Avtor: DL6GL – Georg Latzel
E-pošta: gl@dl6gl.de
2020_286_42
Stikala s tranzistorji se uporabljajo za sprožitev dejanja na elektronski ali elektromehanski komponenti. Sam sprožilnik, na primer stikalo ali elektronska komponenta, se lahko nastavi na daljavo.
Običajne aplikacije vključujejo stikalne releje, kratek signalni vod na ozemljitev ali preklop napajalne napetosti na komponento. V mnogih primerih se lahko tranzistorska stikala uporabljajo za zamenjavo relejev.
Običajne okrajšave za različne vrste tranzistorjev so:
- BJT Bipolarni spojni tranzistor
- “junction” = spoj, plast barijere
- FET tranzistor z efektom polja
- JFET = junction FET, kot npr. BF245, J310
- MOSFET Metal oxide semiconductor field effect transistor
- Polprevodniški poljski tranzistor s kovinskim oksidom
Ta vsebina je samo za naročnike
Na voljo imamo dve osnovno vrsti preklapljanja – proti masi (GND) ali proti napajalni napetosti. V obeh primerih lahko uporabimo bipolarne ali MOSFET tranzistorje kot npr.
- NPN: BC546, 547, 548, 549, SMD tipi BC846-849
- PNP: BC556, 557, 558, 559, SMD tipi BC856-859
- N-MOSFET: BS170, 2N7000, SMD tipi BSS123, BSS138, 2N7002, IRLML2803
- P-MOSFET: BS250, SMD tipi BSH202, BSS84, IRLML6302
Pri bipolarnih BC tranzistorjih so boljša izbira tisti z visokim tokovnim ojačenjem (indeks B ali C, npr. BC547-C). V prevodnem stanju se MOSFETi obnašajo kot ohmski upori. Glede na upornost obremenitve je treba izbrati najnižjo možno RDS -On (upornost prevodne poti ponora-vira), glej tabelo 1.
Kaj je še treba upoštevati? Tranzistor mora ustrezati predvideni uporabi:
- Največji dovoljeni tok kolektorja ali ponorja
- Največja dovoljena napetost med kolektorjem in emitorjem ali med virom in ponorjem
- Najvišje izgubne moči
- Pri večjih obremenitvah tokovno ojačanje bipolarnih tranzistorjev oz. občasna Darlington vezava, če krmilna moč ni zadostna.
- Ogled podatkovnih listov je vedno dobra ideja, če le želite izvedeti razpored priključkov.
Preklop proti masi
Povezava proti masi se uporabi za komponento, ki jo je potrebno preklopiti (“breme”). “Breme” je lahko na primer vklopljen rele, signalna linija, ki jo je treba deaktivirati, na primer onemogočanje, ali vrata mikrokontrolerja, ki jih je treba potegniti na logično nizek nivo. Z mikrokontrolerjem bi bilo breme notranji pull-up upor, npr. nastavite za priključek B1 z DDRB.1 = 0 (B1 je vhod) in PortB.1 = 1 (notranji pull-up upor do + Ub, nastavljen v mikrokontrolerju). Z upornostjo bremena nekaj kΩ, ki je izhodna na kolektorju ali ponoru, takšna vezja delujejo tudi kot prilagodilniki nivojev, na primer za 3,3V logiko. + Ub bi bil potem 3,3V. S preprostim vezjem po sliki 1 je treba opozoriti, da je logika obrnjena, tako da pozitiven kontrolni signal povzroči negativen izhod.
Kako je bilo? Oh da – narobe svet – NPN in N-kanalni FET so vklopljeni s pozitivno napetostjo, PNP in P-kanalni FET pa z negativno, vsak pa je povezan z emitorjem in virom. Obe stikali na sliki 1 torej delujeta zaradi dejstva, da se kolektor-emitor (NPN) ali vir-ponor (N-kanalni MOSFET) obnašata, kadar napetost baze (UBE) ali vrat (UGS) “vidno” na višjem potencialu, kot emitor ali vir. UBE je cca. 0,65 V za bipolarne Si tranzistorje, UGS se razlikuje glede na vrsto MOSFETa, na primer za BS170 znaša vsaj 0,8 V. Referenčna točka je emitor ali vir. Povezava vhoda z R1 / R2 na sliki 1 ustvarja “ustrezne” pogoje v primeru, če se krmilna napetost Ue izvaja s stikalom, ki pozitivno napetost pripelje v stanju “vklopljeno”, vendar v izklopljenem stanju ne zagotavlja definiranega potenciala. R2 torej ohrani potencial na bazi ali vratih v nizkem potencialu. Če imata obe stanji (visoko in nizko) potencial, ki ga določa Ue, lahko R2 izpustimo.
R1 / R2 tvorita delilnik napetosti. To ima za posledico, da tranzistor preklopi le, ko je vhodna napetost Ue dovolj visoka. Ker so FETi krmiljeni napetostno, imajo vrata višjo upornost. R1 preprečuje tudi visokofrekvenčne oscilacije v MOSFET stikalu (slika 1, desno). Na sliki 1 je vrednost R1 10k za NPN tranzistor. To vrednost je morda treba prilagoditi obremenitvi, ki jo je treba preklapljati. Mora biti sposoben dovajati bazni tok, ki varno krmili tranzistor v zasičenost. Šele takrat bo tranzistor imel resnično nizko upornost s padcem napetosti približno 100 do 200 mV med kolektorjem in emitorjem. Ob tem je potrebno upoštevati faktor ojačenja ß, ki običajno znaša 100 ali več. Najdemo ga v podatkovnem listu in z njim ne smemo pretiravati, vrednosti od 20 do 50 so bolj realistične. Tok skozi R1 / R2 mora imeti vsaj trikrat večjo vrednost baznega toka I B za varno modulacijo˝a za dani faktor ojačenja toka ß, kar omogoča želen kolektorski tok (Icoll = ß * I B). Negativni predstopnji pomaga pri nadzoru z “negativno” logiko, tj. nadzorom z nizkim potencialom Ue. Tukaj T2 preklopi, ko T1 blokira, tj. Ue je nizkem potencialu.
Vezje – negacijska stopnja T1 ali stikalna stopnja T2 – je lahko mešana tako, da uporabimo bipolarne BJT ali MOSFET tranzistorje.
Preklapljanje napajalne napetosti
Pogosto se zgodi, da je treba module vklopiti le pod določenimi pogoji, na primer gonilnike in prednapetosti vrat v močnostnem ojačevalniku (PA). Če bi želeli, da se to dogaja v elektronski obliki, si z NPN ali N-kanalnimi MOSFETi ne bomo mogli pomagati, zato bomo prešli na PNP ali P-kanal MOSFET tranzistorje. V tem primeru sta emitor ali vir priključena na napajalno napetost Ub. Krmilni napetosti UBE in UGS se zdaj nanašata na Ub in ne več na maso, kot zgoraj. Krmilna logika je tudi obrnjena: PNP ali P-kanalni MOSFET preklopita, ko UBE ali UGS padeta pod prag preklopa, to je, da baza ali vrata UBE ali UGS postaneta bolj negativni, kot sta emitor ali vir. R1 določi prednapetost emitorja ali vrat z + UB, tako da je tranzistor / MOSFET zaprt. Pri prehodu Ue proti masi se napetost na dnu ali vratih spusti, tako da tranzistor / MOSFET prevaja.
Pri MOSFET-jih je treba opozoriti, da je RDS-ON odvisen od napetosti med vrati in virom (UGS) in od obremenitvenega toka skozi ponor ID. Podatkovni listi zagotavljajo informacije o tem. Primer iz podatkovnega lista P-kanalnega MOSFET BSH202: s tokom 0,5A obremenitve RDS -ON postane približno 0,6 Ω z VGS = -10V. Z UGS = -3V je RDS -ON že približno 2 Ω. Torej: UGS je treba dimenzionirati dovolj visoko z razumnim razmerjem R1 / R2.
Če želite preklopiti s “pozitivno” logiko, tj. Ue pozitivna za preklop napajalne napetosti, znova dodamo NPN tranzistor ali N-kanalni MOSFET, ki zagotavljata, da bazo ali vrata stikalnega tranzistorja potegnemo proti nizkemu nivoju.
Mešana vezava BJT / MOSFET je tudi možna tako kot v sliki 2.
Če obstaja nevarnost, da se izmenična napetost, npr. VF motnja, pojavi na stikalnem tranzistorju, jo lahko zadušimo z 10 nF ali 100 nF kondenzatorjem, vezanim na bazo ali vrata tranzistorja proti masi. Kondenzator s serijskim uporom, npr. R5 na sliki 4 tvoritaRC člen. Ker se ukvarjamo samo z začasnim vklopom in izklopom, nas to ne bo motilo.
Za vsa prikazana tranzistorska stikala je mogoče doseči tudi “gladko” preklapljanje z ustrezno izbiro serijskega upora in kondenzatorja na bazi ali na vratih stikalnega tranzistorja. S časovno konstanto τ = R * C, s katero se napetost baze / vrat dvigne z zakasnitvijo, je mogoče zadušiti zvonjenje ob vklopu, npr. nastanek klikov pri Morsejevi abecedi ali ponastavitvi Mute tipke brez klika. Članek “Laboratorijski napajalnik …” na zavihku “Station”na moji spletni strani prikazuje, kako lahko to uporabimo za izvedbo preproste zakasnitve ob vklopu.
Kratkostičenje uporov z MOSFETi
Dejstvo, da se ponor MOSFETa obnaša kot krmiljen upor, se lahko uporabi tudi za premoščanje uporov v tokokrogih. Treba je opozoriti, kar je bilo v zgornjih primerih na tiho storjeno, da je zaščitna dioda od ponora do vira vgrajena v MOSFET, z N-kanalnimi MOSFETi s katodo do ponora, s P-kanalnimi MOSFETi s katodo do vira. Za pojasnitev je zaščitna dioda v obeh spodnjih primerih prikazana modro. Ponor in vir morata torej biti vedno razporejena tako, da je zaščitna dioda polarizirana v obratni smeri. V nasprotnem primeru vezje ne bo delovalo.
S pozitivnim krmilnim signalom se zniža upornost poti ponor-vir N-kanalnega MOSFETa, kar premosti R3. Negativna povratna zanka se ojači, ker je še vedno aktiven le R2, tako da se ojačenje zmanjša na razmerje R2 / R1. Ker je izhodna napetost OpAmp višja od neinvertirajočega vhoda, je na izhodu ponor in s tem katoda zaščitne diode.
Naslednje vezje (slika 6) prikazuje nasprotno situacijo. Brez kontrolnega signala ali z napetostjo 0V na vhodu, je upor premoščen.
Tukaj je bilo treba v časovniku z NE555 nastaviti dve časovni konstanti. Brez krmilnega signala mora biti časovna konstanta krajša, kot pri prisotnem pozitivnem kontrolnem signalu. Kanal vir-ponor P-kanalnega MOSFET ima nizko upornost in premošča R1, če so vrata bolj negativna od vira, to je v stanju mirovanja brez kontrolnega signala. Časovna konstanta izhaja iz R2 in C1. Tu morata biti vir in s tem katoda zaščitne diode na pozitivnem nivoju. Če je krmilni signal pozitiven, se upornost kanala ponor-vir poveča in aktivira R1 z višjo časovno konstanto (R1 + R2) * C1.
V obeh primerih, sliki 5 in 6, lahko MOSFET, N- ali P-kanal seveda zamenjate, če želite preklopiti z drugo krmilno logiko. Zamenjate vir in ponor. Upori, ki jih je treba premostiti, so v obeh primerih veliko večji od RDS -ON.
Razlike med bipolarnimi in MOSFET tranzistorji
Bipolarni tranzistorji so tokovno krmiljeni (prek baznega toka), MOSFETi pa so napetosti krmiljeni preko vrat tranzistorja. Sprva to pri naših aplikacijah z majhno porabo ne vpliva veliko. Pomembna razlika nastane v kanalu kolektor-emitor ali vir-ponor v vklopljenem stanju.
V primeru bipolarnih tranzistorjev je napetost nasičenja UCE praktično neodvisna od kolektorskega toka (reda 100 mV) znotraj dovoljenih mejnih obremenitev, ne glede na to, kateri tranzistor imamo. Ko so MOSFET tranzistorji vklopljeni, se kanal ponor-vir obnaša kot ohmski upor, za katerega je podatek o RDS-On naveden v ustreznem podatkovnem listu.
Ta RDS-On ni nepomemben za MOSFET z majhno močjo (ponavadi nekaj ohmov) in je višji za vrste P-kanalov kot za N-kanalne FET-e iz iste družine. Glede na potreben tok ponora skozi obremenitev je v nekaterih primerih mogoče pričakovati neželen padec napetosti. Uporaba bipolarnih tranzistorjev lahko torej prinese prednosti. Lahko pa izberete MOSFET s posebej nizkim RDS-On. Primeri se nahajajo v spodnji tabeli 1.
| MOSFET | TYPE | design | R DS -On (Ω) | I D (A) |
| BS170 | N | TO92 | 5 | 0.5 |
| 2N7000 | N | TO92 | 5 | 0.2 |
| BSS138 | N | SOT23 | 3.5 | 0.2 |
| 2N7002 | N | SOT23 | 5 | 0.18 |
| IRLML2803 | N | SOT23 | 0.25 | 1 |
| BS250 | P | TO92 | 10 | -0.25 |
| BSH202 | P | SOT23 | 0.9 | -0.5 |
| BSS84 | P | SOT23 | 10 | -0.13 |
| IRLML6302 | P | SOT23 | 0.6 | -0.7 |
Tabela 1: Primeri upornosti kanala MOSFET tranzistorjev
Če je treba preklapljati močnejša bremena, lahko na primer uporabite MOSFET iz družine IRF. IRF520 lahko na primer preklopi 10A pri napajalni napetosti 100V z RDS-On = 0,12Ω. Toda s svojim ohišjem TO-220 in po možnosti s hladilnikom, potrebuje tudi več prostora na tiskanem vezju.
Integrirana MOSFET stikala
Celotna stvar je seveda mogoča tudi z integriranimi vezji. Najprej je treba omeniti legendarni CD4066, prav tako pa tudi hitra stikala FST3125/3126 (enaka v konstrukciji kot CBT3125/3126), ki so bila v radijskih postajah večkrat uporabljena kot stikala in mešalniki. QRP Project uporablja tudi CD4066 v mešalnikih. Omejimo se na univerzalni IC CD4066. Najpomembnejši podatki, kot so napisani v naslednji tabeli.
| Delovna napetost VDD | 3-15 V |
| R DS -On tipično, VDD = 5V | 270 Ω |
| R DS -On tipično, VDD = 10V | 120 Ω |
| R DS -On tipično, VDD = 15V | 80 Ω |
| Število stikal | 4 |
| Frekvenča omejitev tipično | 40 MHz |
Sodobnejši 74HC4066 z nižjim razponom delovne napetosti VDD je mogoče uporabiti do približno 100 MHz. 74LVXT4066 s 5V napajanjem doseže celo približno 150 MHz. S temi visokimi RDS-On upornostmi ponora in vira v prevodnem stanju ni mogoče preklapljati nobenih obremenitev. Naslednji primer prikazuje, kako se s CD4066 preklopijo različne nastavitvene napetosti za krmiljenje BFO v radijski postaji (TRX).
Naloga v BFO TRXa je, da povleče frekvenco kvarca BFO oscilatorja glede na režim delovanja (SSB-LSB / USB in CW-RX / TX) na različne frekvence s pomočjo varikap diode, vezane vzporedno s kristalom. Vezje je tukaj prikazano le delno. Napetosti so nastavljene s trimerji P1 in P2. Trimerji so povezani z vhodom stikal na CD4066, npr. na priključku 8 na CD4066. Izhodi stikal (priključki 2, 3, 9, 10 čipa CD4066), so povezani med seboj in vodijo v varikap diodo. Stikala CD4066 se na kontrolnih priključkih 5, 6, 12, 13 zaprejo s pozitivno napetostjo. Upora R3 in R4 vzpostavita določeno nizko stanje (izklop, ni napetosti).
Najprej naj pojasnim preprosto stikalo – USB (zgornji bočni pas). USB stikalo se uporablja za povezavo + 12 V na krmilni vhod, pin 5. Napetost, nastavljena s P2, se prenaša s pina 4 na pin 3. Spodnji krog CW-TX (telegrafija, oddajanje) predstavlja AND vrata. Poleg tega tukaj ni prikazano identično vezje CW-RX (telegrafija, sprejem), ki se aktivira tudi s CW stikalom. Če je CW stikalo zaprto, je + 12V vezano na T1 na ponor. T1 preklopi šele, ko na vrata T1 z zaprtim TX stikalom pride + 12V (CW in TX). Nato je stikalo med priključki 8 in 9 zaprto s pozitivnim potencialom na priključku 6.
Ta vrsta elektronskega stikala ne more zgolj vklopiti in izklopiti enosmernih napetosti. Izmenične napetosti (LF, VF) lahko preklapljate tudi znotraj določenih mejnih frekvenc. Primeri so implementirani v TRX s stikali FST3125/3126 za VF. Uporabiti je mogoče tudi cenejši CD4066 (z omejitvami glede mejne frekvence in visokega RDS-On). Tu je treba opozoriti, da morata dva priključka stikala (priključka 8 in 9 na sliki 7), imeti določen enosmerni napetostni potencial približno na polovici delovne napetosti. To lahko enostavno dosežemo z delilnikom napetosti na stikalnih vhodih, npr. dvakrat 10k … 100k med VDD in maso. Napajanje in praznjenje izmenične napetosti sta blokirana z ustreznim kondenzatorjem (odvisno od spodnje mejne frekvence), od 10 do 100 nF.
Poskusi preklopa izmeničnih napetosti s preprostimi spojnimi FETi, npr. BF245, J310, ponor in vir v signalni poti, so neustrezni. Za blokiranje je potrebna negativna napetost, ki običajno ni na voljo. Kanal ponor-vir ostaja na precej visoki impedanci tudi v prevodnem stanju, krmiljenje pa je zelo omejeno. Preklapljanje z ozemljitvijo z MOSFET, kot je prikazano zgoraj, je lažje in učinkovitejše.
Izkušnje z ULN2803
ULN2803 in mikrokontroler
ULN2803 in drugi IC-ji v tej družini niso nič drugega kot več tranzistorskih Darlington stikal, združenih v enem IC-ju. ULN2803, na primer, jih ima osem. To so čudovite komponente. Če morate preklopiti več kanalov, je cenejši in prihrani prostor, kot pa izvedba s posameznimi diskretnimi tranzistorji. Darlington stikala imajo naslednjo osnovno strukturo:
Stikala se aktivirajo s pozitivno napetostjo. Darlington stopnja nato poveže obremenitev med + UB in izhod Out1 na maso. Vhodni in izhodni priključki so nameščeni ločeno na nasprotnih straneh ICja. Na ULN2803 jih je osem – zelo praktično za postavitev vezja. GND je skupna masa vseh preklopnih kanalov. Prenapetostne zaščitne diode prinašajo tudi posamezni kolektorji na priključku “Com” (običajne proste diode, ki niso vezane nikamor). Te se uporabljajo pri preklapljanju relejev, ki pri preklopu ustvarijo inducirano napetost. Razvijalci so pomislili na vse. Stopnja preklopa releja s prostimi diodami na COM vratih je videti tako preprosta:
Napetost + UB lahko izberete neodvisno od delovne napetosti krmilne elektronike na vhodnih priključkih, npr. TTL 5V, odvisno od obremenitve, ki jo je treba preklopiti, z ULN2803 do 50V pri 500 mA obremenitvi. Če je treba preklopiti neinduktivne obremenitve, kot so svetilke ali LEDice, lahko povezavo s pinom “COM” izpustite (vendar ni nujno).
ULN komponente so bile že večkrat uporabljene v projektih prikazanih drugje na tem spletnem mestu, vključno s antenskim sprejemnikom.
Vendar je prisotno neprijetno presenečenje. ATmega je v nekaterih položajih stikal potegnil presenetljivo visok tok, zlasti pri vklopljenih številnih relejih. Gornji 5V regulator se je segrel. To je bilo nerazumljivo, če Darlingtoni ne bi potrebovali niti miliamper v bazi, da bi preklopili približno 25 mA na rele. Toda zdaj so črpali kar nekaj električne energije iz priključka na Atmega mikrokontrolerja.
Po razmisleku se je izkazalo, da releji in proste diode na “COM” priključku ne smejo biti vezani skupaj. Da bi zadušili inducirano napetost releja neposredno na tuljavi releja, je na vsak rele vezana prosta dioda in 100 nF kondenzator. Nizkoprepustni filtri 100 µH / 100 nF so bili vstavljeni zato, da blokirajo VF napetost oddajnika, ki bi lahko vplivala preko dovodnih vodov. Nazadnje bi morali 100 nF kondenzatorji, ki so vezani na stikalnih izhodih ULN2803, dušiti tudi zadnje ostanke VF napetosti.
To je bilo očitno preveč dobrega za ULN2803. Odklop napajalnega voda releja do COM vhoda ULN2803 (rdeči križi na zgornji sliki 10) je prinesel boljše delovanje. Zakaj običajne proste diode na “COM” priključku tako zelo slabo sprejemajo opisane zaščitne ukrepe, mi ni povsem jasno. Ne glede na to, zdaj vezje deluje.
ULN2803 in I2C razširitve
Da, res je: podatkovni list I2C razširitvenega modula PCF8574 navaja, da so izhodi visoki po vklopu napajanja in po vklopu prek I2C. Toda kdo vedno v celoti prebere podatkovne liste? Če je ULN2803 priključen na izhode, nadzoruje vseh osem izhodov. Če je osem relejev priključenih v konfiguraciji, kot je na sliki 8, so vsi hkrati aktivni in črpajo veliko toka. Obstajata dva načina, kako se izogniti temu nezaželenemu stanju.
Naredite vezje, podobno sliki 4 in ga vežite v napajalno linijo releja, pri čemer je baza ali vrata spodnjega NPN / N-kanalnega MOSFET vezana na RC element, ki vklopi napajalno napetost šele po 1-2 sekundah po vklopu, V tem času mora mikrokontroler zagnati in poslati v PCF8574 krmilni signal.
V programu mikrokontrolerja je prvi ukrep nadzor PCF8574. Preizkušeno na nadzoru Si570-LO – deluje.
