Как сделать из транзистора реле
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 04.10.2024
Делов на пару минут, а результат просто бомбический!
Всем бонжорно. Сегодня я соберу простую, но очень интересную схему РЕЛЕ ПОВОРОТОВ всего на одном полевом транзисторе.
Это будет схема проще которой трудно себе представить.
Транзистор IRF444 является, пожалуй, самым распространенным и доступным транзистором. Он используется во множестве схем, в том числе и в схемах многих самодельщиков!
Схему я собрал навесным монтажом, хотя точнее будет сказать - 3D монтажом.
Вначале я подключил к ней светодиодную лампочку на 12 вольт 10 ватт, но для визуального эффекта РЕЛЕ ПОВОРОТА лучше использовать лампу накала.
Поэтому я подключил лампочку накаливания на 10 ватт от автомобильного фонаря. Маленький транзистор стал конечно греться не по детски, так что рекомендую ставить радиатор.
Вот теперь РЕЛЕ ПОВОРОТА смотрится намного лучше.
Данная схема не нуждается в настройке и при правильной сборке работает без проблем. Все подробности по сборке и тестированию схемы РЕЛЕ ПОВОРОТА на одном полевом транзисторе вы сможете посмотреть в данном видеоролике!
Альтернатива электромеханическому реле — ключ на полевом транзисторе
Ключ на полевом транзисторе: именно о нем, как компоненте заменяющего электромеханическое реле пойдет речь в этой статье. В течение многих лет я пользовался электронным трансформатором подающим напряжение питания на самодельную паяльную станцию и датчик контроллера температуры. Модуль контроллера имеет в своем составе реле, которое ночью, когда уже готовишься ко сну, то ее постоянное щелканье конкретно действует на нервы.
Вот такая неординарная ситуация вынудила меня принимать необходимые меры, чтобы избавится от этих раздражающих щелчков. Собственно требовалось убрать из схемы это электромагнитное реле, а на ее место установить дискретный полупроводниковый прибор MOSFET IRF540N в паре с оптроном PC817, обеспечивающий управление транзистором. Однако можно задействовать только один полевик, без оптрона, да и то не во всех схемах это получится.
Представленная здесь схема электронного транзисторного реле, собственно это и есть ключ на полевом транзисторе, изготовленного на компактной печатной плате и соединенного проводами с платой контроллера.
Сейчас, после такой модернизации устройства в помещении стоит абсолютная тишина, малогабаритный теплоотвод, который виден на фотографии, оказался совсем не при делах, так как полевой транзистор вообще не греется, несмотря на многочасовую работу.
Электронные компоненты IRF540N и PC817 применялись исходя из их наличия, а не потому, что это обязательное условие. Поэтому их можно свободно заменить другими элементами с подходящими электрическими параметрами, таких как ток и напряжение.
В случае повторения схемы нужно взять во внимание несколько определенных советов: действующее напряжение на затворе транзистора составляет примерно 6 В, что явно маловато для полного и корректного открытия переходов транзистора. Желательно поменять постоянный резистор включенный между затвором и оптроном PC817 на сопротивление с номиналом в 1 кОм, а также лучше будет убрать резистор из цепи коллектора оптопары.
Релейные схемы используются в системах авторегулирования: для поддержания заданной температуры, освещенности, влажности и т.д. Подобные схемы, как правило, похожи и в качестве обязательных узлов содержат датчик, пороговую схему и исполнительное или индикаторное устройство (см. список литературы).
Релейные схемы реагируют на превышение контролируемого параметра над заданным (установленным) уровнем и включают исполнительное устройство (реле, электродвигатель, тот или иной прибор).
Также возможно оповещение звуковым или световым сигналом о факте выхода контролируемого параметра за пределы допустимого уровня.
Термореле на транзисторах
Термореле (рис. 1) выполнено на основе триггера Шмитта. В качестве датчика температуры используется терморезистор (резистор, сопротивление которого зависит от температуры).
Потенциометр R1 устанавливает начальное смещение на терморезисторе R2 и потенциометре R3. Его регулировкой добиваются срабатывания исполнительного устройства (реле К1) при изменении сопротивления терморезистора.
Рис. 1. Схема простого термореле на транзисторах.
В качестве нагрузки в этой и других схемах этой главы может быть использовано не только реле, но и слаботочная лампа накаливания.
Можно включить светодиод с последовательным токоограничивающим резистором величиной 330. 620 Ом, генератор звуковых колебаний, электронную сирену и т.д.
При использовании реле контакты последнего могут включать любую электрически изолированную от цепи датчика нагрузку: нагревательный элемент либо, напротив, вентилятор.
Для защиты выходного транзистора от импульсов напряжения, возникающих при коммутации обмотки реле (индуктивной нагрузки), необходимо включать параллельно обмотке реле полупроводниковый диод.
Так, на рис. 1 анод диода должен быть соединен с нижним по схеме выводом обмотки реле, катод — с шиной питания. Вместо диода с тем же результатом может быть подключен стабилитрон или конденсатор.
Термореле на тиристоре
Термореле [МК 6/82-3] (рис. 2) имеет выходной каскад с самоблокировкой на тиристоре.
Рис. 2. принципиальная схема термореле на транзисторе и тиристоре.
Это приводит к тому, что после срабатывания схемы выключить сигнализацию можно только после кратковременного отключения питания устройства.
Простой термоиндикатор
Термореле (рис. 3), или, говоря точнее, термоиндикатор, выполнен по мостовой схеме [ВРЛ 83-24]. Когда мост сбалансирован, ни один из светодиодов не светится. Стоит температуре повыситься, включится один из светодиодов.
Рис. 3. Принципиальная схема простого термо-индикатора на одном транзисторе и светодиодах.
Если температура, напротив, понизится, загорится другой светодиод. Чтобы различать, в какую сторону изменяется температура, для индикации ее повышения можно использовать светодиод красного свечения, а для индикации понижения — светодиод желтого (или зеленого) свечения. Для балансировки схемы вместо резистора R2 лучше включить потенциометр.
Фотореле на транзисторах
Фотореле (рис. 4) отличается от термореле (рис. 16.1) тем, что вместо терморезистора использован фоточувствительный прибор (фотодиод или фотосопротивление).
Рис. 4. Принципиальная схема простого фото-реле на транзисторах.
Фотореле с двухкаскадным усилителем
Схема фотореле, показанная на рис. 5, содержит двухкаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах разного типа проводимости.
Рис. 5. Принципиальная схема фотореле с двухкаскадным усилителем.
При изменении электрического сопротивления фотодиода и, соответственно, смещения на базе транзистора VT1, увеличится коллекторный ток выходного транзистора усилителя VT2, и напряжение на резисторе R2 возрастет.
Как только это напряжение превысит напряжение пробоя порогового элемента — полупроводникового стабилитрона VD2, включится оконечный каскад на транзисторе VT3, управляющий работой исполнительного механизма (реле).
Использование в схеме порогового элемента (полупроводникового стабилитрона) повышает четкость срабатывания фотореле.
Фотореле со звуковой сигнализацией
Фотореле (рис. 6) является таковым не в полной мере, поскольку реагирует на изменение освещенности плавным изменением частоты генерируемых колебаний [B.C. Иванов].
Рис. 6. Принципиальная схема фотореле со звуковой сигнализацией.
В то же время это устройство может работать совместно с измеряющими частоту приборами, частотно-избирательными реле, сигнализировать высотой звукового сигнала об изменении освещенности, что может быть весьма актуально для слабовидящих.
Схема реле влажности, реле уровня жидкости
Реле влажности или реле уровня жидкости (рис. 7) так же, как и некоторые из вышеприведенных схем выполнено на основе триггера Шмитта [МК 2/86-22].
Рис. 7. Принципиальная схема реле влажности, реле уровня жидкости.
Порог срабатывания устройства устанавливают регулировкой потенциометра R3. Контакты датчика влажности выполнены в виде медного (Си) и железного (Fe) стержней, погруженных в землю.
При изменении содержания влаги в земле электропроводность среды и сопротивление между электродами меняются. С увеличением смещения на базе транзистора VT1 он открывается.
Коллекторный и эмиттерный токи транзистора возрастают, что приводит к росту напряжения на потенциометре R3 и, соответственно, к переключению триггера.
Реле срабатывает. Устройство может быть настроено на уменьшение электропроводности земли ниже заданной нормы. Тогда, при срабатывании исполнительного устройства, включается система автоматического полива земли (растений).
Реле времени
Рис. 8. Принципиальная схема реле времени на транзисторах.
В процессе заряда конденсатора напряжение на его обкладках плавно увеличивается. В итоге, через некоторое время реле сработает, и включится исполнительное устройство.
Скорость заряда конденсатора, а, следовательно, и время выдержки (время экспозиции) можно изменять потенциометром R1. Реле обеспечивает максимальное время экспозиции до 10 сек при указанных на схеме параметрах элементов. Это время может быть увеличено за счет увеличения емкости конденсатора С1, либо сопротивления потенциометра R1.
Аналоговые таймеры (реле времени) широко используют при фотопечати, для задания времени выполнения каких-либо процедур. Эти устройства используются, например, для получения воды, ионизированной серебром.
Реле что реагирует на уровень напряжения
Реле напряжения (рис. 9, 10) используются для контроля заряда или разряда элементов питания, аккумуляторов, контроля напряжения питания, поддержания напряжения на заданном уровне. Схемы, описанные в книге П. Величкова и В. Христова, предназначены для контроля разряда (рис. 9) или перезаряда (рис. 10) аккумулятора.
Рис. 9. Принципиальная схема реле для контроля разряда аккумулятора.
Рис. 10. Принципиальная схема реле для контроля перезаряда аккумулятора.
При необходимости напряжение срабатывания этих устройств может быть изменено. Порог срабатывания задается типом стабилитрона. Для изменения в небольших пределах порога срабатывания подобных реле последовательно со стабилитроном можно включать 1 — 3 германиевых Щ9) или кремниевых (КД503, КД102) диодов в прямом направлении.
Для цепочки из двух, трех диодов эти значения удваиваются (утраиваются). Промежуточные значения напряжений можно получить при последовательном включении германиевого и кремниевого диодов (0,8 В).
Акустическое реле
Акустическое реле (рис. 11, 12) используют для контроля уровня шума, а также в составе систем охранной сигнализации [Б.С. Иванов, М 2/96-13]. Помимо прочего, такие схемы часто используют в системах связи — в устройствах голосового управления каналом связи.
Рис. 11. Принципиальная схема акустического реле.
Рис. 12. Принципиальная схема акустического реле на транзисторах.
Так, при разговоре автоматически и без вмешательства оператора происходит переключение радиостанции или линии связи с приема на передачу. Устройство содержит датчик звукового сигнала — микрофон, в качестве которого можно использовать обычный микротелефонный капсюль, усилитель низкой частоты, детектирующее и исполняющее (релейное) устройство.
Коэффициент усиления УНЧ определяет чувствительность акустического реле. На микрофон может быть установлен звукоулавливающий рупор для повышения направленных свойств акустического реле. Резонансный фильтр, включенный после УНЧ, позволяет акустическому реле реагировать только на звук определенной частоты и игнорировать остальные звуки.
Простейшая схема электронного контактного реле на транзисторе приведена на рис. 7.1.
В исходном состоянии, т. е. в отсутствие входного сигнала, транзистор закрыт благодаря наличию источника смещения подключенного через резистор к базе и обеспечивающего отрицательный потенциал базы относительно эмиттера при самых неблагоприятных условиях. Для надежного запирания транзистора должно выполняться условие
где — обратный ток, протекающий в базе закрытого транзистора при самой высокой рабочей температуре.
Напряжение по абсолютному значению обычно выбирают, пользуясь соотношением
При подаче входного сигнала, например ступеньки отпирающего напряжения, равного , транзистор открывается и в его базовой цепи скачком возникает ток
вызывающий появление коллекторного тока.
Коллекторный ток скачком возрасти не может из-за инерционных свойств транзистора и обмотки реле. Если пренебречь инерционностью транзистора, то коллекторный ток нарастает по экспоненциальному закону
с постоянной времени — индуктивность обмотки реле), стремясь к уровню .
Если , то значение определяет рабочий ток реле. При транзистор входит в режим насыщения и рабочий ток реле равен коллекторному току насыщения:
Когда ток коллектора при своем нарастании достигнет значения , начнет двигаться якорь реле и через время его контакты займут рабочее положение.
Положив в формуле , получим
откуда легко определить время трогания
Учитывая, что , можно найти время срабатывания реле
В момент снятия входного напряжения Е через базу транзистора протекает обратный ток способствующий быстрому запиранию транзистора. При уменьшении коллекторного тока до значения реле возвращается в исходное состояние.
При выборе транзистора следует учитывать, что напряжение на коллекторе закрытого транзистора может существенно превышать напряжение источника питания из-за ЭДС обратного выброса, возникающей при запирании транзистора и направленной согласно с напряжением . Для устранения обратного выброса коллекторного напряжения или колебательного процесса в коллекторной цепи параллельно обмотке реле включают диод, который отпирается, если напряжение на коллекторе превысит напряжение и шунтирует обмотку реле.
Электронное контактное реле позволяет существенно уменьшить мощность управления, однако быстродействие его ограничивается временами срабатывания и отпускания электромеханического реле, являющегося его составной частью. Поэтому в быстродействующих системах автоматического управления, как правило, применяются бесконтактные электронные реле, например триггер митта, принципиальная схема которого и временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы, приведены на рис. 7.2, а, б. В исходном состоянии при транзистор закрыт, а 2 открыт и находится в режиме насыщения. Условие насыщения транзистора определяется соотношением
при рассмотрении триггера Шмитта индекс 2 относится к параметру транзистора , а индекс 1 — к параметру .
Предполагая, что , и пренебрегая обратным током транзистора , а также падением напряжения на переходах транзистора , условие насыщения (7.9) приближенно можно записать следующим образом:
— падение напряжения на резисторе от протекания тока эмиттера транзистора .
Условие запирания транзистора
при выполняется автоматически, так как .
При увеличении входного напряжения транзистор открывается при , т. е. когда
Напряжение является пороговым уровнем, определяющим уровень срабатывания .
При появляется коллекторный ток , приращение которого через конденсатор С передается в базу транзистора создавая запирающий базовый ток и выводя транзистор из режима насыщения.
Ток уменьшается. Это приводит к уменьшению эмиттерного напряжения и, следовательно, большему отпиранию т. е. дальнейшему возрастанию тока Таким образом, в схеме действует положительная обратная связь, создаваемая резистором . Процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока транзистор не войдет в режим насыщения, не закроется. При этом напряжение на выходе схемы изменится от значения до .
Кроме положительной обратной связи резистор создает еще и отрицательную обратную связь, которая препятствует отпиранию транзистора . Однако действие положительной обратной связи гораздо сильнее, так как приращение эмиттерного тока за счет положительной обратной связи больше, чем за счет отрицательной
Для обеспечения насыщения транзистора при срабатывании триггера необходимо выполнить условие .
Условие запирания при насыщении выполняется автоматически, так как, пренебрегая падением напряжения на переходах насыщенного транзистора , можно записать Тогда
При дальнейшем увеличении входного сигнала состояние триггера не изменяется, лишь увеличивается ток базы транзистора .
При снижении же входного напряжения до значения ток базы уменьшается настолько, что транзистор выходит из режима насыщения. Напряжение увеличивается, что приводит к отпиранию . Напряжение , при котором происходит отпирание транзистора , называется пороговым напряжением отпускания . После отпирания триггер Шмитта перебрасывается в исходное состояние, когда транзистор закрыт, открыт и насыщен. Выходное напряжение изменяется от значения до .
Напряжение всегда меньше так как определяется моментом выхода транзистора из режима насыщения и увеличим до значения, при котором будем иметь равенство
после преобразований найдем
При формула (7.16) упрощается, т. е.
Если элементы схемы рассчитаны так, что получается то триггер Шммта превращается в обычный двухкаскадный усилитель с обратной связью.
Электронное реле можно выполнить и на основе операционного усилителя (ОУ) без обратной связи.
При включении такого ОУ даже небольшое входное напряжение (доли милливольт) вызывает скачкообразное изменение выходного напряжения до определенного уровня, называемого уровнем насыщения .
В зависимости от знака входного напряжения уровень насыщения может быть положительным и отрицательным. Например, в схеме так называемого детектора нуля (рис. 7.3, а) при положительном входном напряжении будем иметь отрицательный уровень насыщения и, наоборот, при отрицательном входном напряжении — положительный уровень насыщения (рис. 7.3, б).
Схема триггера Шмитта на ОУ с положительной обратной связью и временные диаграммы его работы приведены на рис. 7.4, а, б.
При входном сигнале , меньшем порогового напряжения срабатывания схемы , выходное напряжение определяется положительным уровнем насыщения. При выходное напряжение изменяется от до уровня и остается равным ему до тех пор, пока не станет меньше порогового напряжения отпускания . При выходное напряжение снова скачком изменяется от до .
Схема возвращается в исходное состояние. Пороговое напряжение срабатывания и отпускания можно найти по формуле
где — положительный или отрицательный уровень насыщения выходного напряжения при определении или соответственно.
Из формулы (7.18) видно, что пороговое напряжение существенно зависит от значения опорного напряжения .
Читайте также: