Электронные ключи. электронный ключ на транзисторе

Советы и рекомендации

Перед приобретением и установкой импульсного реле нелишним будет ознакомиться с наиболее распространенными ошибками, которые могут возникнуть на данном этапе. Опытные мастера, которые занимаются установкой коммутационных систем этого типа, часто советуют придерживаться следующих рекомендаций:

• Если приобретается электронное реле импульсного типа, то лучше отдать предпочтение моделям, оснащенным таймером. Благодаря наличию этой функции можно задать автоматическое отключение электроэнергии после определенного промежутка времени. Такая функция будет очень полезна для организации освещения на улице, а также в помещениях, которые посещаются часто, но ненадолго.
• Если планируется устанавливать выключатели (кнопки) с подсветкой, то следует заранее уточнить у продавца возможность работы реле с такими элементами электрической арматуры. Многие ИР очень чувствительны к появлению даже незначительного тока в электрической цепи и наличие резистивного элемента приведет к активации системы. Кроме того, прибор может испортиться, ведь катушка будет находиться постоянно под напряжением.
• Во время выполнения монтажных работ, все детали по которым движется электрический ток, должны быть хорошо изолированы. Для этой цели можно использовать специальные термоусадочные кембрики, а также ПВХ-изоленту.
• Если в доме есть маленький ребенок, то лучше установить кнопки для активации реле повыше. Такие изделия хорошо изолированы и практически безопасны во время эксплуатации, но дети часто начинают играть с кнопочками подолгу удерживая их во включенном состоянии. Подобные действия часто приводят к выходу из строя импульсные реле электромеханического типа.
• Большая часть моделей импульсных реле с катушкой рассчитана на 220 В. Такие изделия очень просто подключить к электрической сети, но если необходимо обеспечить высокий уровень безопасности во влажных помещениях, то следует выбирать модели на 12 или 24 Вольта.
• Если необходимо установить несколько импульсных реле, которые будут использоваться для выключения различных световых приборов, то следует выбирать модели с центральным управлением. Такое устройство можно принудительно выключить, подав на один из его контактов электрический ток. Следовательно, если соединить с одним выключателем несколько таких элементов, то можно одним нажатием кнопки погасить весь свет в доме.
• Если нет желания или возможности приобретать новые кнопки для включения света посредством импульсного реле, то можно переделать обычные выключатели. Для этой цели необходимо установить небольшие пружины под клавиши, чтобы после прекращения нажатия они возвращались в исходное положение.
• При установке большого количества импульсных выключателей, для экономии места, кнопки можно располагать в одном подрозетнике.

Импульсное реле является очень интересным по своей конструкции и функционалу изделием, которое можно и нужно использовать для организации более комфортного управления осветительными приборами. Если будет выбрано качественное устройство, а установка изделия будет осуществлена без ошибок, то такая система прослужит в течение многих лет.

Управление полевым транзистором от микроконтроллера

При управлении полевыми МОП-транзисторами непосредственно с выхода микроконтроллера следует помнить о нескольких вещах: пороговое напряжение транзистора UGSth, входная емкость транзистора, уровень напряжения, если стоит P-канальный.

Резистор R2 (схема выше) удерживает транзистор закрытым при выключении микроконтроллера. Его сопротивление не критично, обычно его принимают в пределах 10 кОм — 100 кОм. С другой стороны, резистор R1 снижает ток потребляемый с выхода микроконтроллера, при изменении логического состояния. Точное значение определить сложно, поэтому оно может быть в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом. Схема для MOSFET-P будет работать только тогда, когда напряжение питания микроконтроллера и схемы, управляемой транзистором, одинаковы.

Для полного открытия полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвор-исток, в 2 — 3 раза превышающее пороговое напряжение. Если производитель указывает, что например у BUZ11, пороговое напряжение UGSth не более 4 В, то полное открытие произойдет при UGS = 8 — 12 В. Так что управление им с микроконтроллера на 5 В точно будет некорректным. Понадобится использовать транзистор с более низким пороговым напряжением, например IRLML0030, где максимальное UGSth = 2,3 В.

Входная емкость полевого МОП-транзистора составляет от нескольких сотен пикофарад до нескольких нанофарад. Выход микроконтроллера может проводить ток в несколько десятков миллиампер. Это означает, что время перезарядки затвора значительно. Например, току 20 мА требуется 1 мкс, чтобы перезарядить емкость 4 нФ на 5 В.

Так что если: транзистор с высоким пороговым напряжением UGSth должен быть активирован, напряжение питания микроконтроллера очень низкое (например 1,8 В), сигнал ШИМ имеет высокую частоту, или транзистор с каналом P подключен к гораздо более высокому напряжение (например, 24 В), тогда необходимо использовать драйвер MOSFET. На рынке есть множество таких типов микросхем. Они обеспечат соответствующую скорость переключения и регулируют уровни напряжения. Пример — TC4426. Он работает с напряжением до 18 В и хорошо поддерживает выходы микроконтроллеров даже от 3,3 В.

Включение нескольких реле в схемах на микроконтроллере

Если реле в устройстве много, то их проще всего подключить к MK по принципу «одно реле на одну линию порта». Получается линейка из N независимых каналов. Схемотехника каждого канала аналогична включению одиночного реле. Управление несколькими реле может производиться как синхронно, так и асинхронно во времени в зависимости от требуемого алгоритма работы устройства.

Существуют также специфические схемы включения, характерные именно для двух и более реле (Рис. 2.114, a…e).

Рис. 2.114. Схемы подключения нескольких реле к одному MK (начало):

а) микросхема Д4/содержит 7 транзисторных ключей с открытым коллектором. Внутренние защитные диоды позволяют подключать реле Kl…K7 прямо к выводам DAL Максимальное напряжение коммутации 50 В. Ток нагрузки на один канал до 500 мА при общей нагрузке на все выходы не более 2.5 А. Оптимальный вариант, когда число каналов DA1 равно числу реле;

б) при повышенном напряжении питания используется последовательное соединение реле Kl… Кпу управляемых одним ключом VT1. Количество реле рассчитывается по сумме напряжений на каждом из них. Если сумма больше, чем напряжение питания, то реле не сработают, если сумма меньше, то реле будут перегреваться (надо ставить последовательный гасящий резистор). Недостаток — при «перегорании» обмотки одного реле, остальные перестают работать;

в) параллельное включение реле Kl… Kn по надёжности выше, чем последовательное. Через мощный транзистор VT2 протекает сумма токов всех реле, что приводит к увеличению его напряжения «коллектор — эмиттер» в открытом состоянии и ухудшает КПД. Транзистор VT2 следует поставить на радиатор или, ещё лучше, применить мощный полевой транзистор;

г) реле Kl… K10no очереди срабатывают в зависимости от скважности импульсов, генерируемых на выходе MK через канал ШИМ. Частота следования импульсов должна быть достаточно высокой (десятки килогерц), чтобы на выводе 5 микросхемы DA1 (фирма National Semiconductor) после фильтра R1, C1 было постоянное напряжение с минимумом пульсаций;

Рис. 2.114. Схемы подключения нескольких реле к одному MK (окончание):

д) реле K1 включается ВЫСОКИМ уровнем с выхода MK через транзистор K77, а реле К2 — от внешнего устройства (сигнал UBX) через транзистор VT2. При срабатывании одного из реле (любого), второе не может быть включено из-за открытого диода Шоттки VD2 или VD4\

е) реле K1 включается тиристором VS1, а выключается контактами реле K2.

Tweet Нравится

• Предыдущая запись: Радиолампы Одесского радиозавода
• Следующая запись: Семисегментные ЖК-модули в схемах на микроконтроллере

О СВОЙСТВАХ ТРАНЗИСТОРОВ (2)
НЕМНОГО О ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ (0)
ТРАНЗИСТОРЫ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ (0)
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТРАНЗИСТОРОВ (0)
ИСПЫТАТЕЛИ МАЛОМОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ (0)
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ р-n ПЕРЕХОДА (0)
Необычная работа МОП-транзистора в синхронном мостовом выпрямителе (3)

Расчёт транзисторного ключа

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Практические советы

Опубликовано: 27.11.2019 13:45

Просмотров: 2425

Для транзисторного ключа не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току. Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток определяется по справочнику или datasheet на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле:

h21э=Iк/Iб Iк — ток колектора Iб — ток базы В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через лампу, а ток базы — это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (Iвых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107

Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор

Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1. Рисунок 1 – Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле: UR1=U1-Uб=2,4В-0,7В=1,7В . Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него: R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом . При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали, чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 2. Рисунок 2 – Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока В схеме, приведённой на рисунке 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 3) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора. Рисунок 3 – Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока Iко транзисторного ключа резистором. В схеме, приведённой на рисунке 3, можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен: IR2=4 мА/3 =1,3 мА . Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В. R2 = Uб/IR2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно, и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Проблемы однополярного контроля IGBT

При использовании однополярного сигнала на затворе IGBT уменьшается «зазор» между нулевым напряжением выключения, формируемым драйвером (V_Goff = 0), и пороговым уровнем открывания транзистора V_GE(th), при котором он начинает переходить в проводящее состояние. Типовое справочное значение V_GE(th) находится в диапазоне 5–6,5 В при температуре кристалла T_j = +25 °C. По мере нагрева чипа порог отпирания IGBT увеличивается на несколько мВ/К.

При малой разнице между V_GE(th) и V_Goff возрастает риск ложного включения IGBT, которое может быть вызвано эффектом Миллера или влиянием паразитной индуктивности в цепи эмиттера. Оба механизма будут объяснены более подробно далее. Следствием ложного срабатывания IGBT является возникновению сквозного тока и генерация дополнительных потерь, в худшем случае это может привести к выходу транзисторов из строя.

Следует также учитывать тот факт, что при униполярном способе управления меняется время задержки переключения IGBT и (в зависимости от поколения и технологии изготовления транзистора) уровень динамических потерь.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

1. Биполярный транзистор.
2. Резистор для ограничения входного тока.
3. Полупроводниковый диод.
4. Электромагнитное реле.
5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Что выбрать

1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Динамические характеристики при однополярном и двуполярном управлении

Для проведения испытаний был выбран 35-А модуль IGBT MiniSKiiP 24NAB12T4V1, включающий в себя выпрямитель, тормозной чоппер и трехфазный инвертор (рис. 5). Рабочие режимы анализировались в одной фазной стойке инвертора, представляющей собой полумостовой каскад (ТОР IGBT и ВОТ IGBT) с антипараллельными диодами. В модуле установлены кристаллы с рабочим напряжением 1200 В: Trench 4 IGBT и FWD CAL4.

Рис. 5. Внешний вид и электрическая схема модуля MiniSKiiP NAB

Для оценки динамических характеристик модуля используется стандартный «2-пульсный» тест, нагрузка имеет индуктивный характер. На рис. 6 показана базовая схема испытаний транзистора верхнего плеча ТОР IGBT (справа) и нижнего плеча BOT IGBT (слева), а также типовые эпюры напряжения на затворе V_GE, коллекторе V_CE и тока коллектора I_C. В зависимости от выбранного режима работы включается верхний или нижний IGBT, оппозитный транзистор удерживается драйвером в заблокированном состоянии.

Рис. 6. Схема и типовые эпюры стандартного «2-пульсного» теста

Измерения динамических свойств IGBT при обоих способах управления производились в одинаковых условиях:

V_CC = 600 B;

T_j = +150 °C;

R_Gon = R_Goff = 18 Ом;

I_C = 35 A.

На рис. 7 представлены эпюры переключения IGBT при биполярном (вверху) и уни­полярном (внизу) способе управления.

Рис. 7. Переключение IGBT при биполярном (вверху) и униполярном (внизу) способе управления

Сравнение осциллограмм показывает, что эпюры тока коллектора I_C и напряжения «коллектор–эмиттер» V_CE практически одинаковы как при включении, так и при выключении. Соответственно, расчетные значения энергии потерь также будут близкими. Причина этого легко объяснима. Процесс переключения IGBT начинается, когда напряжение на затворе достигает порогового уровня. Скорость коммутации определяется временем заряда внутренних емкостей полупроводникового элемента и, следовательно, количеством носителей заряда, поступающих в затвор в течение определенного времени. Поскольку управляющее напряжение при включении (определяется разницей между пороговым значением V_GE(th) и полным выходным напряжением драйвера V_GE) в обоих случаях одинаково, равны и потери включения E_on.

*Определение t_d(on) и t_d(off) по рис. 7

Потери E_off также почти совпадают, что объясняется особенностями процесса выключения IGBT Trench 4. Если запирание транзистора производится не отрицательным, а нулевым напряжением (V_Goff = 0 В) при таком же сопротивлении затвора R_Goff, меньше оказывается и ток i_G, разряжающий внутренние емкости полупроводника. Уменьшение величины i_G при таком же напряжении на затворе достигается использованием большего номинала R_G. Таким образом, однополярный режим управления может обеспечивать такие же динамические характеристики, как и двуполярный, при соответствующем выборе R_G. Соответствующее значение сопротивления достаточно точно определяется с помощью выражения:

R_G’ = R_G × V_GE(th) –V_{G(off_bipolar)} × V_GE(th).

Как видно из рассмотрения рис. 8, потери выключения E_off IGBT Trench 4 почти не изменяются в широком диапазоне изменения сопротивления затвора. До тех пор пока расчетное значение R_G’ находится в области, где величина E_off неизменна, униполярный и биполярный режим управления по уровню потерь очень близки.

Рис. 8. Зависимость энергии динамических потерь модуля MiniSKiiP 24NAB12T4V1 от сопротивления затвора RG

Для других поколений и технологий IGBT, у которых существует более выраженная связь между E_off и R_G, при униполярном режиме управления потери выключения возрастают. Количественно эти отличия можно оценить по аналогии с приведенной выше формулой для резистора затвора.

Разница наблюдается при измерении времени задержки включения t_d(on) и выключения t_d(off). Как видно из рассмотрения рис. 7, задержка увеличивается в режиме выключения и уменьшается в режиме включения. Данную особенность необходимо учитывать при задании «мертвого» времени t_DT.

Какие дополнительные аксессуары необходимо приобрести для подключения импульсного реле

Для монтажа схемы потребуются:

• кнопочные выключатели в количестве, соответствующем числу мест управления;
• силовой провод или кабель, выдерживающий основную нагрузку от светильников;
• слаботочная проводка, обеспечивающая параллельное подключение всех кнопок с импульсными реле
• обычный инструмент электрика.

Кнопочные выключатели

Подойдут любые модели, работающие без фиксации нажатого положения с самовозвратом за счет усилия встроенной пружины. Это могут быть:

• сделанные на заказ уникальные изделия с оригинальным дизайном и одной, двумя, тремя клавишами в общем корпусе;
• переделанные выключатели освещения;
• кнопки дверного замка, даже снабженные индикатором подсветки;
• другие аналогичные устройства.

Подобные кнопочные изделия можно удачно вписать в красивый интерьер квартиры.

Функция самовозврата кнопки в отключенное положение встроенной пружиной важна: отдельные производители указывают в описаниях, что время подачи напряжения на катушку не должно превышать одну минуты — иначе может сгореть ее изоляция.

С точки зрения электрика для надежности схемы нас интересует то, что при нажатии на кнопку ее контакт должен замкнуться, а после отпускания надежно вернуться в разомкнутое положение.

Силовой провод для освещения

Для обеспечения условий безопасности и надежности длительной эксплуатации важно правильно рассчитать его характеристики по мощности нагрузки. Облегчить этот процесс призван наш онлайн калькулятор

Слаботочная проводка

В принципе подойдет любой провод или кабель, но ввиду кратковременного действия очень маленькой нагрузки имеет смысл сэкономить на его стоимости и габаритах, положить обычную медную телефонную «лапшу» или витую пару с определенным количеством жил.

Также можно использовать любой тонкий медный проводник

Основное внимание при его выборе следует уделить всего двум вопросам:

1. состоянию электрической изоляции;
2. механической прочности жил, способных выдерживать нагрузки при монтаже и эксплуатации.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине