Naslednji članki bodo vključevali naprave, ki morajo nadzorovati zunanje obremenitve. Z zunanjo obremenitvijo mislim na vse, kar je pritrjeno na noge mikrokontrolerja - LED diode, žarnice, releje, motorje, aktuatorje... no, saj razumete. In ne glede na to, kako otrcana je ta tema, da bi se izognili ponavljanju v naslednjih člankih, še vedno tvegam, da ne bom izviren - oprostite mi :). Na kratko bom v priporočilni obliki pokazal najpogostejše načine povezovanja tovora (če želite nekaj dodati, bom zelo vesel).
Takoj se strinjamo, da govorimo o digitalnem signalu (mikrokrmilnik je še vedno digitalna naprava) in ne bomo odstopali od splošne logike: 1
- vključeno, 0
-izklopljeno. Začnimo.
Prva slika prikazuje pregled tranzistorja v situaciji, ko sta polariteta gate in odvod nič. V tej situaciji št električni priključek med odtokom in izvorom - tranzistor je "zamašen". V tej situaciji električno polje, ki ga ustvari elektroda, deluje skozi polprevodniški izolator - v njem inducira tako imenovano prostorsko obremenitev. Ta plast se imenuje inverzijska plast in je sestavljena iz prostih elektronov. Glavna lastnost te plasti je njena električna prevodnost - tako sta bila odtok in izvor električno povezana.
obremenitev DC so: LED diode, svetilke, releji, enosmerni motorji, servomotorji, razni aktuatorji itd. Takšno breme je najpreprosteje (in najpogosteje) povezano z mikrokontrolerjem.
1.1 Povezava obremenitve skozi upor.
Najenostavnejša in verjetno najpogosteje uporabljena metoda, ko gre za LED.
Vendar pa vrednost toka, ki teče skozi tranzistor, ni linearno odvisna od odtočne napetosti. To je zato, ker povečanje odtočne napetosti spremeni tudi polarnost vrat. Ko se napetost, ki napaja odtok, poveča, se tok poveča, vendar se tudi poveča skupni upor ustvarjen inverzijski kanal zaradi njegove zožitve. Zaradi tega povečanje toka ni linearno in je skladno z Ohmovim zakonom. V situaciji, ko je napetost vrat enaka napetosti odtoka, kanal blizu njega popolnoma izgine in odvodni tok se nasiči.
Zdaj lahko napetost v vsakem primeru povečate na mejne vrednosti, tok pa bo ostal nespremenjen. To stanje je prikazano na sl. V močnostni elektroniki se območje nenasičenosti takšnega tranzistorja praktično ne uporablja; nasprotno, to je zelo nezaželeno. Pri preklapljanju tranzistorjev se uporabljajo samo nasičena območja - to so tista, v katerih je upor tranzistorja najmanjši. Manj je bolje, ker bo imel tranzistor manjši padec napetosti in se bo sproščalo manj toplote, naprava, v kateri tranzistor deluje, pa bo učinkovitejša.
Za omejitev toka, ki teče skozi nogo mikrokrmilnika, na dovoljeno vrednost je potreben upor 20 mA. Imenuje se balast ali dušenje. Vrednost upora lahko približno izračunate, če poznate upor obremenitve Rн.
V praksi to pomeni, da obstaja nekaj zamika med napetostjo, uporabljeno na vratih tranzistorja, in njegovo popolno nasičenostjo. Če imamo tranzistor, ki oddaja tok denimo 200 A, želimo doseči stanje nasičenosti tranzistorja čim nižje od načrtovanega preklopa, ker če se to ne zgodi hitro, bo v območju nenasičenosti, kjer tranzistor se bo tako obnašal kot upor veliko število Sprosti se toplotna moč, da bo tranzistor preprosto zgorel.
In vemo, da če vklopimo kondenzator, se bo le ta napolnil čez nekaj časa. Enako velja, ko je treba tranzistor izklopiti in ko skozenj teče 200A, moramo tudi to narediti zelo hitro, da čim hitreje pridemo skozi nenasičeno območje.
Gašenje =(5v / 0,02A) – Rн = 250 – Rn
Kot lahko vidite, je tudi v najslabšem primeru, ko je upor obremenitve enak nič, 250 Ohmov dovolj, da tok ne preseže 20 mA. To pomeni, da če tam nečesa ne želite šteti, postavite 300 ohmov in vrata boste zaščitili pred preobremenitvijo. Prednost metode je očitna - preprostost.
1.2 Povezava obremenitve z uporabo bipolarnega tranzistorja.
Če se zgodi, da vaša obremenitev porabi več kot 20 mA, potem upor seveda ne bo pomagal. Morate nekako povečati (beri okrepiti) tok. Kaj se uporablja za ojačanje signala? prav. Tranzistor!
Tak gonilnik je sestavljen iz optičnega sklopnika, ki zagotavlja električna ločitev med močnostnim delom in krmilnim vezjem, logičnim delom in močnostnim ojačevalnikom, sestavljenim iz dveh potisnih in vlečnih tranzistorjev. Preklapljanje tranzistorjev krmili logični del sistema glede na to, ali je vhodna dioda vklopljena ali ne. Čas je, da zgradimo nekaj praktičnega.
Najprej začnite z napajalnikom na voznikovi strani. Moj sistem bo poganjal gonilnik s simetrično napetostjo 15 V za polnjenje vrat in -5 V za učinkovito in hitro praznjenje. Zdaj, ko nastavimo frekvenco generatorja, lahko nadzorujemo delovanje svetilke. Med gradnjo naprav se moramo spomniti narediti pravo izbiro elementi za razvite aplikacije.
Primerneje je uporabljati za krepitev n-p-n tranzistor, povezan v skladu z vezjem OE. S to metodo lahko na mikrokrmilnik priključite breme z višjo napajalno napetostjo od napajalnika. Upor na bazi je omejevalni. Lahko se spreminja v širokem območju (1-10 kOhm), v vsakem primeru pa bo tranzistor deloval v načinu nasičenja. Tranzistor je lahko karkoli n-p-n tranzistor. Dobiček je praktično nepomemben. Tranzistor izberemo glede na kolektorski tok (tok, ki ga potrebujemo) in napetost kolektor-emiter (napetost, ki napaja breme). Pomembna je tudi disipacija moči - da se ne pregreje.
Kot lahko vidite, je valovna oblika pri 1 kHz popolna, ima zelo kratke čase dvig in padec. Kajti ta vrednost še vedno ni slaba, zato so podatki na kataloški kartici precej nizki, s tem gonilnikom pa zlahka poganjamo tranzistorje do 200 kHz, pri čemer moramo paziti, da ima tranzistor rezervno moč, ker so ti časi že dlje in bo med preklapljanjem povzročil veliko izgubo moči. 13 Izhodna valovna oblika pri 214 kHz. Slika 14 Izhodna valovna oblika pri 714 kHz.
Ponovna povezava je precej zakasnjena, kar bi bilo katastrofalno v sistemih, ki imajo več prepletenih tranzistorjev na mostovih, kjer bi sinhronizacija povzročila kratek stik in eksplozija tranzistorjev. Če prekinemo tok z enim tranzistorjem, potem za nizke frekvence dobili bomo le fliker, in za visoke frekvence ne bomo veliko opazili. Na ta način je nemogoče regulirati moč. Napajalni sistem gonilnika spremeni le trenutno porabo, saj se spremeni število tokovnih impulzov, ki jih je treba dovajati vratom, skupna moč pa se poveča, zato višja kot je frekvenca in prepustnost zaklopa, višji so trenutni parametri voznika oz dodatna stopnja upravljanje.
Od pogostih in lahko dostopnih lahko uporabite BC546, BC547, BC548, BC549 s poljubnimi črkami (100mA) in celo isti KT315 bo naredil (tisti, ki imajo ostanke iz starih zalog).
- Podatkovni list za bipolarni tranzistor BC547
1.3 Povezava obremenitve z uporabo poljskega tranzistorja.
No, kaj pa, če je tok naše obremenitve znotraj desetih amperov? Bipolarnega tranzistorja ne bo mogoče uporabiti, saj so krmilni tokovi takega tranzistorja veliki in bodo najverjetneje presegli 20 mA. Izhod je lahko kompozitni tranzistor (preberite spodaj) ali tranzistor z učinkom polja (alias MOS, alias MOSFET). Tranzistor z učinkom polja je preprosto čudovita stvar, saj ga ne krmili tok, temveč potencial na vratih. To omogoča, da mikroskopski tok vrat nadzoruje velike tokove obremenitve.
Toda zdaj, če je frekvenca nastavljena konstantno in spremenimo polnjenje signala, lahko prilagodimo moč uporovnih sprejemnikov, kot so grelniki ali žarnice z žarilno nitko. 16 Frekvenca 4,5 kHz, 20% polnitev - sistem porabi 3 A električne energije.
Slika 17 Frekvenca 4. 5 kHz, 60% polnitev - sistem porabi že več kot 6 A električne energije. Slika 18. Shema ožičenja za sistem za nadzor moči majhne vetrne elektrarne. Pri analizi delovanja vezij so še posebej pomembni fizikalni parametri tranzistorja, povezani s fizičnimi procesi, ki se dogajajo na tranzistorju in niso odvisni od povezovalnega vezja.
Za nas je primeren kateri koli n-kanalni tranzistor z učinkom polja. Izbiramo, tako kot bipolarno, po toku, napetosti in disipaciji moči.
Pri vklopu tranzistorja z učinkom polja morate upoštevati več točk:
- ker so vrata pravzaprav kondenzator, pri preklopu tranzistorja tečejo skoznje veliki tokovi (kratkotrajni). Da bi omejili te tokove, je v vratih nameščen omejevalni upor.
— tranzistor krmilijo nizki tokovi in če je izhod mikrokrmilnika, na katerega so priključena vrata, v visokoimpedančnem Z-stanju, se bo poljsko stikalo začelo nepredvidljivo odpirati in zapirati ter loviti motnje. Da bi odpravili to vedenje, je treba nogo mikrokrmilnika "pritisniti" na tla z uporom približno 10 kOhm.
Pri tranzistorju z učinkom polja na ozadju vsega tega pozitivne lastnosti obstaja pomanjkljivost. Strošek nadzora nizkega toka je počasnost tranzistorja. Seveda bo obvladal PWM, a če bo dovoljena frekvenca presežena, se bo odzval s pregrevanjem.
Z uporabo teh parametrov je mogoče izdelati fizični ekvivalent tranzistorja majhnega signala. Diferencialni upor in moč. Diferencialni upor emiterskega spoja je določen z razmerjem med napetostjo, uporabljeno na emiterskem spoju, in emitorskim tokom, ko je kolektorsko vezje napajano z izmeničnim tokom kratkega stika.
Če odstopanja tokov in napetosti nadomestimo z diferencialno ekvivalenco, dobimo. Kjer je: - napetost med oddajnikom in bazo; - tok povezovalnega vozlišča; - napetost med kolektorjem in podstavkom. Tok polariziranega emiterskega spoja se določi v skladu z razmerjem.
1.4 Povezava obremenitve z uporabo sestavljenega Darlingtonovega tranzistorja.
Alternativa uporabi tranzistorja z učinkom polja za visokotokovne obremenitve je uporaba kompozitnega Darlingtonovega tranzistorja. Navzven je enak tranzistor kot na primer bipolarni, v notranjosti pa se za krmiljenje močnega izhodnega tranzistorja uporablja predojačevalno vezje. To omogoča, da nizki tokovi poganjajo močno breme. Uporaba Darlingtonovega tranzistorja ni tako zanimiva kot uporaba sklopa takih tranzistorjev. Obstaja tako čudovito mikrovezje kot ULN2003. Vsebuje kar 7 Darlingtonovih tranzistorjev, od katerih lahko vsakega obremenimo s tokom do 500 mA, za povečanje toka pa jih lahko povežemo vzporedno.
Kje je uhajajoči tok emiterskega spoja. Tako lahko za diferencialno upornost prehodnega spoja zapišemo. Za in diferencialni upor prehodnega spoja ni dovolj. Pri nizki frekvenci lahko zanemarimo fizično ekvivalentno vezje.
Kapacitivnost kolektorskega spoja. Diferencialni upor kolektorskega spoja je določen z razmerjem med napetostjo, uporabljeno na emiterskem spoju, in kolektorskim tokom, ko emitersko vezje deluje pri prosti tek po AC.
Kjer je: - napetost med kolektorjem in bazo; - kolektorski tok; - tok oddajnika. Kolektorski tok teče skozi posredno polarizacijski kolektorski spoj in je šibko odvisen od napetosti, ki se uporablja za kolektor. Velikost je velika. Diferencialni upor kolektorskega priključka je običajno določen z modulacijskim učinkom debeline osnove in uhajalnega toka.
Mikrovezje je zelo enostavno povezati z mikrokontrolerjem (samo pin na pin), ima priročno ožičenje (vhod nasproti izhod) in ne potrebuje dodatnega ožičenja. Kot rezultat te uspešne zasnove se ULN2003 pogosto uporablja v radioamaterski praksi. V skladu s tem ga ne bo težko dobiti.
- Podatkovni list za sklop Darlington ULN2003
S spremembo napetosti, ki se dovaja kolektorju, pride do prehoda kolektorja. Zdi se, da se povezava giblje med intervali v naraščajoči napetosti in umikom, da se zmanjša. Posledično se osnovni gradient v podlagi povečuje z zmanjševanjem debeline podlage in zmanjšuje z naraščanjem debeline podlage. V skladu s tem se stopnja difuzijskega gibanja manjšinskih nosilcev spreminja od dna votlin, ki vključujejo proces difuzije od emitorja do kolektorja. Posledica tega je odvisnost koeficienta prenosa difuzije praznine in s tem odvisnost razmerja ojačenja in napetosti, ki se uporablja za kolektorski spoj.
Če morate nadzorovati naprave AC (najpogosteje 220v), potem je vse bolj zapleteno, vendar ne veliko.
2.1 Povezava obremenitve z uporabo releja.
Najenostavnejša in verjetno najbolj zanesljiva povezava je uporaba releja. Sama tuljava releja je visokotokovno breme, zato je ne morete priključiti neposredno na mikrokrmilnik. Rele lahko povežete preko polja ali bipolarnega tranzistorja ali preko istega ULN2003, če potrebujete več kanalov.
Zaradi spreminjanja vrednosti spreminjanje kolektorske napetosti spreminja tudi vrednost kolektorskega toka. To povzroči popolno povečanje diferenčnega upora kolektorja, ki je difuzijske narave. Posredna polarizirana kolektorska povezava ima zmogljivost, ki je določena z razmerjem med spremembo vrednosti obremenitve v priključnem prostoru in vrednostjo kolektorske napetosti, ko je emitersko vezje opremljeno z načinom pripravljenosti. Običajno je kolektorska kapacitivnost veliko manjša od kapacitivnosti neposrednega polariziranega emiterskega spoja.
Prednosti te metode so visok preklopni tok (odvisno od izbranega releja), galvanska izolacija. Slabosti: omejena hitrost/pogostost aktivacije in mehanska obraba delov.
Nima smisla priporočati nekaj za uporabo - relejev je veliko, izberite glede na zahtevane parametre in ceno.
Volumetrična odpornost baze. Polprevodniški material v območju baze in ohmski kontakt baze imata nekaj upora. Kot kažejo izračuni, je moč baze mogoče določiti v skladu z razmerjem. Z večanjem debeline podlage in koncentracije nečistoč se volumski upor podlage zmanjšuje. Povečanje poveča izgube v vhodnem vezju, kar zmanjša učinkovitost oddajnika. V skladu s fizikalnimi zakoni bi moralo povečanje zmanjšati tok oddajnika, ko konstantna napetost med emiterjem in bazo, saj se ta napetost deli med emiterskim spojem in uporom.
2.2 Povezava obremenitve z uporabo triaka (triaka).
Če morate nadzorovati močno obremenitev izmeničnega toka in še posebej, če morate nadzorovati moč, ki se dovaja obremenitvi (dimerji), potem preprosto ne morete storiti brez uporabe triaka (ali triaka). Triac se odpre s kratkim tokovnim impulzom skozi krmilno elektrodo (za negativne in pozitivne polvalove napetosti). Triak se sam zapre, ko na njem ni napetosti (ko gre napetost čez ničlo). Tu se začnejo težave. Mikrokrmilnik mora nadzorovati trenutek, ko napetost preide skozi ničlo in v točno določenem trenutku poslati impulz za odpiranje triaka - to je konstantna zasedenost regulatorja. Druga težava je pomanjkanje galvanska izolacija pri triaku. To morate storiti na ločenih elementih, kar zaplete vezje.
Za povečanje učinkovitosti oddajnika in zmanjšanje izgube moči je potrebno zmanjšati osnovno moč. Uvedba upora v baznem vezju upošteva notranjo reakcijo v tranzistorju in učinek modulacije debeline baze na tok oddajnika. Vendar nam ti premisleki ne dajejo potrebne natančnosti in zahtevajo dodatek difuzijskega upora, zato je za osnovno vezje značilna impedanca.
Enakovredno vezje za skupno osnovno komunikacijo. To enakovredno vezje je prikazano na sl. V ekvivalentnem vezju so povezave emitorja in kolektorja predstavljene z njihovimi diferencialnimi upornostmi. Izkoristek prenosa emitorskega toka v kolektorskem vezju v ekvivalentnem vezju je označen kot tokovni generator, kjer prikazuje prenosni koeficient emiterskega toka. Relativna polarnost generatorskega toka v ekvivalentnem vezju je določena s pozitivno smerjo emiterskega toka.
Čeprav so sodobni triaki krmiljeni z dokaj nizkim tokom in jih je mogoče neposredno (preko omejevalnega upora) povezati z mikrokontrolerjem, jih je zaradi varnosti treba vklopiti prek optičnih ločilnih naprav. Poleg tega to ne velja samo za krmilna vezja triaka, ampak tudi za ničelna kontrolna vezja. 
Če želite obrniti smer toka oddajnika, se obrne polarnost generatorja. Opisani zakon je določen s fizičnimi procesi, ki se dogajajo na tranzistorju. Opozoriti je treba, da notranji upor generator toka za izhodni tok teži k neskončnosti. V ekvivalentnem vezju, prikazanem na sl. 19 se šteje, da je koeficient prenosa toka neodvisen od glavnega učinka modulacije debeline. Prisotnost upora v osnovnem vezju kaže notranjo povezavo v bipolarnem tranzistorju in učinek modulacije baze na tok oddajnika.
Precej dvoumen način povezovanja tovora. Ker po eni strani zahteva aktivno sodelovanje mikrokrmilnika in razmeroma zapleteno zasnovo vezja. Po drugi strani pa vam omogoča zelo prilagodljivo manipuliranje z bremenom. Druga pomanjkljivost uporabe triakov je velika količina digitalnega šuma, ki nastane med njihovim delovanjem - potrebna so dušilna vezja.
Triacs so precej razširjeni in na nekaterih področjih so preprosto nenadomestljivi, zato jih ni težko dobiti. Triacs tipa BT138 se zelo pogosto uporabljajo v radioamaterstvu.
6. januar 2017V praksi je pogosto treba krmiliti kakšno močno električno napravo z uporabo digitalnega vezja (na primer mikrokrmilnika). To je lahko močna LED, ki porabi velik tok, ali naprava, ki se napaja iz omrežja 220 V. Razmislimo o tipičnih rešitvah te težave.
Vrste nadzora
Običajno lahko ločimo tri skupine metod:
- DC nadzor obremenitve.
- Tranzistorsko stikalo na osnovi bipolarnega tranzistorja.
- Tranzistorsko stikalo na osnovi tranzistorja MOS (MOSFET).
- IGBT tranzistorsko stikalo.
- AC nadzor obremenitve.
- Tiristorsko stikalo.
- Triak ključ.
- Univerzalna metoda.
- Rele.
Izbira metode krmiljenja je odvisna od vrste obremenitve in vrste uporabljene digitalne logike. Če je vezje zgrajeno na čipih TTL, potem je treba zapomniti, da jih krmili tok, v nasprotju s CMOS, kjer se nadzor izvaja z napetostjo. Včasih je pomembno.
Bipolarno tranzistorsko stikalo
Za tok $I_(LED) = 0(,)075\,A$ mora biti krmilni tok $\beta = 50$-krat manjši:
Vzemimo, da je padec napetosti na prehodu emiter-baza enak $V_(EB) = 0(,)7\,V$.
Odpornost je bila zaokrožena navzdol, da se zagotovi trenutna marža.
Tako smo našli vrednosti uporov R1 in R2.
Darlingtonov tranzistor
Če je obremenitev zelo močna, lahko tok skozi njo doseže več amperov. Za tranzistorje velike moči je lahko koeficient $\beta$ nezadosten. (Poleg tega, kot je razvidno iz tabele, je za močne tranzistorje že majhna.)
V tem primeru se lahko uporabi kaskada dveh tranzistorjev. Prvi tranzistor krmili tok, ki vklopi drugi tranzistor. To povezovalno vezje se imenuje Darlingtonovo vezje.
V tem vezju se koeficienti $\beta$ obeh tranzistorjev pomnožijo, kar ima za posledico zelo velik koeficient prenosa toka.
Če želite povečati hitrost izklopa tranzistorjev, lahko oddajnik in bazo vsakega povežete z uporom.
Upori morajo biti dovolj veliki, da ne vplivajo na tok baza-emiter. Tipične vrednosti so 5…10 kOhm za napetosti 5…12 V.
Darlingtonovi tranzistorji so na voljo v obliki ločeno napravo. Primeri takih tranzistorjev so podani v tabeli.
V nasprotnem primeru delovanje ključa ostane enako.
Ključ tranzistorja z efektom polja
V prihodnosti bomo tranzistor na učinku polja posebej imenovali MOSFET, to je tranzistor na učinku polja z izoliranimi vrati (aka MOS, aka MOS). Priročne so, ker jih krmili izključno napetost: če je napetost vrat večja od napetosti praga, se tranzistor odpre. V tem primeru krmilni tok ne teče skozi tranzistor, ko je odprt ali zaprt. To je bistvena prednost pred bipolarnimi tranzistorji, pri katerih tok teče ves čas, ko je tranzistor odprt.
Prav tako bomo v prihodnosti uporabljali samo n-kanalne MOSFET-je (tudi za potisno-vlečna vezja). To je zato, ker so n-kanalni tranzistorji cenejši in imajo boljše delovanje.
Najenostavnejše stikalno vezje z uporabo MOSFET-a je prikazano spodaj.
Spet je obremenitev priključena "od zgoraj", na odtok. Če ga povežete "od spodaj", vezje ne bo delovalo. Dejstvo je, da se tranzistor odpre, če napetost med vrati in izvorom preseže prag. Ko je priključen "od spodaj", bo obremenitev povzročila dodaten padec napetosti in tranzistor se morda ne odpre ali se ne odpre popolnoma.
Pri potisnem in vlečnem krmiljenju vezje za praznjenje kondenzatorja dejansko tvori RC vezje, v katerem največji tok uvrstitev bo enaka
kjer je $V$ napetost, ki krmili tranzistor.
Tako bo dovolj, da namestite upor 100 ohmov, da omejite tok polnjenja in praznjenja na 10 mA. Toda večji kot je upor upora, počasneje se bo odpiral in zapiral, saj se bo povečala časovna konstanta $\tau = RC$. To je pomembno, če se tranzistor pogosto preklaplja. Na primer v krmilniku PWM.
Glavni parametri, na katere morate biti pozorni, so mejna napetost $V_(th)$, največji tok skozi odvod $I_D$ in upor odtok-izvor $R_(DS)$ odprtega tranzistorja.
Spodaj je tabela s primeri značilnosti MOSFET-jev.
| Model | $V_(th)$ | $\max\I_D$ | $\max\R_(DS)$ |
|---|---|---|---|
| 2N7000 | 3 V | 200 mA | 5 ohmov |
| IRFZ44N | 4 V | 35 A | 0,0175 ohmov |
| IRF630 | 4 V | 9 A | 0,4 ohma |
| IRL2505 | 2 V | 74 A | 0,008 Ohma |
Največje vrednosti so podane za $V_(th)$. Dejstvo je, da se lahko za različne tranzistorje, tudi iz iste serije, ta parameter zelo razlikuje. Če pa je največja vrednost, recimo, 3 V, potem je ta tranzistor zagotovljen za uporabo v digitalnih vezjih z napajalno napetostjo 3,3 V ali 5 V.
Upornost odtoka-vira zgornjih modelov tranzistorjev je precej majhna, vendar je treba zapomniti, da lahko pri visokih napetostih nadzorovane obremenitve tudi to povzroči sproščanje znatne moči v obliki toplote.
Hitro preklopno vezje
Kot je bilo že omenjeno, če napetost na vratih glede na vir preseže mejno napetost, se tranzistor odpre in upor odtoka-vira je nizek. Vendar pa napetost ob vklopu ne more nenadoma skočiti na prag. In pri nižjih vrednostih tranzistor deluje kot upor in odvaja toploto. Če je treba obremenitev pogosto vklopiti (na primer v krmilniku PWM), je priporočljivo čim hitreje preklopiti tranzistor iz zaprtega stanja v odprto stanje in nazaj.
Še enkrat bodite pozorni na lokacijo obremenitve za n-kanalni tranzistor - nahaja se "na vrhu". Če ga postavite med tranzistor in maso, bo zaradi padca napetosti na obremenitvi napetost gate-source lahko nižja od praga, tranzistor se ne bo popolnoma odprl in se lahko pregreje ter odpove.
Gonilnik tranzistorja z učinkom polja
Če morate še vedno priključiti breme na n-kanalni tranzistor med odvodom in maso, potem obstaja rešitev. Uporabite lahko že pripravljen čip - gonilnik z visoko stranjo. Zgoraj - ker je tranzistor na vrhu.
Na voljo so tudi gonilniki obeh zgornjih in spodnjih krakov (na primer IR2151) za izdelavo potisno-vlečnega vezja, vendar to ni potrebno za preprosto vklop bremena. To je potrebno, če bremena ni mogoče pustiti "viseti v zraku", ampak ga je treba potegniti na tla.
Oglejmo si vezje gonilnika visoke strani na primeru IR2117.
Vezje ni zelo zapleteno in uporaba gonilnika vam omogoča najbolj učinkovito uporabo tranzistorja.
IGBT
Še ena zanimiv razred polprevodniške naprave, ki se lahko uporabljajo kot stikalo, so bipolarni tranzistorji z izoliranimi vrati (IGBT).
Združujejo prednosti MOS in bipolarnih tranzistorjev: so napetostno krmiljeni in imajo visoke največje dovoljene napetosti in tokove.
Stikalo na IGBT lahko upravljate na enak način kot stikalo na MOSFET. Ker se IGBT bolj uporabljajo v močnostni elektroniki, se običajno uporabljajo v povezavi z gonilniki.
Na primer, glede na podatkovni list se lahko IR2117 uporablja za krmiljenje IGBT.
Primer IGBT je IRG4BC30F.
AC nadzor obremenitve
Vse prejšnje sheme je odlikovalo dejstvo, da je obremenitev, čeprav močna, delovala na enosmerni tok. Tokokrogi so imeli jasno definirane ozemljitvene in napajalne vode (ali dve liniji - za krmilnik in breme).
Za tokokroge AC je treba uporabiti različne pristope. Najpogostejši so tiristorji, triaki in releji. Štafeto si bomo ogledali malo kasneje, zdaj pa govorimo o prvih dveh.
Tiristorji in triaki
Tiristor je polprevodniška naprava, ki je lahko v dveh stanjih:
- odprt - prehaja tok, vendar samo v eno smer,
- zaprt - ne dopušča toka skozi.
Ker tiristor prepušča tok le v eno smer, ni zelo primeren za vklop in izklop bremena. Polovica časa za vsako obdobje izmeničnega toka je naprava v mirovanju. Lahko pa se v zatemnilniku uporablja tiristor. Tam ga je mogoče uporabiti za nadzor moči, tako da iz vala moči odreže del zahtevane moči.
Triac je pravzaprav dvosmerni tiristor. To pomeni, da omogoča prehod ne polovičnih valov, temveč polnega vala napajalne napetosti bremena.
Obstajata dva načina za odpiranje triaka (ali tiristorja):
- uporabite (vsaj za kratek čas) sprostitveni tok na krmilno elektrodo;
- na njegove "delovne" elektrode nanesite dovolj visoko napetost.
Druga metoda za nas ni primerna, saj bo imela napajalna napetost konstantno amplitudo.
Ko se triak odpre, ga lahko zaprete tako, da spremenite polarnost ali zmanjšate tok skozi njega na vrednost, ki je manjša od tako imenovanega zadrževalnega toka. Ker pa je napajanje zagotovljeno z izmeničnim tokom, se bo to samodejno zgodilo na koncu pol-cikla.
Pri izbiri triaka je pomembno upoštevati velikost zadrževalnega toka ($I_H$). Če vzamete močan triak z visokim zadrževalnim tokom, bo tok skozi obremenitev morda premajhen in triak se preprosto ne bo odprl.
Triak ključ
Za galvansko izolacijo krmilnih in napajalnih tokokrogov je bolje uporabiti optični sklopnik ali poseben triak gonilnik. Na primer MOC3023M ali MOC3052.
Ti optični sklopniki so sestavljeni iz infrardeče LED in fototriaka. Ta fototriak se lahko uporablja za krmiljenje zmogljivega triak stikala.
MOC3052 ima padec napetosti LED za 3 V in tok 60 mA, zato boste morda morali uporabiti dodatno LED pri povezovanju z mikrokrmilnikom. tranzistorsko stikalo.
Vgrajeni triak je zasnovan za napetost do 600 V in tok do 1 A. To je dovolj za nadzor močnih gospodinjski aparati prek drugega napajalnega triaka.
Razmislite o vezju za krmiljenje uporovne obremenitve (na primer žarnica z žarilno nitko).
Tako ta optični sklopnik deluje kot gonilnik triaka.
Obstajajo tudi gonilniki z ničelnim detektorjem - na primer MOC3061. Preklopijo le na začetku obdobja, kar zmanjša motnje v električnem omrežju.
Upori R1 in R2 se izračunajo kot običajno. Upornost upora R3 se določi glede na temensko napetost v napajalnem omrežju in tok odklepanja močnostnega triaka. Če vzamete prevelikega, se triak ne bo odprl, če je premajhen, bo tok tekel zaman. Morda bo potreben močan upor.
Koristno bi bilo spomniti, da je 220 V v električnem omrežju vrednost efektivne napetosti. Najvišja napetost je $\sqrt2 \cdot 220 \približno 310\,V$.
Induktivni nadzor obremenitve
Pri pogonu induktivnega bremena, kot je električni motor, ali ko je na liniji hrup, lahko napetost postane dovolj visoka, da povzroči spontano odpiranje triaka. Za boj proti temu pojavu je potrebno v vezje dodati dušilec - to je gladilni kondenzator in upor vzporedno s triakom.
Dušilec ne izboljša veliko emisij, vendar je bolje z njim kot brez njega.
Keramični kondenzator mora biti zasnovan za napetost, ki je višja od vrha v napajalniku. Še enkrat se spomnimo, da je za 220 V to 310 V. Bolje je, da ga vzamete z rezervo.
Tipične vrednosti: $C_1 = 0(,)01\,uF$, $R_4 = 33\,Ohm$.
Obstajajo tudi modeli triakov, ki ne potrebujejo dušilnika. Na primer BTA06-600C.
Primeri triakov
Primeri triakov so podani v spodnji tabeli. Tukaj je $I_H$ zadrževalni tok, $\max\ I_(T(RMS))$ je največji tok, $\max\ V_(DRM)$ je največja napetost, $I_(GT)$ je tok odklepanja .
| 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 |
Rele
Elektromagnetni releji
Z vidika mikrokontrolerja je sam rele močno breme, in to induktivno. Zato morate za vklop ali izklop releja uporabiti na primer tranzistorsko stikalo. Diagram povezave in tudi izboljšanje te sheme smo obravnavali prej.
Releji navdušujejo s svojo preprostostjo in učinkovitostjo. Na primer, rele HLS8-22F-5VDC je krmiljen z napetostjo 5 V in je sposoben preklopiti obremenitev, ki zahteva tok do 15 A.
Polprevodniški releji
Glavno prednost releja - enostavnost uporabe - zasenči več pomanjkljivosti:
- to mehanska naprava in kontakti se lahko umažejo ali celo zvarijo drug na drugega,
- manjša hitrost preklopa,
- relativno veliki preklopni tokovi,
- stiki kliknite.
Nekatere od teh pomanjkljivosti so odpravljene v tako imenovanih polprevodniških relejih. To so pravzaprav polprevodniške naprave z galvansko izolacijo, ki vsebujejo polno zmogljivo stikalno vezje.
Zaključek
Tako imamo v našem arzenalu dovolj metod za nadzor obremenitve, da rešimo skoraj vse težave, ki se lahko pojavijo pri radioamaterju.
Urejevalnik shem
Vsi diagrami so narisani v KiCAD-u. V zadnjem času ga uporabljam za svoje projekte, zelo je priročen, priporočam. Z njegovo pomočjo ne morete samo risati vezja, ampak tudi oblikovati tiskana vezja.