Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak zrobić aby tranzystor działał jak przekaźnik?

stabilizator 01 May 2021 14:39 4959 15
  • Jeżeli chcemy użyć tranzystora w roli "przekaźnika", najlepiej będzie podłączyć go w konfiguracji wspólnego emitera (jeżeli to tranzystor bipolarny) albo wspólnego źródła, jeżeli chcemy użyć tranzystora MOSFET. W zależności od tego, jak chcemy sterować odbiornikiem, należy dobrać odpowiedni tranzystor:
    - typu NPN (bipolarny) lub z kanałem typu N (MOSFET), jeżeli ma być odłączany przewód ujemny, a dodatni podłączony na stałe,
    - typu PNP (bipolarny) lub z kanałem typu P (MOSFET), jeżeli ma być odłączany przewód dodatni a ujemny podłączony na stałe.
    Wszystkie cztery warianty na na poniższych schematach:

    Jak zrobić aby tranzystor działał jak przekaźnik?

    Aby taki tranzystor załączyć, należy jego bazę lub bramkę zasilić napięciem:
    - wyższym niż emiter lub źródło (dla tranzystorów NPN lub z kanałem typu N)
    - niższym niż emiter lub źródło (dla tranzystorów PNP lub z kanałem typu P)
    Napięcie to może pochodzić z mikrokontrolera lub innego układu sterującego, na przykład komparatora.

    Jak zrobić aby tranzystor działał jak przekaźnik?

    W przypadku tranzystorów bipolarnych należy pamiętać o wymuszeniu odpowiedniego wysokiego natężenia prądu bazy. Tylko wtedy tranzystor może się nasycić i będzie prawidłowo działał jako przekaźnik. Dwustanowe sterowanie tranzystorem ograniczy wydzielaną moc strat.

    Jeżeli chcemy użyć tranzystora MOSFET, wartość tego napięcia sterującego powinna kilkukrotnie (3...5 razy) przekraczać napięcie progowe UGSth tego tranzystora. Bramka tranzystora MOSFET nie pobiera mierzalnego prądu, kiedy ten zostanie już całkowicie otwarty. Przeładowywanie pojemności bramki wymaga przepływu prądu. Należy przy tym uważać na maksymalne napięcie bramka-źródło, które typowo wynosi 12V lub 20V - szczegóły w nocie katalogowej danego tranzystora. Jego przekroczenie może zniszczyć tranzystor.

    Wyłączenie tranzystora polega na sprowadzeniu jego napięcia baza-emiter (lub bramka-źródło) do zera. Najprościej to zrobić poprzez podłączenie wejścia sterującego z tą linią zasilającą, do której jest podłączony emiter (lub źródło). Uwaga na tranzystory typu PNP lub z kanałem typu P – jeżeli układ sterujący jest zasilany z napięcia niższego (np. 5V) niż tranzystor (np. 12V), to nie uda się go wyłączyć. Trzeba zastosować dodatkowy układ sterujący lub posłużyć się tranzystorem typ NPN (lub z kanałem typu N).



    Rezystory R1 w każdym z rozwiązań utrzymują tranzystor w stanie wyłączenia, jeżeli nie dociera do niego sygnał sterujący. Jego rezystancja nie jest krytyczna, zazwyczaj przyjmuje się ją z zakresu od 10kΩ...100kΩ. Rezystory R2 ograniczają prąd płynący przez bazy tranzystorów bipolarnych i ich rezystancję można obliczyć ze wzoru:
    R2 = ((USTER – UBE)·βMIN) / (Icmax·k)

    Icmax to maksymalny prąd, jaki może pobierać obciążenie.
    βMIN to minimalna wartość wzmocnienia prądowego, jakie może mieć dany tranzystor – szczegóły do znalezienia w nocie katalogowej. USTER to napięcie sterujące bazą, z układu sterującego.
    UBE to napięcie baza-emiter w stanie włączenia (około 0,7V dla zwykłych tranzystorów bipolarnych, około 1,5V dla tranzystorów w konfiguracji Darlingtona).
    k to współczynnik przesterowania, określający, jak bardzo nasycony ma być tranzystor. Przyjmuje się, że powinien wynosić 2 lub więcej.

    Podobną rolę – czyli ograniczanie prądu bramki – pełnią rolę rezystory R3. Jednak ich wartość nie jest aż tak kluczowa, ponieważ ograniczają jedynie prąd podczas przełączania tranzystora. Typowo można zastosować 10Ω...100Ω.

    Kiedy warto wybrać tranzystor bipolarny, a kiedy MOSFET? W zdecydowanej większości zastosowań wygra MOSFET (niskie straty mocy). Tranzystor bipolarny warto rozważyć, kiedy napięcie sterujące ma niewielką wartość (np. 1,8V).

    W układach z tranzystorami bipolarnymi, rezystory R1 zostały włączone tuż przy wyjściu sterującym, a w przypadku tranzystorów MOSFET - między bramką i źródłem. Przy takim połączeniu, nie zabierają one prądu bazy tranzystorom bipolarnym, który jest wymagany do ich prawidłowego nasycenia. Z kolei, w przypadku tranzystorów MOSFET rezystory R1 nie mają tak dużego wpływu na ich działanie, ponieważ rezystancje R1 i R3 są znacząco różne, R1 >> R3.

    Poniżej są cztery przykłady sterowania z Arduino obciążeniem pobierającym prąd o natężeniu maksymalnie 0,5A. Wszystko jest zasilane napięciem o wartości 5V.

    Jak zrobić aby tranzystor działał jak przekaźnik?

    Jeżeli dane obciążenie zawiera cewkę lub silnik, równolegle do niego trzeba podłączyć odpowiednią diodę zabezpieczającą. Zabezpieczy tranzystor przed uszkodzeniem podczas jego wyłączania gdy na indukcyjności powstaje przepięcie.

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    stabilizator
    Editor
    Offline 
    stabilizator wrote 87 posts with rating 215, helped 0 times. Been with us since 2020 year.
  • #2
    paluszasty
    Level 25  
    Wg mnie tytuł jest lekkim nadużyciem. Żadna z tych konfiguracji nie zapewnia pełnej funkcjonalności przekaźnika. Oczywiście w wielu przypadkach jest to wystarczające ale jeśli faktycznie chcemy wykorzystać tranzystor w roli przekaźnika i korzystać z pełnej funkcjonalności powinno się zaimplementować układ stosowany w SolidStateRelays. Zapewnia on:
    -izolację galwaniczną
    -dwukierunkowość
    -niewielki spadek napięcia jeśli zastosujemy odpowiednie tranzystory MOSFET
    -dużą szybkość
    Jak ktoś jest zainteresowany proszą popatrzeć na rys 10 noty specjalizowanego transoptora VOM1271:
    https://www.vishay.com/docs/83469/vom1271.pdf
  • #3
    stabilizator
    Editor
    Słusznie, pojedynczy tranzystor to nie SSR, a SSR ma cechy inne niż EMR.
    W materiale chodzi o dwustanową pracę tranzystora gdy pracuje w konfiguracji włącz-wyłącz.
  • #4
    krzbor
    Level 23  
    Dla tranzystora NPN i PNP nie widzę konieczności używania rezystora R1. Aby tranzystor zadziałał potrzebny jest odpowiedni prąd bazy. Przy starcie uP zwykle wyprowadzenia są skonfigurowane jako wejścia - nie ma mowy o wysterowaniu tranzystora.
  • #5
    stabilizator
    Editor
    Można pominąć, jednak przy zastosowanym rezystorze nawet przy wyjętym z podstawki mikrokontrolerze (lub module mikrokontrolera) tranzystor pozostanie zatkany w przypadku gdyby układ pozostał zasilony.
  • #6
    krzbor
    Level 23  
    stabilizator wrote:
    Można pominąć, jednak przy zastosowanym rezystorze nawet przy wyjętym z podstawki mikrokontrolerze (lub module mikrokontrolera) tranzystor pozostanie zatkany w przypadku gdyby układ pozostał zasilony.

    Po wyjęciu z podstawki i tak będzie zatkany - nie będzie prądu bazy.
  • #7
    nouki
    Level 25  
    Witam.

    Gdzieś kiedyś czytałem że po uruchomieniu procesora nim ustalą się stany wszystkie nogi maja stan wysoki (może mi się wydaje :) )
    Przekaźnik może nie zdążyć załapać ale tranzystor już tak.

    Pozdrawiam.
  • #8
    metalMANiu
    Level 19  
    nouki wrote:
    Witam.

    Gdzieś kiedyś czytałem że po uruchomieniu procesora nim ustalą się stany wszystkie nogi maja stan wysoki (może mi się wydaje :) )
    Przekaźnik może nie zdążyć załapać ale tranzystor już tak.

    Pozdrawiam.


    Wiesz, częściowo to prawda. W obrębie jednego mikrokontrolera można znaleźć zarówno piny, które przy uruchomieniu mają stan wysoki, jak i piny przyjmujące stan niski. A także piny, które przy starcie są wejściami, mimo że w kodzie napisaliśmy inaczej. To są niuanse, o których czyta się w dokumentacji danego mikrokontrolera lub modułu. Dobrym przykładem jest ESP8266-01, który ma 4 GPIO, ale tylko dwa z nich można użyć "bezkarnie". Przy użyciu 2 pozostałych należy się bardziej wgryźć temat. Ktoś napisał o tym (w j. angielskim) pod tym linkiem:

    https://www.forward.com.au/pfod/ESP8266/GPIOpins/ESP8266_01_pin_magic.html
  • #9
    andrzejlisek
    Level 28  
    Co prawda tranzystor nie jest prawdziwym SSR, ale w większości przypadków spełnia swoją rolę, w przypadku spełnienia następujących warunków:
    1. Sterowane urządzenie jest zasilane napięciem stałym.
    2. Nie jest konieczna separacja galwaniczna pomiędzy obwodem sterującym i sterowanym.

    W większości przypadków, te warunki można spełnić, np. świecenie diodami i małymi żarówkami, grzanie drutem oporowym, sterowanie mechanicznym przekaźnikiem.

    Zauważyłem, że bardzo popularne jest sterowanie za pomocą tranzystora NPN lub MOSFET-N. On ma taką cechę, że w stanie zatkania, sterowane urządzenie jest podłączone do zasilania, ale jego masa "wisi w powietrzu" (tranzystor stanowi przerwę w obwodzie). Czy jest za tym inny argument niż możliwość wysterowania urządzenia niższym napięciem niż napięcie zasilania tego urządzenia?

    Moim zdaniem naturalne jest, że urządzenie jest stale podłączone do masy, a steruje się podawaniem zasilania, wtedy to na linii zasilania raz jest napięcie zasilania, a raz ta linia wisi niepodłączona bądź jest podłączona do masy (w zależności, jaki element steruje zasilaniem). Co prawda w wielu przypadkach nie ma znaczenia, z której strony obwód zasilający będzie przerywany, ale sterowanie podłączeniem do masy wydaje się być trochę nienaturalne. Przecież wszystkie napięcia i sygnały podaje się w stosunku do masy, a połączeń masy nie rysuje się na schemacie, jedynie zaznacza się, że coś jest podłączone do masy za pomocą odpowiedniego symbolu.
  • #10
    _jta_
    Electronics specialist
    stabilizator wrote:
    Jeżeli chcemy użyć tranzystora MOSFET, wartość tego napięcia sterującego powinna kilkukrotnie (3...5 razy) przekraczać napięcie progowe UGSth tego tranzystora.

    To nie jest dobre kryterium - proponowałbym zajrzeć do noty katalogowej i zobaczyć, dla jakiego napięcia bramki podaje się oporność włączenia - jeśli nota podaje np., że ta oporność jest poniżej (w sensie, że jest to wartość gwarantowana) 30 mO przy napięciu bramki 4V, a te 30 mO nam pasuje - należy podawać te 4V (być może napięcie progowe jest 0,4V, ale to nie znaczy, że 5*0,4V = 2V wystarczy). Jakiś czas temu wprowadzono MOSFET-y Logic-Level, które są "włączone" przy 5V, albo mniej - inne często potrzebują 8V, albo i 10V...

    Natomiast napięcie progowe należy brać pod uwagę, gdy "przekaźnik" ma być wyłączony - nasz układ ma zapewnić podanie napięcia niższego, niż górna granica napięcia progowego.

    Ideałem byłby MOSFET, który miałby np. gwarantowane napięcie progowe ≧ 1,2V, a napięcie pełnego włączenia ≦ 1,8V - ale takich raczej nie ma, jakkolwiek są MOSFET-y, którym do pełnego włączenia wystarczają 3V. Jeśli się zdarzy, że uC daje za niskie napięcie, by w pełni włączyć posiadanego MOSFET-a, pozostaje dodać kolejny tranzystor (może być bipolarny) w roli konwertera poziomów napięć (np. NPN w układzie wspólnej bazy, jeśli steruje się N-MOSFET-a i '1' ma włączać; albo układ wspólnego emitera, żeby '0' włączało).
  • #11
    nouki
    Level 25  
    Quote:


    Ideałem byłby MOSFET, który miałby np. gwarantowane napięcie progowe ≧ 1,2V, a napięcie pełnego włączenia ≦ 1,8V - ale takich raczej nie ma,


    Są tylko napięcie stosunkowo małe.

    https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IPT004...N.pdf?fileId=db3a30433e9d5d11013e9e0f382600c2

    Gate threshold voltage VGS(th) 0.7 - 2.2 V

    Dodatkowo można użyć VOM1271 i będzie ssr.

    Pozdrawiam.
  • #12
    _jta_
    Electronics specialist
    nouki wrote:
    Gate threshold voltage VGS(th) 0.7 - 2.2 V

    Ale oporność włączenia podają dla 4,5V - takim napięciem trzeba go sterować, aby działał jako przekaźnik. A ten schemat wygląda na błędny...

    Sprawdziłem w sklepie Farnell... i nie znalazłem nic sensownego do sterowania niższym napięciem (wyszukiwarka coś znajduje, ale noty katalogowe nie potwierdzają).

    Wygląda na to, że jeśli układ ma być sterowany z uC, który nie da 4,5V, to konieczne jest zasilanie układu sterowania bramki dodatkowym, wyższym napięciem.
  • #13
    nouki
    Level 25  
    Tylko mało kto potrzebuje takiego prądu :) przy tych 4,5V.
    Dodatkowo pełne otwarcie to 0.4mOha więc nawet bez pełnego otwarcia oporność powinna być na tyle mała by się nie grzał przy tych 10A (chyba że to ma być przekaźnik wielkiej mocy).
    Dodatkowo używając uc jak pisze Kolega można go sterować impulsowo co zmniejszy straty cieplne.
    Niestety ten wykres przeczy trochę danym w tabelce.
    Oczywiście to moje zdanie.
    P.s
    VOM1271 produkuje wystarczająco by przełączyć większość tanich tranzystorów.

    Quote:
    A ten schemat wygląda na błędny...

    Podpisane że to układ testowy. (nie mój)
    https://www.circuitlab.com/editor/#?id=va622e2ga4j7
  • #14
    _jta_
    Electronics specialist
    To jest typowa charakterystyka. A jak się trafi egzemplarz o nieco innych parametrach, który będzie wymagać większego napięcia bramki, by przewodził duży prąd?

    Ale przy sterowaniu poprzez transoptor nie ma znaczenia, czy uC podający sygnał na wejście transoptora daje do 5V, czy np. tylko 1,8V - ma tylko wystarczyć na włączenie transoptora. Wyjście transoptora ma mieć odrębne zasilanie. A jeśli uC i tranzystor mają mieć wspólną masę, to można użyć translatora poziomów logicznych - można go zrobić z tranzystora NPN (dla N-MOSFET-a).
  • #15
    nouki
    Level 25  
    Wszystko ok. Zależy co potrzeba i do czego. Obecnie na rynku jest tyle rozwiązań....Problem jeden dostępność. Chodź jak ktoś cierpliwy można pozyskać.

    Pozdrawiam.
  • #16
    Jacekser
    Level 22  
    Tytuł sugeruje jak coś zastąpić czymś.Przekaźnik elektromechaniczny załącza/wyłącza też obciążenie w obwodzie AC.Jak słusznie
    zauważył kol.paluszasty taką funkcję realizuje przekaźnik półprzewodnikowy SSR .Ponieważ szukałem do swoich celów przekaźnika,a raczej układu do sterowania ściemniaczem 12VAC,~100A trafiłem na taki opis,dość ciekawy:
    https://sound-au.com/articles/mosfet-relay.htm
    Interesująca jest praca inwesyjna mosfetów(nie chodzi bynajmniej o wew.diodę,bo na niej też wytraca się moc gdy płynie(!) duży prąd) i zastosowanie ciekawego IC Si8751-2 (izolowany driver z przetwarzaniem),podobnego funkcjonalnie do tego VOM1271 ale zdecydowanie szybszego.