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.!

 

Kis Norbert - norbimagan@freemail.hu