Vezérlés az LPT porton
Alfától Omegáig - 6. rész
Az előző részben a portunk életét védő meghajtófokozattal, másnéven bufferrel ismerkedtünk meg, majd megtanultuk az egyszerű tápenergia-nyerés különféle lehetőségeit kiaknázni. Mindent összevéve szépen haladunk; Már képesek vagyunk tehát a portunk kimenő bitjeit programból tetszőlegesen ki-be kapcsolgatni, azokkal kis áramfelvételű LED-eket, kijelzőket üzemeltetni, a gépből tápenergiát nyerni, illetve portunk életét leválasztó fokozattal megóvni. Azonban ez még önmagában nem sokra elég. Szükségünk van mielőbb olyan kapcsoló fokozatokra, melyek elvégzik a nagyteljesítményű fogyasztók vezérlését is. Ezeket az áramköröket nevezik teljesítmény meghajtó fokozatoknak. Ezzel az izgalmas kapcsolástechnikával kezdjük meg most az ismerkedést. Természetesen szokásunkhoz híven lesz némi alapismeret is előbb, hogy tudjuk, hova kell nyúlni, ha rakoncátlankodik a kapcsolásunk, valamint ízlés szerint módosítani tudjuk, esetleg egy rajzon észrevehessük a durvább elvi hibákat. Ne ijedjünk tehát meg, néha kis elmélet is kell! J
Mindenek előtt megismerkedünk a majdani
berendezéseink lelkével, a bipoláris tranzisztorral egy kicsit közelebbről; (Ne
ijedjünk meg, rövid leszek, de később belátjuk; megéri!)
A tranzisztor nem más, mint egy érdekes erősítőalkatrész. Két alapvető típusa terjedt el, melyek
közül klasszikusabbnak a bipoláris tranzisztort tartjuk. A következőkben erről
lesz szó. (Továbbiakban nevezzük csak egyszerűen tranzisztornak. J)
Ez egy egyszerű három kivezetéses alkatrész.
Lényegében egy vezérelt villamos szelepnek fogható fel, mely két elektródája
(kollektor és emitter) között részben, vagy teljesen
átengeded, a harmadik kivezetésre kapcsolt áramtól függően. A dióda bár ennél
egyszerűbb szerkezet, de alapvetően azonos elvek alapján üzemel. Ezért először
ezt nézzük meg.
A dióda működése:
A fizikai működés lényege, hogy félvezető
anyagba injektálva bizonyos szennyező atomokat, ezek a kristályrácsot
eltorzítják, s adott helyen elektrontöbblet, más szennyező anyagokkal
elektronhiány, -vagy ahogy a szakirodalom nevezi- „lyuk” képződik. Az
elektronok igyekeznek „menekülni” onnan, ahol sok van, illetve oda sietni, ahol
lyuk van, hiszen az azonos töltések taszítják, az ellenkezők vonzzák egymást.
Ebből az adódik, hogyha egy félvezető egyik részét „lyukakkal”, a másikat pedig plusz elektronokkal látjuk el, akkor villamos
szelephatást tapasztalunk, vagyis az ilyen alkatrész két kivezetésére
feszültséget kapcsolva az egyik irányban vezet, a másikban nem. Ezt az
alkatrészt diódának nevezzük, utalva a két kivezetésre. A LED-ek,
- amiket már jól ismerünk- szintén ilyen alkatrészek, csak ott olyan a
rácsszerkezet, hogy a vezetés közben fényt is kibocsát. Emellett azonban dióda
is egyben! Ezért világít egyik irányban, s nem a másikban.
A következő ábrák ezt a folyamatot mutatják:
(1. Számú ábracsoport)
|
|
Fordított, vagyis záró irányban a lyukak netöltetlenek maradnak akár az elektrontöbbletek, vagyis
áram nem folyhat. Az eszköz zárva |
Nyitó irányban a működtető áram polaritáshelyesen semlegesíti a rácsszerkezetbe épített
torzulásokat, a határréteg elvékonyodik, a töltések át tudnak haladni. Az
eszköz kinyit. |
pn01.gif |
pn02.gif |
Könnyen belátható, hogy záró irányban is van egy
kis átvezetés, amit szivárgásnak nevezünk. A gyakorlatban ez elhanyagolhatóan
kicsi, de létező folyamat. Sokkal fontosabb azonban, hogy nyitó irányban se
nulla az a „fal”, amit a töltéseknek át kell „ugraniuk”. Ezért van egy alsó
feszültségküszöb, ami alatt nem tudnak üzemelni a félvezetők. Ez a
legelterjedtebb szilícium esetén pl. 0,6V-0,8V közötti érték, amit NYITÓFESZÜLTSÉGNEK is nevezünk. Ez tehát ahhoz kell, hogy a
„potenciálfalat” át tudják lépni a töltések. Nagyon jegyezzük ezt meg, mert
sokszor fogunk ezzel találkozni.
A diódát a multiméterünkkel könnyen le tudjuk
ellenőrizni. Dióda vizsgáló módba kapcsolunk, (ha
nincs ilyen, akkor 2Kohmos méréshatárba) majd azt kell tapasztalnunk, hogy
egyik irányban 200ohm és 1500ohm közötti ellenállással átvezet. (Az ellenállás
attól függ, mekkora feszültséggel vizsgál a műszerünk. Ilyen sok!?! Ne lepődjünk meg rajta; Mivel ez 0,6V
alatt van, ezért ilyen magas a mért érték.) Ha egy ismeretlen diódával
találkozunk, akkor tehát meg tudjuk határozni a kivezetéseit, vagyis a pozitív
anódot, illetve a negatív katódot. Mitöbb azt is meg
tudjuk mondani, hogy üzemképes –e vajon, vagy sem. HA mindkét irányban vezetést
mérünk, akkor a diódánk zárlatos, ha mindkét fele végtelen ellenállást, akkor pedig szakadt. (Szó szerint a terhelő áramtól elégett
a kristály, vagy a kivezetés csatlakozási pontja, s ezért szakadt meg. Zárlatos pedig akkor lesz,
ha összeolvad valami benne. (Kellemetlen dolog, de megesik az ilyesmi. J )
A tranzisztor működése:
A tranzisztor ugyanilyen rétegekből épül fel,
de nem kettő, hanem három részből áll. Ezek neve kollektor/emitter/bázis.
Nem sok a három kivezetés, de azért meg tudja tréfálni az embert, ha nem érti,
hogyan is üzemel! A következő ábrák ennek megértésében segítenek;
|
|
|
A tranzisztor rétegei - diódáknak megfelelő
rétegezése és elnevezése, - jelölése. |
Képzeletbeli mérési összeállítás. A
feszültségviszonyokat szemlélteti üzem közben. Figyelem, ez elvi séma, ha így
kötné valaki be, azonnal tönkremenne, mert kinyitva a telepet zárnánk
rövidre… J |
A valóságban így néz ki egy tranzisztor
felépítése. Látható, hogy a két szélső, illetve a közrefogott rétegek nem
egyformák. Ettől az aszimmetriától válik üzemképessé, illetve nem
felcserélhetővé a kollektor és az emitter!!! |
Pnp01.gif |
pnp03.gif |
pnp03.gif |
(2. Számú
ábracsoport)
Valójában a működés lényege, hogy a bázis
(b), illetve az emitter közé nyitó irányú
feszültséget kapcsolunk. Ekkor a lyukat, illetve
elektrontöbbletek mintegy „feloldják” a középső réteg által emelt záróirányú falat, vagyis a kollektor (c), illetve az emitter (e) között áram tud folyni. A polaritásokat,
illetve feszültségviszonyokat mutatja a középső ábra. Látható, hogy mindig az emitterhez képest viszonyítjuk a feszültséget. A diódánál
megismert 0,6V-os határ itt is igaz, vagyis itt kezd
el nyitni a tranzisztor. Teljesen nyitva pedig kb.
1,2V-nál lesz. A kettő közötti részt digitális áramköröknél nem szeretjük, mert
ha valamit be akarunk kapcsolni, akkor az menjen teljes „gázzal”. Ha
kikapcsoljuk, akkor pedig teljesen álljon meg
lehetőleg a működés. Az is fontos, hogy nyitott állapotban a kollektor és emitter gyakorlatilag két rétegnek számít, vagyis rajtuk
2*0,6V=1,2V
feszültség mindig lesz, hiszen itt két potenciálgátat kell áttörni. Vagyis ezalatt elvileg sem üzemképes a tranzisztorunk. Ezt a
feszültséget nevezzük maradékfeszültségnek.
Egy beforrasztott alkatrészről tehát könnyen el tudjuk dönteni üzem közben,
hogy ki/be van-e kapcsolva. Ha a kollektor és emitter
között közel a tápfeszültséget mérjük, akkor ki, ha csupán a
maradékfeszültséget, akkor be van kapcsolva. Ha köztes értéket, akkor analóg
erősítőként üzemel. Ha nullát mérünk, akkor tranzisztorunk zárlatos lett;
cserélhetjük ki egy másikra.
Mivel tranzisztoros analóg erősítőkkel nem
dolgozunk, ezért nekünk ennyit elég is tudni.
Fontos azonban a baloldali ábrán a középső kis rajzocska. Ez azt mutatja, hogy ha két diódából raknánk össze a tranzisztort, akkor a diódák katódjait összeforgatva a közösített katód lenne a bázis kivezetés, valamint a kollektor, illetve emitter a két kifelé néző anód egyike, illetve másika. Látszólag ennek semmi értelme, hiszen két diódából nem lesz tranzisztor sohasem, hiszen a jobboldali ábrán lévő metszet egyértelműen mutatja: a rétegek nem egyforma méretűek. Ez igaz, viszont remek segítség, ha szeretnénk egy ismeretlen tranzisztor kivezetéseit beazonosítani, illetve meghatározni, hogy üzemképes –e az alkatrész.
Ehhez egyszerűen
úgy kell megvizsgálnunk ellenállásmérőnkkel a tranzisztor két „diódáját,”
mintha azok valóban önálló diódák lennének. Vagyis a műszer negatív sarkát a
bázisra helyezve vezetést kell mérni a maradék két láb között. Ha a
mérőzsinórokat (vagyis a polaritást) megcseréljük, akkor ugyanitt szakadást.
Ezzel a két diódát ellenőriztük, de ez még így nem elég. A kollektor és emitter között mindkét irányban szakadást is kell még
mérnünk, hiszen a rajz szerint ez is egyértelmű. Ha ez teljesül, akkor a
tranzisztorunk üzemképes, lehet örvendezni. A mérést a magam részéről minden
beépítés előtt álló alkatrészen el szoktam végezni, - még ha az új, bolti áru,
akkor is -. Ennek az az oka, hogy a bolti alkatrészek
valamennyi százaléka szintén lehet selejtes, s én már nem egyszer találkoztam
is ilyen esettel.
Ezért
volt tehát fontos megismernünk tehát a tranzisztor felépítését!
PNP és NPN??? Az meg
micsoda?
Gyakran
találkozhatunk ezzel a fogalommal, de a fentiek alapján már könnyen rájöhetünk,
mit takarnak. Ha a második ábracsoport legelső rajzocskáját megnézzük, akkor a betűket
fenntről lefelé összeolvasva a PNP betűsor adódik,
vagyis pozitív, negatív, pozitív rétegek váltogatják egymást. Joggal merül fel
a kérdés: Mi történik vajon, ha megcseréljük a réteg-polaritást? A válasz:
semmi, akkor NPN tipusú tranzisztort kapunk, mert a
betűsor az NPN lesz. Ez esetben nem a képzeletbeli diódák katódjai, hanem
anódjai lesznek összeforgatva. A jelölés is ugyanaz, csak az emitteren
a nyíl iránya fordított.
Újabb tanulság: a mérésnél ezen túl azt is meg tudjuk határozni, hogy PNP, vagy
NPN tranzisztorral van-e dolgunk.
Sőt, ha már itt
tartunk! Ez még mind nem elég. A jobboldali legszélső ábrából adódóan az emitter-bázis dióda ellenállása néhányszor 10 ohm-al magasabb a kollektor-bázis diódánál, vagyis azt is me tudjuk mondani, hogy melyik kivezetés a kollektor,
illetve az emitter..
Nem fantasztikus?
Mindössze három kis lábacska, s mennyi mindent lehet megmérni egy közönséges
ellenállásmérővel rajta? J
Felmerül a kérdés,
hogy mi történik a középső ábrán bemutatott bekötéssel NPN tranzisztor esetén.
Mivel logikusan gondolkodunk, rögtön rávágjuk: Semmi különös! Ha megcseréljük
az elem sarkait, vagyis a tápláló feszültség polaritását, akkor ugyanúgy fog
minden menni, mint a PNP esetén előtte.
Azért biztos ami biztos, foglaljuk csak össze, mert nagyon fontos:
PNP tranzisztor: Emitter
mindig pozitív sarok fele. Az emitterhez képest 0,6V feszültségnél negatívabb értéket kapcsolva nyit az
eszköz, méghozzá úgy, hogy a kollektor a negatív sarok felé van kötve!
NPN tranzisztor: Emitter
mindig negatív sarok fele. Az emitterhez képest 0,6V feszültségnél nagyobb értéket kapcsolva nyit az eszköz,
méghozzá úgy, hogy a kollektor a pozitív sarok felé van kötve!
Az ábrán látható
két ellenállás hivatott beállítani a 0,6V
feszültséget, azért így van felrajzolva.
Ezzel voltaképpen
szinte teljesen kiveséztük a tranzisztor bennünket
érdeklő oldalait, kivéve azt, hogy hova milyen típust érdemes alkalmazni.
Hiszen látunk tranzisztort vékony drótlábakkal is, ceruzafej méretben, műanyag
tokban. Ugyanakkor azonban nem ritka a lemezes, illetve esetenként szinte
drótkötélszerű kivezetésekkel ellátott, nagyméretű részben, vagy egészében
fémtokos alkatrész sem. Valószínűleg ez sem véletlen. J
-Nagyon sok
műszaki adata van egy tranzisztornak. Ami bennünket érdekel, az egyrészt az a
maximális áram, amit a kollektor és emitter között
képes átengedni, hiszen akkora fogyasztót tudunk csak vele kapcsolni. Ezt a
katalógusok ICE néven emlegetik.
-Fontos, hogy
mekkora feszültséget lehet maximum kapcsoltatni. Ennek jele katalógusokban: UCemax. Ugye, amíg be van kapcsolva
szegény tranzisztor, addig nincs baj, mert a maradékfeszültség kb. 1.2V állandóan, a többi meg a fogyasztót emészti, ami meg
eleve elbírja. Azonban akkor, amikor kikapcsoljuk, azonnal gond lesz. Ugyanis a
teljes tápfeszültség értéke megjelenik a kollektor és emitter
között. Ezt tehát a tranzisztornak károsodás nélkül el kell viselnie.
(Tudnunk
kell, hogy sem az áram, sem a feszültség maximális értéke nem lehet magasabb a
katalógusban megadott értéknél. A tranzisztor nem arról híres, hogy szereti a
túlterhelést, mert azonnal tönkremegy. Vagyis alapszabály: minimum másfélszer,
de inkább 2-3 szorosan méretezzünk túl mindent. Ha 1A-es a fogyasztónk,
használjunk 2…3 amperes tranzisztort. Ha 12V a
tápfeszültség, tegyünk be 40V-os alkatrészt. Az iparban ott spórolnak
ahol lehet, hiszen nagy tételben 5Ft/db
ide, vagy oda nem kis vesztesség. Otthon azonban a javítás kínja, a
bosszúság, vagy éppen az átütött tranzisztor miatt tönkretett számítógépünk
sokkal nagyobb vesztesség, mint az elhanyagolható költségnövekedés. Ha
kereskedőnél vásárolunk, s nem kapunk a rajzon megadott típusú alkatrészt, nem
szokott gond lenni, a szakértő boltos elkéri a rajzot, vagy megkérdi, hogy hova
lesz, s ad helyettesítő darabot. Itt kell résen lennünk, s a katalógusban
megnézni, vajon a fenti feltétel teljesül –e, vagy
sem! Legyünk óvatosak, mert egy idegen nem biztos, hogy tudja, milyen
szélsőséges hatások érhetik adott esetben a berendezésünket! A fentiek miatt
egyes kereskedők minden paraméterben igyekeznek a helyettesítéskor jobbat adni.
Ez se célszerű, mert esetenként egy 30Ft-os alkatrész pótlása akár 300Ft-ba is
kerülhet, ha pechünk van. Ennek megint nincs értelme. Ezért javaslom, mindenki
szerezzen be vagy egy tranzisztor katalógust, vagy pedig egy ezzel egyenértékű
katalógusprogramot. Ha mást nem, ott a könyvtár, de anélkül
ne dolgozzunk önállóan tranzisztorokkal!!!)
-A következő az
áramerősítési tényező. Ezt szokás ’b’-nak is nevezni. A
katalógusban h21e néven szokták emlegetni. Ez azért fontos, mert a
tranzisztor nem ideális kapcsolóelem, ami a terheléstől függetlenül ugyanakkora
árammal működtethető. Tudnunk kell, hogy a kapcsolt áram, vagyis az, ami a
kollektor és emitter között folyik, arányos a bázis
által igényelt árammal. A ’b’ egy szorzószám, s azt mutatja meg, hogy a
kapcsolt áram hanyadrészével kell vezérelnünk. Ugye, ha visszagondolunk a TTL-terhelésnél tanultakra, akkor ez nem lehet akármekkora,
tehát törekedni kell a nagy bétájú alkatrészek használatára, ha a terhelés
nagyobb. Pl. 100-as bétánál 1A-es áramot kapcsolva 10mA-t vesz fel a kapcsolótrinzisztor, amit még a portunk
éppen elbír, de ha a terhelés 2A-re emelkedne, a port feszültsége leesik, s a
tranzisztor nem, vagy csak részben nyit majd ki. Fontos, hogy a béta érték erősen szór. Tehát jó, ha
multiméterünk ilyet tud mérni! Erre nincs ’barkácstrükk’.
A B-C, illetve a B-E diódák ellenállásaiból esetenként lehet ugyan valamire
következtetni, hiszen a rétegvastagságok aránya mond valamit, de ez nem
általánosítható.
Ezzel úgy vélem, a
tranzisztort kellő mélységben kiveséztük, jöhetnek az ígért
teljesítménymeghajtó fokozatok: (3.ábra)
Irányváltós vezérlés villanymotorhoz, relékkel
(motor_r01.gif).
Gyakori
probléma, hogy szeretnénk parabola antennánk forgatni PC-nkről, garázsajtónk
nyitni/zárni, robotot, kiskocsit mozgatni vagy hasonló feladatokat megoldani.
Erre általában egyenáramú motorok jöhetnek szóba. Ilyen pl. a viszonylag olcsón
elérhető, autóbontókban is szerezhető ablaktörlő motorok, esetleg rokkantkocsik
villanymotorjai, autódinamókból készített robotmotorok, vagy éppen a játékok,
modellek DC-motorjai. Közös probléma, hogy a motorokat nem elegendő egyszerűen
csak ki/be kapcsolni, hanem irányt is kell váltani. Pl. egy játéktank alváza
mit sem ér leendő robotmodellnek, ha nem tud helyben megfordulni, (amit a
kétoldali meghajtómotorok ellentétes irányú járatása biztosítja) vagy mit ér az
a modellmozdony, ami nem tud tolatni, esetleg parabolatökör, ami lokátorként
forogva csévéli fel a kábelt magára…J Az egyenáramú motoroknál tehát ekkor polaritást kell váltanunk. A motor
üzemállapotai tehát: áll/forog jobbra/forog balra.
A
szükséges kapcsolások: egyik kivezetésre se kapcsolunk semmit/egyik polaritású
feszültséget kapcsoljuk be, illetve másik polaritású feszültséget kapcsoljuk
be. A három állapot leírásához két bitre van szükségünk, s a negyedik
itkombinációt nem használjuk. Lássuk, hogyan lehet ezt megvalósítani a legegyszerűbben. A jelfogókat
régóta használjuk, ezek voltaképpen afféle elektromágneses vezérlésű kapcsolók.
Azt kell tudni, hogy a vezérlő tekercsre áramot kapcsolva a keletkező mágneses
tér elmozdítja az érintkezőket az egyik végállapotba, szaknyelven “meghúz a
jelfogó”. Az áramot kikapcsolva
amágneses tér is megszünik, s a visszaállító rugó visszarántja az
érintkezőket alaphelyzetbe Ezt meg úgy nevezzük, hogy ‘elejt a jelfogó’.
Általában
a relék kontaktusai morse érintkezősek, vagyis egy közös pontot egyik
állásukban az egyik érintkezőhöz, másik állásukban a másikhoz kapcsolnak. A
relék lehetnek egy, 2,3 stb-áramkörösek, vagyis egymástól függően X-számú
érintkezőcsoportot kapcsolhatnak. Gyakori, hogy az egyik érintkezőcsoport egy
12V feszültségű fogyasztót (pl.
jelzűkürt, visszajelző lámpa, stb.) működtet, míg a másik egy 230V-os
fogyasztót kapcsolgat.. Mivel gavanikusan az érintkezők le vannak választva
egymástól, illetve a meghúzó tekercstől, ezért minden kockázat nélkül
kapcsoltathatunk törpefeszültséggel magasabb feszültségeket is. Természetesen
itt is fontos, hogy megfelelő reléket alkalmazzunk, vagyis a kapcsoló
érintkezők pogácsái elviseljék a fogyasztók áramát, illetve a pogácsák
eltávolodjanak egymástól annyira, amennyi a kapcsolt feszültség biztonságos
megszakításához szükséges. Szerencsére a relékre ráírják ezt. Érdemes a
feliratokat komolyan venni, illetve itt is minimum 2-szeresen túlméretezni
mindent!!!
A
PC-nkkel könnyen vezérelhetünk reléket. Álatában 200…500mA-es áramot vesz fel a
meghúzó tekercs. Ezt közvetlen nem kapcsoltathatjuk tehát a portunkkal, mégha
5V-os reléket kapunk is ma már a kereskedőknél. Ellenben egy hitványabb
tranzisztor is megteszi erre a célra.
(10mA-rel terhelve a portot, a 200mA-es reléhez pl. 20-as béta érték tartozik,
ezt nehéz alulmúlni bármilyen kacat tranzisztornak. Álatában a mezei
alkatrészek erősítése 45….100 között mozogJ ) 200mA-nél kisebb tranzisztort
megintcsak művészet lelni. A feszültség se gond, hiszen 20V alatt nem is igen
létezik tranyó…
Ebből
láthatjuk, hogy az igények látszólag nem túlzottan magasak. Azonban azt ne
feledjük, hogy a 200mA-es tranzisztor 200mA-el terhelve ugyancsak izzadni fog,
vagyis hűteni kell. (hűtőborda) A hűtés drágább, mint egy izmosabb tranzisztor,
tehát tartós ideig való működtetésre jobb lesz mégis pl. az 1A-es tipusok közül
választani. Egyszóval: kellő túlbiztosítás mindenhol. Addig fokozottan igaz ez,
ameddig nem mindig értjük, mit hogyan lehet kiszámolni. J
Ezek
után lássuk a kapcsolás működését:
Ha
mindkét jelfogó elengedett állapotban van, akkor a motor mindkét kivezetése
testre kapcsolódik, vagyis feszültségmentes állapotban van, a motor tehát áll.
Ha
a baloldali relé meghúz, a baloldali kivezetése a motornak pozitív feszültségre
kerül, a jobboldali meg marad testen, vagyis a negatívabb tápon. A motor elkezd
előre forogni.
Ha
a joddoldali relé húz meg egymagában, akkor a másik sarok lesz pozitív, emez
pedig test. Nincs mese, a motor engedelmesen visszafelé forog, hiszen fordított
polaritást kap az előző állapothoz képest.
Egy
állapotot nem vizsgáltunk meg még. Ha mindkét relé meghúzna egyszerre, akkor
mindkét motorkivezetés a pozitív sarokra kapcsolódik, ami ugyanaz, mintha
tesrre kötöttük volna mindkettőt, hiszen ha nincs feszültségkülönbség, áram sem
folyik. Áram nélkül pedig megint nincs forgás… J Ez az állapot annyival rosszabb,
mint a teljesen elejtett állapot, hogy a két relé tekercse zabálja az áramot,
illetve feleslegesen fűtjük a tranzisztorokat. Ennek nem sok értelme van, tehát
ezt a kombinációt kerülni érdemes…
Az
áramkör többi része azonban hasonlóképpen érdekes: a két relét két egyforma
fokozat működteti. Feltünik rögtön a tranzisztor, ami egy bc337-es NPN tipus.
Tökéletesen jó bármi más is, pl. a BC182, BC107, 108, stb. A fentiek szerint
azonban ide vagy kisfogyasztású relé kell, vagy hűtés a tranzisztorra! Az ábrán
6V a tápfeszültség. Mivel tudjuk, hogy a tranzisztor maradékfeszültsége 1,2V,
azért kb. 4,8V jut a relékre mindössze. Tehát nem 6, hanem 5V-os tipusokat
illik használni ide! (Bár szerencsére – éppen - meg szokott húzni a 6V-os is.)
A
tranzisztor kapcsolása szinte iskolásan egyszerű. Ez emitter testre megy, ami
az NPN tipus miatt most a negatív sarka az áramforrásnak. A kollektor és a táp között, mint
‘munkaellenállás’ helyezkedik el a relé behúzó tekercse. Ha pl. kis 6V-os
izzólámpát akarnánk kapcsolni, akkor az a relé helyett ide azt kellene bekötni.
Fontos, hogy az áramfelvételt a tanult módon ilyenkor ellenőrizzük, nehogy
túlterheljük vele a tranzisztort, vagy esetleg a port feszültsége a bázis
terhelése miatt leessen, s a kapcsolás bizonytalan működésű legyen. Üzem közben
ellennőrizni érdemes a bázison a feszültségeket. Értelemszerűen 0.6V alatti
értéknek kell lenni kikapcsolt állapotban, illetve 1,2V felettinek, amikor
hozzátartozó portbitet bekapcsoljuk.
A
relével párhuzamosan van kötve egy dióda, ami nem tűnik logikusnak elsőre. Ha
nyitó irányban lenne, akkor a tranzisztor zárlatot kapcsolna, vagyis a relé nem
tudna meghúzni, illetve a félvezetők pillanatalatt felforrnának… De ez
záróirányban van, tehát ilyen veszély nincs. Vajon minek egy olyan diódát
betenni, ami se a be, se a kikapcsolt állapotban nem nyit ki úgysem??? Az ok
egyszerű, s fontos megjegyeznünk! Minden induktivitás, vagyis tekercs az áram
kikapcsolásakor visszarúg egyet a hálózatba, mert a tekercs körül kiépült
mágneses tér hirtelen visszazuhan, ami feszültséget indukál benne, mint egy
transzformátorban a változó mágneses tér. (Önindukciónak nevezzük.) A
feszültség polaritása ellenkező a tápáram polaritásával, értéke pedig
sokszrosa. Ezért a tranzisztor gyorsan kukába kerülhetne, mert erre a hatásra
nem méreteztük. Megtehetnénk, hogy erősebb alkatrészt építünk be, de ami ide
kellene az túl drága. Ezért van benne a dióda ami kinyit, levezeti folyamatosan
az indukált feszültséget, mielőtt az veszélyes nagyságúra futhatna fel.
Jegyezzük meg, hogy a védődióda minden induktív fogyasztó esetén kötelező.
(Izzólámpánál, fűtőbetétnél, stb. ezért nem, mert csak ohmikus fogyasztók. Ott nincs
“visszarugás”, de motoroknál, reléknél, transzformátoroknál, hosszú
vezetékszakaszoknál igen..)
A
kapcsolásban található még egy 1K-s ellenállás, ami alapesetben nyitvatartja a
tranzisztort. Ha a bemenet a levegőben “lógna”. Amennyiben a bemenetre logikai
1-szintet kötünk, akkor a tranzisztor marad ahogy van, vagyis nyitva, tehát a
relé meghúzott állapotban van. HA átváltunk 0-ra, akkor a relé elejt, mert a
tranzisztor bázisa 0,6…0,8V közötti értéken lesz. Ez annyira biztonságosan
lezárja a tranzisztort, hogy a relé már
nem húz meg. Igazság szerint ez egy ‘import’ kapcsolás, vagyis nem én
terveztem. A magam részéről úgy szoktam csinálni, hogy egy ellenállással GND-re
húzatom a bázist (470ohm), s nem közvetlen, hanem egy 1K-s ellenállással
kapcsolom ugyanide az LPT-portot, vagy a puffert. Ennek az az oka, hogy a port
maradékfeszültsége néha elérheti szerencsétlen esetben a 0.8V-ot is. Ekkor a
tranzisztor részben kezdene kinyitni a rajz szerinti megoldásban. Itt persze ez
nem probléma, mert még a kicsit kinyitott tranzisztor se tudja a relét meghúzni, tehát nem vált ki téves
műküdést, azonban valamennyi áram folyni fog a relé tekercsén, ami elemes
táplálás esetén a telepek élettartamát csökkentheti.Ráadásul lehúzott
vezérlésnél az én technikámnál a relék ejtett állapotban vannak, ami szintén
hasznos lehet. J
Ha
a kisfeszültségű motorunkat csak ki/be kell kapcsolni, (pl.
autó-ventillátormotor esetén) illetve izzólámpát, fűtőbetétet, stb. kell
vezérelni, akkor a relé felesleges. Gondot inkább az okozhat, ha a terhelő áram
meghaladja a párszáz mA-t. Ekkor a béta
érték olyan magasra adódik, amilyen erősítésű tranzisztort már nem lehet olcsón
kapni. Ilyenkor két lehetőségünk van.
Az első, hogy két tranzisztort kötünk
kaszkádba. Ekkor
a béták összeszorzódnak, vagyis hatalmas erősítést kaphatunk. Ráadásul az első
transzisztor sokkal kisebb áramú lehet, mint a második, tényleges teljesítménykapcsoló,
tehát a megoldás olcsó! Akkor jó ez, ha
sokszáz fogyasztócsoportot kell vezérelni. (Pl. DISCO-s fényeffektek esetén…)
4., ábra. (motor_f01.gif)
Gondot
inkább az okozhat, ha a terhelő áram meghaladja
a párszáz mA-t. Ekkor a béta érték olyan magasra adódik, amilyen
erősítésű tranzisztort már nem lehet olcsón kapni. Ilyenkor két lehetőségünk
van. Az első, hogy két tranzisztort kötünk kaszkádba. Ekkor a béták
összeszorzódnak, vagyis hatalmas erősítést kaphatunk. Ráadásul az első
transzisztor sokkal kisebb áramú lehet, mint a második, tényleges
teljesítménykapcsoló, tehát a megoldás olcsó!
Akkor jó ez, ha sokszáz fogyasztócsoportot kell vezérelni. (Pl. DISCO-s
fényeffektek esetén…)
A megoldás külön előnye,
hogy gyorsan ki/bekapcsolgatva a portot,
a bekapcsolási, illetve szünet időarányának váltogatásával a motor
fordulatszáma, illetve az izzók fényereje szabályozható. Vagyis analóg
vezérlést tudunk készíteni olcsó, digitális áramkörökkel. (Erről később még
bővebben lesz szó a D/A konvertereknél PWM néven.)
A második megoldás, hogy darlington
tranzisztort alkalmazunk:
|
Ez a kapcsolás olyan tranzisztort
tartalmaz, ahol gyárilag el van készítve egy tokba az előző két tranzisztor.
Ezt nevezi a szakirodalom darlingtonnak. Vigyázat, a tranzisztor mérésénél,
ellenőrzésénél a belső kapcsolást kell figyelembe venni, másképpen meglepetés
ér bennünket!!! Jellemző a kapcsolásra, hogy
ezzel egy 24V-os, 482W.os villanymotort
vezérelhetünk az LPT portunk-ról. Ez azért már
döfi, nem? J |
5., ábra
(motor_f03.gif) |
|
Ha a port élete veszélyben, alkalmazzunk optikai
csatolót:
|
Az optocsatolókról
legközelebb lesz részletesebben szó. Egyelőre fogadjuk el, hogy egy LED
világít meg egy olyan tranzisztort, aminek a bázisát fény vezérli, így
galvanikus kapcsolat nélkül lehet jeleket átvinni. Azért hasznos, mert egy
totális zárlat is legfeljebb az optocsatoló
tranzisztorát károsíthatja, a drágább áramkörökig így a hiba garantáltan nem
juthat el! |
6., ábra
(Motor_f02.gif) |
|
A 3.ábra motorvezérlő
kapcsolásának relék nélküli változata:
|
A kapcsolás PNP és NPN tranzisztorokból
áll. Logikai egynél az NPN (felső), logikai nullánál
pedig a PNP (alsó) tranzisztor fog
vezetni Így első esetben a pozitív, második esetben a negatív tápfeszültséget
kapcsolja a motor sarkára. A jobb és baloldal a relés kapcsolás mintájára
szimmetrikus. Hibája a kapcsolásnak a 2*1,2V-os
maradékfeszültség a tranzisztorokon, ami jelentős vesztesség (kb. 40%!!!)
Ezért ezt a kapcsolást nagyobb feszültségekre érdemes megvalósítani, (pl.
12V) akkor a százalékos vesztesség is elfogadhatóbb lesz. |
7., ábra
(Motor_f04.gif) |
|
Következő számunkban folytatjuk a
teljesítmény fokozatok felsorolását.!