Как сделать прерыватель на транзисторе

Обновлено: 05.07.2024

Начало

Хочется реализовать удаленное управление светом и вытяжкой.
Выключатели есть одно- и двух-секционные (свет и свет+вытяжка).
Выключатели установлены в стене из гипсокартона.
Вся проводка — трехпроводная (присутствует фаза, нуль, защитное заземление).

Третий пункт — обуславливает некоторую гибкость в выборе форм-фактора выключателя (реально снимается существующий выключатель, демонтируется монтажная коробка, внутрь стены монтируется готовое устройство, возвращается монтажная коробка и монтируется выключатель назад).

Вводные данные ясны, можно двигаться дальше.

Принципы и элементная база

Для этого обычные двухпозиционные (включено-выключено) выключатели заменим на аналогичные по дизайну выключатели без фиксации (кнопки):

Радиоканал будем организовывать с помощью nRF24L01+:

Модуль, как известно, толерантен к 5В-сигналам на входах, но требует для питания в 3.3В, соответственно, в схему добавим еще линейный стабилизатор L78L33 и пару конденсаторов к нему.

Дополнительно добавим блокировочные конденсаторы по питанию МК.

МК будем программировать через ISP — для этого на плате модуля предусмотрим соответствующий разъем.

Радиомодуль подключается на шину SPI (таким образом, подключаем пины колодки с 1 по 8 на GND, 3V3, D10 (CE), D9 (CSN), D13 (SCK), D11 (MOSI), D12 (MISO), D2 (IRQ) — соответственно).
ISP — вещь стандартная и подключается следующим образом: подключаем пины разъема с 1 по 6 на D12 (MISO), VCC, D13 (SCK), D11 (MOSI), RESET, GND — соответственно).

Для новичков поверхностный монтаж покажется достаточно сложной темой, но реально это не так страшно (правда, при наличии более-менее приличной паяльной станции с феном). На youtube очень много видео-роликов с уроками по SMD — очень рекомендую ознакомиться (сам начал использовать SMD пару месяцев назад, учился как раз по таким материалам).

микроконтроллер — atmega168 в корпусе TQFP32 — 1 шт.
транзистор — MMBT2222ALT1 в корпусе SOT23 — 2 шт.
диод — 1N4148WS в корпусе SOD323 — 2 шт.
стабилизатор — L78L33 в корпусе SOT89 — 1 шт.
реле — 833H-1C-C — 2 шт.
резистор — 10кОм, типоразмер 0805 — 1 шт. (подтяжка RESET к VCC)
резистор — 1кОм, типоразмер 0805 — 1 шт. (в цепь базы транзистора)
конденсатор — 0.1мкФ, типоразмер 0805 — 2 шт. (по питанию)
конденсатор — 0.33мкФ, типоразмер 0805 — 1 шт. (по питанию)
электролитический конденсатор — 47мкФ, типоразмер 0605 — 1 шт. (по питанию)

Проектирование

Для этого воспользуемся замечательной программой — EAGLE.

Мой алгоритм создания схемы и платы был примерно следюущий (ключевая последовательность):

Теперь уже можно определиться с подключением ключей и кнопок (смотрю, какие пины ближе к соответствующим цепям и которые проще будет подключить на плате), для этого хорошо перед глазами иметь следующую картинку:

Транзисторные ключи подключаем на пины D3, D4.
Кнопки — на A1, A0.

У меня получилась платка размером 56х35мм.

Вуаля, можно приступать к изготовлению печатной платы.

Изготовление печатной платы

Плату делаю методом ЛУТ (Лазерно-Утюжная Технология). В конце поста есть ссылка на материалы, которые мне очень помогли.

Далее плату травлю в растворе хлорного железа (не допуская недо- и пере-травливания).

Тонер смываю ацетоном.

Контроль качества

Лужение, сверление

Когда все готово — отмываю плату с обычным жидким мылом.

После этого уже можно сверлить плату.
С отверстиями диаметром более 1мм все достаточно просто (просто сверлю и все — надо только вертикальность постараться соблюсти, тогда выходное отверстие попадет в отведенное ему место).

Монтаж элементов

Теперь можно приступать непосредственно к монтажу элементов.

Электронный выключатель нагрузки – это устройство, не имеющее движущихся частей, которое работает как реле. Обычно два полевых МОП-транзистора действуют как переключающий элемент, один из которых является N-канальным, а другой – P-канальным.

Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки

Когда переключатель нагрузки (транзистор Q1 на схеме) включен, временно протекает большой ток, намного превышающий установившийся. Если заряд конденсатора близок к нулю, возникает большой бросок тока, напряжение подается на выход Vo, что приводит к мгновенному и большому заряду в протекающем токе. Этот чрезмерный ток часто называют пусковым.

Пик пускового тока в значительной степени определяется входным напряжением Vi, сопротивлением Rds (on) полевого МОП-транзистора Q1, ESR емкости CL на стороне нагрузки и увеличивается вместе с входным напряжением Vi. Чрезмерно большой пусковой ток может вызвать сбои или неисправности схемы. Превышение максимального номинального тока также может привести к повреждению.

Но добавляя конденсатор C2 параллельно резистору R1, подключенному между затвором и истоком полевого МОП-транзистора Q1, можно замедлить снижение напряжения затвора, что постепенно уменьшит Rds (on) и сгладит пусковой ток.

Противодействие пусковому току (когда переключатель нагрузки Nch MOSFET включен)

Переключателем нагрузки тут выступает MOSFET RSQ020N03, Vin = 5 В, Io = 1 А.

Переключатель Q1 включен, когда Q2 выключен (напряжение затвора Q1 будет больше, чем Vo (Q1 Vgs)).
Переключатель нагрузки Q1 выключен, когда Q2 включен.
В качестве контрмеры был добавлен C2 для минимизации пускового тока при включении Q1.

Эквивалентная схема переключателя нагрузки

Даже когда переключатель нагрузки Q1 переключается с ВКЛ на ВЫКЛ, напряжение на выходном выводе Vo будет всё-ещё оставаться в течение определенного периода времени в зависимости от емкости CL нагрузки на выходной стороне.

Если напряжение на Vi ниже чем Vo, обратный ток может течь с выхода Vo на вход Vin через паразитный диод, образованный между стоком и истоком полевого МОП-транзистора Q1. Необходимо убедиться, что номинальный ток полевого транзистора Q1 не превышается ни при каких обстоятельствах. Кроме того, при определении значения емкости входного шунтирующего конденсатора CIN, следует учитывать время нарастания с учетом условий нагрузки.

Вот эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки:

А теперь перейдём к практике и соберём реально работающий переключатель нагрузки на силовом полевом транзисторе MOSFET. Тут обычный небольшой ползунковый переключатель будет управлять функцией включения / выключения питания.

Схема переключателя силового полевого МОП-транзистора

Эта схема является альтернативой мощным тумблерам, поскольку в ней используется небольшой ползунковый переключатель слабого тока коммутации для управления полевым МОП-транзистором, который может держать уровень рассеиваемой мощности примерно до 50 Вт. Схема также имеет встроенную оптопару, которая упрощает управление полевым МОП-транзистором с помощью гальванически изолированного внешнего сигнала или цифрового выхода микроконтроллера (Ардуино например). Более того, поскольку основной ток не проходит через механический ползунковый переключатель / оптопару, можно использовать различные, даже самые слабые компоненты.

Обратите внимание, что схема не имеет функций защиты входа от обратной полярности, поэтому напряжение постоянного тока и внешний управляющий сигнал следует вводить в схему с правильной полярностью. Кроме того, может потребоваться изменить значение резистора R3 ограничителя тока оптопары (по умолчанию 220 Ом), если планируется использовать нестандартный внешний управляющий сигнал.

Идеи по проектированию устройства

Переключатель нагрузки состоит из двух основных элементов – транзистора и механизма управления, как показано на схеме. Проходной транзистор чаще всего представляет собой полевой МОП-транзистор (N-канальный или P-канальный), который передает напряжение на заданную нагрузку, когда он открыт. Выбор P-канального или N-канального MOSFET зависит от конкретных потребностей устройства. Но P-канальный MOSFET имеет явное преимущество перед N-канальным в простоте механизма управления включением / выключением. Здесь N-канальный MOSFET требует дополнительной шины напряжения для затвора (P-канальный не требует).

Базовая схема переключателя нагрузки силового полевого МОП-транзистора

На рисунке показан пример схемы переключателя нагрузки с P-канальным силовым МОП-транзистором. Здесь внешний переключатель / управляющий сигнал включает и выключает MOSFET через слабый транзистор. Когда вход переключателя / управления имеет низкий уровень, тот транзистор выключен, а затвор полевого МОП-транзистора подтягивается до VIN. Но когда вход переключателя / управления высокий по уровню, малосигнальный транзистор включается, затвор полевого МОП-транзистора опускается, и он включается тоже. Пока входное напряжение на шине выше порогового напряжения полевого МОП-транзистора, он будет включаться, когда вход переключателя / управления находится в состоянии высоком, без необходимости в дополнительном источнике напряжения. Подтягивающий резистор выбирается таким образом, чтобы через него проходил небольшой ток, когда малосигнальный транзистор включен (стандартный диапазон сопротивления от 1 кОм до 10 кОм).

Проще говоря, полевой МОП-транзистор можно рассматривать как переменный резистор, сопротивление сток-исток которого (Rds) является функцией разности напряжений на выводах затвор-исток (Vgs). Если нет разницы потенциалов между затвором-истоком, тогда сопротивление сток-исток очень велико и ток не течет. С другой стороны, если имеется соответствующее напряжение затвор-исток, сопротивление сток-исток очень низкое и действует как замкнутый переключатель, таким образом ток течет через него в нагрузку.

Транзистор MOSFET должен иметь номинальный постоянный ток превышающий максимальный ток нагрузки предлагаемого применения.

Тестирование на макетной плате переключателя нагрузки с силовым полевым транзистором показано на фото.

В общем предлагаемое схемное решение уже много раз доказало свою ценность в различных проектах (в том числе в автомобиле), как надёжный, безопасный и долговечный коммутатор.

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

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.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

От микроконтроллера через переход "база - эмиттер".
При этом канал "коллектор - эмиттер" открывается.
Через канал "коллектор - эмиттер" можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов - около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала "эмиттер - коллектор" может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу "эмиттер - коллектор", выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h_21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе "коллектор - эмиттер" он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах "база - эмиттер" может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

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:

Биполярный транзистор.
Резистор для ограничения входного тока.
Электромагнитное реле.
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.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Пример транзисторного переключателя.

Транзисторный переключатель — это схема, которая с помощью небольшого управляющего тока может создавать в другой схеме ток значительно большей величины. Ее работу помогают понять правила, приведенные выше. Когда контакт переключателя разомкнут, ток базы отсутствует. Значит, как следует из правила 4 для биполярных транзисторов, отсутствует и ток коллектора. Лампа не горит.

Когда переключатель замкнут, напряжение на базе составляет 0,6 В (диод база‑эмиттер открыт). Падение напряжения на резисторе базы составляет 9,4 В, следовательно, ток базы равен 9,4 мА. Если, не подумав, воспользоваться правилом 4, то можно получить неправильный результат: I_K = 940 мА (для типичного значения β = 100). В чем же ошибка?

Дело в том, что правило 4 действует лишь в том случае, если соблюдено правило 1; если ток коллектора достиг 100 мА, то падение напряжения на лампе составляет 10 В. Для того чтобы ток был еще больше, нужно чтобы потенциал коллектора был меньше потенциала земли. Но транзистор не может перейти в такое состояние. Когда потенциал коллектора приближается к потенциалу земли, транзистор переходит в режим насыщения (типичные значения напряжения насыщения лежат в диапазоне 0,05‑0,2 В) и изменение потенциала коллектора прекращается.

В нашем случае лампа загорается, когда падение напряжения на ней составляет 10В. Если на базу подается избыточный сигнал (мы использовали ток 9,4 мА, хотя достаточно было бы иметь 1,0 мА), то схема не тратит этот избыток. В нашем случае это очень выгодно, так как через лампу протекает большой ток, когда она находится в холодном состоянии (сопротивление лампы в холодном состоянии в 5‑10 раз меньше, чем при протекании рабочего тока).

Кроме того, при небольших напряжениях между коллектором и базой уменьшается коэффициент β, а значит, для того чтобы перевести транзистор в режим насыщения, нужен дополнительный ток базы. Иногда к базе подключают резистор (с сопротивлением, например, 10 кОм), для того чтобы при разомкнутом переключателе потенциал базы наверняка был равен потенциалу земли. Этот резистор не влияет на работу схемы при замкнутом переключателе, так как через него протекает лишь малая доля тока (0,06 мА).

При разработке транзисторных переключателей вам пригодятся следующие рекомендации:

Сопротивление резистора в цепи базы лучше брать поменьше, тогда избыточный базовый ток будет больше. Эта рекомендация особенно полезна для схем, управляющих включением ламп; так как при низком значении U_КЭ уменьшается и коэффициент β. О ней следует помнить и при разработке быстродействующих переключателей, так как на очень высоких частотах (порядка мегагерц) проявляются емкостные эффекты и уменьшается значение коэффициента β . Для увеличения быстродействия к базовому резистору параллельно подключают конденсатор.

Если потенциал нагрузки по какой‑либо причине меньше потенциала земли (например, если на нагрузке действует напряжение переменного тока или она индуктивная), то параллельно коллекторному переходу следует подключить диод. Тогда цепь коллектор‑база не будет проводить ток при отрицательном напряжении на нагрузке. Можно также использовать диод, включенный в обратном направлении по отношению к положительному потенциалу питания.

При использовании индуктивных нагрузок транзистор следует предохранять с помощью диода, подключенного к нагрузке

При подключении индуктивной нагрузки следует всегда использовать подавляющий диод.

Читайте также: