\ cdot 220 \\ approx 310 \\, $.
Podczas sterowania obciążeniem indukcyjnym, takim jak silnik elektryczny lub w przypadku zakłóceń w sieci, napięcie może stać się wystarczająco duże, aby triak mógł się otworzyć spontanicznie. Aby zwalczyć to zjawisko, konieczne jest dodanie tłumika do obwodu - jest to kondensator wygładzający i rezystor równoległy do triaka.
Snubber nie poprawia znacznie sytuacji z emisjami, ale jest lepszy z nim niż bez niego.
Kondensator ceramiczny powinien być zaprojektowany na napięcie wyższe niż szczyt sieci zasilającej. Ponownie pamiętamy, że dla 220 V - to 310 V. Lepiej jest wziąć z marginesem.
Typowe wartości: $ C_1 = 0 (,) 01 \\, μF $, $ R_4 = 33 \\, Ohm $.
Istnieją również modele triaków, które nie wymagają snibbera. Na przykład BTA06-600C.
Przykłady triaków pokazano w poniższej tabeli. Tutaj $ I_H $ to prąd trzymania, $ \\ max \\ I_ (T (RMS)) $ jest maksymalnym prądem, $ \\ max \\ V_ (DRM) $ jest maksymalnym napięciem, a $ I_ (GT) $ jest prądem odblokowującym.
| Model | $ I_H $ | $ \\ max \\ I_ (T (RMS)) $ | $ \\ max \\ V_ (DRM) $ | $ I_ (GT) $ |
|---|---|---|---|---|
| BT134-600D | 10 mA | 4 A | 600 V | 5 mA |
| MAC97A8 | 10 mA | 0,6 A | 600 V | 5 mA |
| Z0607 | 5 mA | 0,8 A | 600 V | 5 mA |
| BTA06-600C | 25 mA | 6 A | 600 V | 50 mA |
Z punktu widzenia mikrokontrolera, sam przekaźnik jest silnym obciążeniem i indukcyjnym. Dlatego, aby włączyć lub wyłączyć przekaźnik, musisz użyć na przykład przełącznika tranzystorowego. Schemat połączenia, a także ulepszenie tego systemu rozważono wcześniej.
Przekaźniki przekupują ich prostotę i wydajność. Na przykład przekaźnik HLS8-22F-5VDC jest sterowany napięciem 5 V i może przełączać obciążenie, które zasila prąd do 15 A.
Główna zaleta przekaźnika - łatwość użytkowania - jest przyćmiona kilkoma wadami:
Niektóre z tych niedociągnięć są eliminowane w tak zwanych przekaźnikach półprzewodnikowych. Są to w istocie półprzewodnikowe urządzenia z izolacją galwaniczną, zawierające wewnątrz pełnowartościowy obwód potężnego klucza.
Tak więc w arsenale mamy wystarczająco dużo sposobów, aby poradzić sobie z ładunkiem, aby rozwiązać prawie każdy problem, który może pojawić się przed amatorem radiowym.
Wszystkie wykresy są rysowane w KiCAD. Ostatnio, dla moich projektów, używam go, bardzo wygodnie, polecam. Dzięki niemu można nie tylko narysować diagramy, ale także zaprojektować obwody drukowane.
Witajcie drodzy czytelnicy. W tym artykule rozważymy różnicę pomiędzy tranzystorem polowym a tranzystorem bipolarnym i dowiemy się, w których obszarach wykorzystuje się oba tranzystory.
A więc, zacznijmy ...
Wśród urządzeń półprzewodnikowych są dwie duże grupy, które obejmują pole i dwubiegunowy. Są szeroko stosowane w elektronice i inżynierii radiowej jako generatory, wzmacniacze i przetworniki sygnałów elektrycznych. Aby zrozumieć zasadniczą różnicę między tymi urządzeniami, należy rozważyć je bardziej szczegółowo.
Struktura przewodząca konstrukcji składa się z trzech "spawanych" części półprzewodnikowych, naprzemiennie według rodzaju przewodnictwa. Półprzewodnik o przewodnictwie dawcy (elektronicznym) oznaczony jest jako typ n, z akceptorem (dziura) - typ p. W ten sposób możemy zaobserwować tylko dwie opcje naprzemienności - pnp lub npn. Na tej podstawie tranzystory bipolarne wyróżniają się strukturą npn i pnp.
Wspólna część kryształu tranzystora w kontakcie z pozostałymi dwoma jest nazywana "bazą". Pozostałe dwa to "kolekcjoner" i "emitent". Stopień nasycenia bazy nośnikami ładunku (elektronami lub wakatami elektronowymi "dziury") określa stopień przewodności całego kryształu tranzystora. W ten sposób kontrolowane jest przewodzenie przejść tranzystora, co umożliwia wykorzystanie go jako elementu wzmacniającego moc sygnału lub klucza.
Przewodzącą częścią struktury jest kanał półprzewodnikowy typu p lub n w metalu. Prąd obciążenia płynie przez kanał przez elektrody, zwane "drenem" i "źródłem". Przekrój kanału przewodzącego i jego rezystancja zależą od napięcia wstecznego na złączu p - n interfejsu metalowego i półprzewodnikowego. Elektroda kontrolna połączona z metalowym obszarem nazywana jest "bramką".
Kanał tranzystorowy z efektem polowym może mieć połączenie elektryczne z metalem bramy - nieizolowaną bramą lub może być oddzielony od niej cienką warstwą dielektryka - izolowaną bramą.
I tak dowiedzieliśmy się, że główna różnica między tymi dwoma typami tranzystorów w kontroli. Spójrzmy na inne zalety tranzystorów polowych w porównaniu z bipolarnymi:
- wysoka impedancja wejściowa dla prądu stałego i wysokiej częstotliwości, a więc niskie straty sterowania
- duża szybkość (z powodu braku akumulacji i resorpcji przewoźników mniejszościowych)
- prawie kompletna izolacja elektryczna obwodów wejściowych i wyjściowych, mała przepustowość, ponieważ właściwości wzmacniające tranzystorów polowych wynikają z transferu głównych nośników ładunku, ich górna granica efektywnego wzmocnienia jest wyższa niż w przypadku bipolarnego
- czworokątność charakterystyki woltamperowej (podobna do triody)
- stabilność w wysokiej temperaturze
- niski poziom hałasu, ponieważ tranzystory polowe nie wykorzystują zjawiska wstrzykiwania nośników ładunku mniejszości, co powoduje, że tranzystory bipolarne są "głośne"
- niskie zużycie energii
Akumulacja i resorpcja nośników ładunku mniejszościowego jest nieobecna w tranzystorach polowych, a ich wydajność jest bardzo wysoka (jak zauważyli twórcy energetyki). A ponieważ przenoszone główne nośniki ładunku są odpowiedzialne za wzmocnienie tranzystorów polowych, górna granica efektywnego wzmocnienia tranzystorów polowych jest wyższa niż w przypadku bipolarnych.
Zwracamy tu uwagę na stabilność w wysokiej temperaturze, niski poziom hałasu (ze względu na brak wtrysku nośników ładunku mniejszościowego, jak to ma miejsce w przypadku bipolarnego) oraz efektywność kosztową pod względem zużycia energii.
Dla większości osób zajmujących się elektroniką w taki czy inny sposób, powinna być znana podstawowa konstrukcja tranzystorów polowych i bipolarnych. Przynajmniej z nazwy "tranzystor polowy" oczywistym jest, że jest kontrolowany przez pole, pole elektryczne brama, podczas gdy tranzystor bipolarny jest napędzany przez prąd bazowy.
Prąd i pole, różnica jest kardynalna. W przypadku tranzystorów bipolarnych, prąd kolektora jest kontrolowany przez zmianę prądu sterującego bazy, natomiast w celu kontrolowania prądu drenu tranzystora polowego wystarcza zmiana napięcia między bramką a źródłem, a jako taki nie jest wymagany prąd sterujący.
W tranzystorach bipolarnych współczynnik temperaturowy rezystancji kolektor-emiter jest ujemny (tj. Wraz ze wzrostem temperatury rezystancja maleje i wzrasta prąd kolektor-emiter). W tranzystorach polowych jest odwrotnie - współczynnik temperatury źródła drenu jest dodatni (wraz ze wzrostem temperatury, rezystancja rośnie, a prąd źródła drenu maleje).
Ważną konsekwencją tego faktu jest to, że jeśli tranzystory bipolarne nie mogą być po prostu włączane równolegle (na potrzeby zasilania), bez rezystorów równoważących prąd w obwodzie emitera, to w przypadku tych z polem jest to znacznie łatwiejsze - dzięki automatycznemu równoważeniu prądu źródła drenu, gdy zmienia się obciążenie / ciepło - można je swobodnie włączyć równolegle bez rezystorów wyrównawczych. Jest to spowodowane temperaturą właściwości pn złącze i prosty półprzewodnik typu p lub n. Z tego powodu tranzystory polowe mają o wiele mniejszą szansę na nieodwracalny rozkład mocy cieplnej niż bipolarne.
Aby uzyskać wysoki prąd przełączania, można łatwo wpisać klucz złożony z kilku równoległych tranzystorów polowych, które są wykorzystywane w wielu miejscach w praktyce, na przykład w falownikach.
Ale tranzystory bipolarne nie mogą być po prostu zrównoleglone, wymagają oporników prądowych w obwodach emitujących. W przeciwnym razie, z powodu braku równowagi silnego klucza kompozytowego, jeden z tranzystorów bipolarnych prędzej czy później doświadcza nieodwracalnego uszkodzenia termicznego. Podany problem prawie nie zagraża kluczom złożonym z pól. Te charakterystyczne cechy termiczne są związane z właściwościami prostego połączenia n-i p-kanałowego i p-n, które są całkowicie różne.
Różnice pomiędzy tranzystorami polowymi a bipolarnymi wyraźnie oddzielają obszary ich zastosowania. Na przykład w mikroukładach cyfrowych, w których wymagane jest minimalne zużycie prądu w stanie gotowości, tranzystory polowe są dziś znacznie szerzej stosowane. W mikroukładach analogowych tranzystory polowe pomagają uzyskać wysoką liniowość charakterystyki wzmacniającej w szerokim zakresie napięć zasilania i parametrów wyjściowych.
Obwody szpulowe są obecnie wygodnie implementowane z tranzystorami polowymi, ponieważ skok napięcia wyjść jako sygnałów wejściowych jest łatwy do osiągnięcia, pokrywając się prawie z poziomem napięcia zasilania obwodu. Takie schematy mogą po prostu podłączyć wyjście jednego do wejścia drugiego i nie wymagają żadnych ograniczników napięcia lub dzielników na rezystorach.
Jeśli chodzi o tranzystory bipolarne, to ich typowymi obszarami zastosowań pozostają: wzmacniacze, ich kaskady, modulatory, detektory, inwertery logiczne i układy tranzystorowe.
Znakomitym przykładem urządzeń zbudowanych na tranzystorach polowych są elektroniczne zegarki i piloty. pilot zdalnego sterowania dla telewizji. Ze względu na wykorzystanie struktur CMOS, urządzenia te mogą pracować do kilku lat z jednego miniaturowego źródła zasilania - akumulatora lub baterii, ponieważ praktycznie nie zużywają energii.
Obecnie tranzystory polowe są coraz częściej stosowane w różnych urządzeniach radiowych, gdzie już z powodzeniem zastępują bipolarną. Ich zastosowanie w urządzeniach nadawczych radiowych pozwala na zwiększenie częstotliwości sygnału nośnej, zapewniając tym urządzeniom wysoką odporność na zakłócenia.
Mając niską rezystancję w stanie otwartym, są wykorzystywane w końcowych fazach wzmacniaczy mocy o wysokiej mocy (Hi-Fi), gdzie z powodzeniem zastępują tranzystory bipolarne, a nawet lampy elektroniczne.
W urządzeniach o dużej mocy, takich jak softstarty, tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT), urządzenia łączące tranzystory dwubiegunowe i polowe z powodzeniem zastępują tyrystory.
W kolejnych artykułach znajdą się urządzenia, które powinny zarządzać obciążeniem zewnętrznym. Pod obciążeniem zewnętrznym rozumiem wszystko, co jest podłączone do nóg mikrokontrolera - diody LED, żarówki, przekaźniki, silniki, siłowniki ... cóż, rozumiesz. I bez względu na to, jak zmęczony ten temat, ale aby uniknąć powtórzeń w kolejnych artykułach, wciąż ośmielam się nie być oryginalny - wybaczcie mi :). W krótkiej formie zalecam pokazanie najczęstszych sposobów łączenia ładunku (jeśli chcesz coś dodać, będę tylko szczęśliwy).
Natychmiast zgadzam się, że mówimy o cyfrowym sygnale (mikrokontroler jest nadal urządzenie cyfrowe) i nie odstąpimy od ogólnej logiki: 1
-uwzględnione 0
wyłączony Zacznijmy.
Obciążenia DC to: diody LED, lampy, przekaźniki, silniki prądu stałego, serwonapędy, różne siłowniki itp. Takie obciążenie jest najprostszym (i najczęściej) połączonym z mikrokontrolerem.
1.1 Połączenie ładunki przez rezystor.
Najprostsza i prawdopodobnie najczęściej stosowana metoda, jeśli chodzi o diody LED.
Rezystor jest potrzebny, aby ograniczyć przepływ prądu przez nogę mikrokontrolera do dopuszczalnego 20 mA. Nazywa się to balastem lub hartowaniem. W przybliżeniu obliczyć wartość rezystora może znać rezystancję obciążenia Rn.
R gaszenie = (5 v / 0,02 A) - Rn = 250 - Rn
Jak widać, nawet w najgorszym przypadku, gdy rezystancja obciążenia wynosi zero, wystarczy 250 Ohm, aby zapewnić, że prąd nie przekroczy 20 mA. Tak więc, jeśli niechęć coś się liczy - włóż 300 omów i chronisz port przed przeciążeniem. Zaleta tej metody jest oczywista - prostota.
1.2 Połączenie ładunki za pomocą tranzystora bipolarnego.
Jeśli zdarzyło się, że twój ładunek zużywa więcej niż 20mA, to oczywiście rezystor tutaj nie pomoże. Konieczne jest jakoś zwiększenie (odczytać wzmocnienie) prądu. Co jest używane do wzmocnienia sygnału? Zgadza się. Tranzystor!
Aby uzyskać bardziej wygodny w użyciu npn tranzystor włączony do schematu OE. Za pomocą tej metody można podłączyć obciążenie o wyższym napięciu zasilania niż moc mikrokontrolera. Podstawowy rezystor ogranicza. Może się znacznie różnić (1-10 kΩ), w każdym razie tranzystor będzie działał w trybie nasycenia. Tranzystor może być dowolny npn tranzystor. Zysk jest prawie nieistotny. Wybrany jest tranzystor dla prądu kolektora (potrzebny prąd) i napięcie kolektora-emi- tora (napięcie zasilające obciążenie). Rozproszona moc nadal ma znaczenie - aby się nie przegrzać.
Z powszechnego i łatwo dostępnego, możesz zayuzat BC546, BC547, BC548, BC549 z dowolnymi literami (100mA), a ten sam KT315 zejdzie (to kto opuścił stare zapasy).
- Datashit na tranzystorze bipolarnym BC547
1.3 Połączenie ładunki za pomocą tranzystora polowego.
Cóż, jeśli prąd naszego ładunku wynosi kilkanaście amperów? Tranzystor bipolarny nie będzie możliwe zastosowanie, ponieważ prądy sterujące takiego tranzystora są duże i najprawdopodobniej przekroczą 20mA. Wyjście może być tranzystorem kompozytowym (czytaj poniżej) lub tranzystorem polowym (znanym również jako MOS lub MOSFET). Tranzystor polowy jest cudowną rzeczą, ponieważ sterowany jest nie prądem, ale potencjałem przy bramie. Umożliwia to kontrolowanie dużych prądów obciążenia przez mikroskopijny prąd przy bramie.
Każdy n-kanałowy tranzystor polowy jest dla nas odpowiedni. Wybieramy, jak bipolarny, prąd, napięcie i rozpraszanie mocy.
Po włączeniu tranzystora polowego należy wziąć pod uwagę kilka punktów:
- ponieważ brama jest w rzeczywistości kondensatorem, to w momentach przełączania tranzystora przepływają przez nią duże prądy (krótko). W celu ograniczenia tych prądów w bramie należy umieścić rezystor ograniczający.
- tranzystor jest sterowany małymi prądami i jeśli wyjście mikrokontrolera, do którego podłączona jest migawka, będzie znajdować się w stanie wysokiej impedancji Z, odtwarzacz pola zacznie się otwierać - zamknąć nieprzewidywalnie, powodując hałas. Aby wyeliminować to zjawisko, noga mikrokontrolera powinna zostać "wciśnięta" na ziemię za pomocą rezystora o wartości 10 kΩ.
Tranzystor polowy ma wadę na tle wszystkich jego pozytywnych właściwości. Opłata za kontrolowanie małego prądu jest powolnością tranzystora. PWM, oczywiście, ciągnie, ale odpowie na ciebie przez przegrzanie, jeśli przekroczona zostanie dopuszczalna częstotliwość.
1.4 Połączenie ładunki za pomocą złożonego tranzystora Darlington.
Alternatywą dla zastosowania tranzystora polowego z dużym obciążeniem jest zastosowanie tranzystora złożonego z Darlington. Na zewnątrz jest to ten sam tranzystor co, powiedzmy, tranzystor bipolarny, ale wewnętrznie, wstępny obwód wzmacniający służy do sterowania tranzystorem wyjściowym o dużej mocy. Pozwala to małym prądom kontrolować potężne obciążenie. Zastosowanie tranzystora Darlington nie jest tak interesujące jak użycie takich tranzystorów. Jest taki wspaniały układ jak ULN2003. Składa się z 7 tranzystorów Darlington, z których każdy może być obciążony prądem do 500 mA, i mogą być włączane równolegle w celu zwiększenia prądu.
Mikroukład jest bardzo łatwo podłączony do mikrokontrolera (tylko noga do nogi) ma wygodne okablowanie (wejście naprzeciw wyjścia) i nie wymaga dodatkowego wiązania. W wyniku tak udanego projektu ULN2003 jest szeroko stosowany w praktyce amatorskiego radia. W związku z tym, aby uzyskać to nie jest trudne.
- Datashit na montaż Darlington ULN2003
Jeśli potrzebujesz kontrolować urządzenia AC (zwykle 220v), to wszystko jest bardziej skomplikowane, ale nie dużo.
2.1 Połączenie ładunki za pomocą przekaźnika.
Najprostszym i prawdopodobnie najbardziej niezawodnym jest połączenie za pomocą przekaźnika. Cewka przekaźnika, sama w sobie, jest obciążeniem wysokoprądowym, więc nie włączysz go bezpośrednio do mikrokontrolera. Przekaźnik może być podłączony przez tranzystor polowy lub tranzystor bipolarny lub przez ten sam ULN2003, jeśli potrzeba kilku kanałów.
Zaletami tej metody są duży prąd przełączania (w zależności od wybranego przekaźnika), izolacja galwaniczna. Wady: ograniczona prędkość / częstotliwość przełączania i mechaniczne zużycie części.
Coś, co można polecić do użytku, nie ma sensu - jest wiele przekaźników, wybierz według niezbędnych parametrów i ceny.
2.2 Połączenie ładunki za pomocą triaka (triaka).
Jeśli potrzebujesz zarządzać potężnym obciążeniem AC, a zwłaszcza jeśli potrzebujesz kontrolować moc dostarczaną do obciążenia (dimery), to po prostu nie możesz obyć się bez użycia triaka (lub triaka). Triak otwiera się krótkim impulsem prądu przez elektrodę sterującą (zarówno dla ujemnego jak i dodatniego napięcia półfalowego). Triak zamyka się w momencie, gdy nie ma na nim napięcia (gdy napięcie przechodzi przez zero). Tu zaczyna się złożoność. Mikrokontroler musi kontrolować moment przejścia przez zero napięcia i dokładnie w pewnym momencie dać impuls do otwarcia triaka - jest to ciągła aktywność sterownika. Kolejną komplikacją jest brak izolacji galwanicznej od triaka. Musimy to zrobić na osobnych elementach komplikujących schemat.
Chociaż nowoczesne triaki są kontrolowane przez dość mały prąd i można je podłączyć bezpośrednio (poprzez rezystor ograniczający) do mikrokontrolera, ze względów bezpieczeństwa, trzeba je włączyć za pomocą optycznych urządzeń odsprzęgających. Dotyczy to nie tylko obwodów sterujących triaka, ale także obwodów sterowania zera. 
Całkiem niejednoznaczny sposób podłączenia obciążenia. Ponieważ z jednej strony wymaga aktywnego udziału mikrokontrolera i stosunkowo złożonego rozwiązania do projektowania obwodów. Z drugiej strony umożliwia bardzo elastyczne przenoszenie ładunku. Inna wada użycia triaków - duża ilość cyfrowego szumu generowanego podczas ich pracy - wymaga układów tłumiących.
Triaki są dość szeroko stosowane, aw niektórych obszarach są po prostu niezbędne, więc ich zdobywanie nie stanowi żadnego problemu. Bardzo często stosowany w amatorskich radiowych symulatorach typu BT138.
Tutaj osobno postawiłem tak ważne pytanie praktyczne, jak połączenie czujników indukcyjnych z wyjściem tranzystorowym, które są wszędzie w nowoczesnym sprzęcie przemysłowym. Ponadto istnieją prawdziwe instrukcje dla czujników i linki do przykładów.
Zasada aktywacji (działania) czujników w tym przypadku może być dowolna - indukcyjna (aproksymacja), optyczna (fotoelektryczna) itp.
W pierwszej części opisano możliwe opcje wyjść czujników. Podłączenie czujników ze stykami (wyjście przekaźnikowe) powinno spowodować problemy. Tranzystor i połączenie z kontrolerem nie jest takie proste.
Poniżej podano na przykład schematy podłączenia czujników z wyjściem tranzystorowym. Obciążenie jest zwykle wejściem sterownika.
Czujnik. Obciążenie (obciążenie) jest na stałe podłączone do "minus" (0V), zasilanie dyskretne "1" (+ V) jest przełączane przez tranzystor. Czujnik NO lub NC - zależny od obwodu sterującego (obwód główny)
Czujnik. Load (Load) jest stale podłączony do "plus" (+ V). Tutaj poziom aktywny (dyskretny "1") na wyjściu czujnika jest niski (0V), podczas gdy obciążenie jest zasilane przez otwarty tranzystor.
Nalegam, aby wszyscy nie byli zdezorientowani, praca tych systemów zostanie szczegółowo opisana poniżej.
Poniższe diagramy pokazują w zasadzie to samo. Nacisk kładziony jest na różnice w obwodach wyjściowych PNP i NPN.
Na lewej figurze - czujnik z tranzystorem wyjściowym NPN. Switched common wire, który w tym przypadku - przewód ujemny źródła zasilania.
Po prawej jest przypadek tranzystora. PNP przy wyjściu. Ten przypadek jest najczęstszy, ponieważ we współczesnej elektronice powszechne jest wspólne stosowanie przewodu ujemnego źródła zasilania oraz wejścia kontrolerów i innych urządzeń rejestrujących w celu aktywacji z dodatnim potencjałem.
Aby to zrobić, podłącz do niego zasilanie, to znaczy podłącz go do obwodu. Następnie - aktywuj (zainicjuj). Po włączeniu wskaźnik zaświeci się. Ale wskazanie nie gwarantuje poprawnego działania czujnika indukcyjnego. Musisz podłączyć obciążenie i zmierzyć napięcie, aby uzyskać 100% pewności.
Jak już napisałem, istnieją zasadniczo 4 rodzaje czujników z wyjściem tranzystorowym, które są podzielone zgodnie z wewnętrznym urządzeniem i obwodem przełączającym:
Wszystkie te typy czujników mogą być zastąpione przez siebie, tj. są wymienne.
Jest to realizowane w następujący sposób:
Poniżej znajduje się przykład, w jaki sposób można zastąpić czujnik PNP przez NPN, zmieniając schemat elektryczny:
Wymiana PNP-NPN. Po lewej - pierwotny schemat, po prawej - zmieniony.
Zrozumienie faktu, że tranzystor jest kluczowym elementem, który może być reprezentowany przez zwykłe styki przekaźnikowe, pomoże zrozumieć działanie tych obwodów (przykłady podano poniżej w notacji).
A więc diagram po lewej. Załóżmy, że typem czujnika jest BUT. Następnie (bez względu na rodzaj tranzystora na wyjściu), gdy czujnik nie jest aktywny, jego wyjściowe "styki" są otwarte i nie przepływa przez nie prąd. Gdy czujnik jest aktywny, styki są zamknięte, z wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami. Dokładniej, z prądem przepływającym przez te kontakty)). Przepływający prąd wytwarza spadek napięcia na obciążeniu.
Ładowanie wewnętrzne jest pokazane linią przerywaną, nie bez przyczyny. Ten rezystor istnieje, ale jego obecność nie gwarantuje stabilnej pracy czujnika, czujnik musi być podłączony do wejścia sterownika lub innego obciążenia. Opór tego wejścia jest głównym obciążeniem.
Jeżeli w czujniku nie ma wewnętrznego obciążenia, a kolektor "zawieszony jest w powietrzu", nazywa się to "obwodem otwartego kolektora". Ten obwód działa WYŁĄCZNIE z podłączonym obciążeniem.
Może to będzie interesujące:
Tak więc, w obwodzie z wyjściem PNP, po aktywacji, napięcie (+ V) przez otwarty tranzystor jest doprowadzane do wejścia kontrolera i jest aktywowane. Jak osiągnąć to samo z wydaniem NPN?
Istnieją sytuacje, gdy wymagany czujnik nie jest dostępny, a urządzenie powinno działać "prosto w tej chwili".
Patrzymy na zmiany w schemacie po prawej stronie. Przede wszystkim zapewniony jest tryb działania wyjściowego tranzystora czujnika. W tym celu do obwodu dodaje się dodatkowy rezystor, którego rezystancja jest zwykle rzędu 5,1-10 kΩ. Teraz, gdy czujnik nie jest aktywny, napięcie (+ V) jest podawane na wejście sterownika przez dodatkowy rezystor, a wejście sterownika jest aktywowane. Gdy czujnik jest aktywny, na wejściu sterownika jest dyskretne "0", ponieważ wejście sterownika jest zablokowane otwarte Tranzystor NPNi prawie cały prąd dodatkowego rezystora przechodzi przez ten tranzystor.
Tak, nie dokładnie to, co chcieliśmy. W takim przypadku ponowne fazowanie czujnika. Ale czujnik działa w trybie, a kontroler otrzymuje informacje. W większości przypadków wystarczy. Na przykład w trybie liczenia impulsów, obrotomierz lub liczba półfabrykatów.
Jak uzyskać pełną funkcjonalność? Metoda 1 - mechanicznie przesuwać lub zmieniać metalową płytkę (aktywator). Lub rozpiętość światła, jeśli mówimy o czujniku optycznym. Metoda 2 - przeprogramować wejście sterownika tak, aby dyskretne "0" było stanem aktywnym sterownika, a "1" jest pasywne. Jeśli masz laptopa pod ręką, druga metoda jest szybsza i prostsza.
Na schematach obwodów czujniki indukcyjne (czujniki zbliżeniowe) są oznaczone inaczej. Ale najważniejsze jest to, że jest kwadrat obrócony o 45 ° i dwie pionowe linie. Jak na schematach pokazanych poniżej.
Czujniki BUT NZ. Schematy schematyczne.
Na górnym obwodzie - normalnie otwarty (BUT) styk (konwencjonalnie oznaczony tranzystor PNP). Drugi obwód jest zwykle zamknięty, a trzeci obwód jest obydwoma stykami w tej samej obudowie.
Istnieje standardowy system oznaczania czujników. Wszyscy producenci stosują się obecnie do niego.
Jednak nie jest nie na miejscu, aby upewnić się, że połączenie jest poprawne, odwołując się do instrukcji połączenia (instrukcje). Ponadto, z reguły kolory przewodów są wskazane na samym czujniku, jeśli pozwala na to jego rozmiar.
Oto etykieta.
Niebieski (niebieski) - moc minusa
Brązowy (brązowy) - Plus
Czarny (czarny) - Wyjdź
Biały (biały) - drugie wyjście lub wejście sterujące, trzeba obejrzeć instrukcje.
Typ czujnika jest oznaczony kodem alfanumerycznym, w którym zaszyfrowane są podstawowe parametry czujnika. Poniżej znajduje się system oznaczania popularnych czujników Autonics.
Czujniki są problematyczne w zakupie, konkretny produkt, a elektrycy w sklepach nie sprzedają tych produktów. Opcjonalnie można je kupić w Chinach, na Aliexpress.
Dziękuję wszystkim za uwagę, czekam na pytania dotyczące podłączenia czujników w komentarzach!
