Управление мощной нагрузкой постоянного тока

Блог о электронике

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1

О какой нагрузке идет речь? Да о любой — релюшки, лампочки, соленоиды, двигатели, сразу несколько светодиодов или сверхмощный силовой светодиод-прожектор. Короче, все что потребляет больше 15мА и/или требует напряжения питания больше 5 вольт.

Вот взять, например, реле. Пусть это будет BS-115C. Ток обмотки порядка 80мА, напряжение обмотки 12 вольт. Максимальное напряжение контактов 250В и 10А.

Подключение реле к микроконтроллеру это задача которая возникала практически у каждого. Одна проблема — микроконтроллер не может обеспечить мощность необходимую для нормальной работы катушки. Максимальный ток который может пропустить через себя выход контроллера редко превышает 20мА и это еще считается круто — мощный выход. Обычно не более 10мА. Да напряжение у нас тут не выше 5 вольт, а релюшке требуется целых 12. Бывают, конечно, реле и на пять вольт, но тока жрут больше раза в два. В общем, куда реле не целуй — везде жопа. Что делать?

Первое что приходит на ум — поставить транзистор. Верное решение — транзистор можно подобрать на сотни миллиампер, а то и на амперы. Если не хватает одного транзистора, то их можно включать каскадами, когда слабый открывает более сильный.

Поскольку у нас принято, что 1 это включено, а 0 выключено (это логично, хотя и противоречит моей давней привычке, пришедшей еще с архитектуры AT89C51), то 1 у нас будет подавать питание, а 0 снимать нагрузку. Возьмем биполярный транзистор. Реле требуется 80мА, поэтому ищем транзистор с коллекторным током более 80мА. В импортных даташитах этот параметр называется I_c, в наших I_к. Первое что пришло на ум — КТ315 — шедевральный совковый транзистор который применялся практически везде 🙂 Оранжевенький такой. Стоит не более одного рубля. Также прокатит КТ3107 с любым буквенным индексом или импортный BC546 (а также BC547, BC548, BC549). У транзистора, в первую очередь, надо определить назначение выводов. Где у него коллектор, где база, а где эмиттер. Сделать это лучше всего по даташиту или справочнику. Вот, например, кусок из даташита:

Обратите внимание на коллекторный ток — I_c = 100мА (Нам подоходит!) и маркировку выводов.

Цоколевка нашего КТ315 определяется так

Если смотреть на его лицевую сторону, та что с надписями, и держать ножками вниз, то выводы, слева направо: Эмиттер, Колектор, База.

Берем транзистор и подключаем его по такой схеме:

Коллектор к нагрузке, эмиттер, тот что со стрелочкой, на землю. А базу на выход контроллера.

Транзистор это усилитель тока, то есть если мы пропустим через цепь База-Эмиттер ток, то через цепь Колектор-Эмиттер сможет пройти ток равный входному, помноженному на коэффициент усиления h_fe.
h_fe для этого транзистора составляет несколько сотен. Что то около 300, точно не помню.

Максимальное напряжение вывода микроконтроллера при подаче в порт единицы = 5 вольт (падением напряжения в 0.7 вольт на База-Эмиттерном переходе тут можно пренебречь). Сопротивление в базовой цепи равно 10000 Ом. Значит ток, по закону Ома, будет равен 5/10000=0.0005А или 0.5мА — совершенно незначительный ток от которого контроллер даже не вспотеет. А на выходе в этот момент времени будет I_c=I_be*h_fe=0.0005*300 = 0.150А. 150мА больше чем чем 100мА, но это всего лишь означает, что транзистор откроется нараспашку и выдаст максимум что может. А значит наша релюха получит питание сполна.

Все счастливы, все довольны? А вот нет, есть тут западло. В реле же в качестве исполнительного элемента используется катушка. А катушка имеет неслабую индуктивность, так что резко оборвать ток в ней невозможно. Если это попытаться сделать, то потенциальная энергия, накопленная в электромагнитом поле, вылезет в другом месте. При нулевом токе обрыва, этим местом будет напряжение — при резком прерывании тока, на катушке будет мощный всплеск напряжения, в сотни вольт. Если ток обрывается механическим контактом, то будет воздушный пробой — искра. А если обрывать транзистором, то его просто напросто угробит.

Надо что то делать, куда то девать энергию катушки. Не проблема, замкнм ее на себя же, поставив диод. При нормальной работе диод включен встречно напряжению и ток через него не идет. А при выключении напряжение на индуктивности будет уже в другую сторону и пройдет через диод.

Правда эти игры с бросками напряжения гадским образом сказываются на стабильности питающей сети устройства, поэтому имеет смысл возле катушек между плюсом и минусом питания вкрутить электролитический конденсатор на сотню другую микрофарад. Он примет на себя большую часть пульсации.

Красота! Но можно сделать еще лучше — снизить потребление. У реле довольно большой ток срывания с места, а вот ток удержания якоря меньше раза в три. Кому как, а меня давит жаба кормить катушку больше чем она того заслуживает. Это ведь и нагрев и энергозатраты и много еще чего. Берем и вставляем в цепь еще и полярный конденсатор на десяток другой микрофарад с резистором. Что теперь получается:

При открытии транзистора конденсатор С2 еще не заряжен, а значит в момент его заряда он представляет собой почти короткое замыкание и ток через катушку идет без ограничений. Недолго, но этого хватает для срыва якоря реле с места. Потом конденсатор зарядится и превратится в обрыв. А реле будет питаться через резистор ограничивающий ток. Резистор и конденсатор следует подбирать таким образом, чтобы реле четко срабатывало.
После закрытия транзистора конденсатор разряжается через резистор. Из этого следует встречное западло — если сразу же попытаться реле включить, когда конденсатор еще не разрядился, то тока на рывок может и не хватить. Так что тут надо думать с какой скоростью у нас будет щелкать реле. Кондер, конечно, разрядится за доли секунды, но иногда и этого много.

Добавим еще один апгрейд.
При размыкании реле энергия магнитного поля стравливается через диод, только вот при этом в катушке продолжает течь ток, а значит она продолжает держать якорь. Увеличивается время между снятием сигнала управления и отпаданием контактной группы. Западло. Надо сделать препятствие протеканию тока, но такое, чтобы не убило транзистор. Воткнем стабилитрон с напряжением открывания ниже предельного напряжения пробоя транзистора.
Из куска даташита видно, что предельное напряжение Коллектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 составляет 30 вольт. Вкручиваем стабилитрон на 27 вольт — Profit!

В итоге, мы обеспечиваем бросок напряжения на катушке, но он контроллируемый и ниже критической точки пробоя. Тем самым мы значительно (в разы!) снижаем задержку на выключение.

Вот теперь можно довольно потянуться и начать мучительно чесать репу на предмет того как же весь этот хлам разместить на печатной плате… Приходится искать компромиссы и оставлять только то, что нужно в данной схеме. Но это уже инженерное чутье и приходит с опытом.

Разумеется вместо реле можно воткнуть и лампочку и соленоид и даже моторчик, если по току проходит. Реле взято как пример. Ну и, естественно, для лампочки не потребуется весь диодно-конденсаторный обвес.

Пока хватит. В следующий раз расскажу про Дарлингтоновские сборки и MOSFET ключи.

183 thoughts on “Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1”

Полевики , щас сам сижу над IRF540 издеваюсь от скуки , блин при частоте 36 кHZ просто работает как электроплита на нём можно яйца варить , и никакой радиатор не помогает, а хотя ток коммутации 0.2 А , а при постоянном состоянии замкнут так до двух ампер гонял и ни фига ему ни делается.

Эм-м-м.. А почему «постоянного тока»? Контактам реле какая разница то? =)

Реле и есть та самая мощная нагрузка 🙂

А.. Точно =) а то я глянул по диагонали =) И решил что ты собрался не меньше как ТЭНами рулить =)

извиняюсь на 1 мег , у мя была частота он грелся , а 36 кило , негрелся

Ну дык. 1мег, что ты хочешь от мосфета. Он на такой частоте не успевал ни открыться ни закрыться толком. Был где то посредине и грелся, т.к. превращался в обычную активную нагрузку с сопротивлением.

третьего дня у меня закончился запас кт315 (протерял остатки в своём бардаке)))

пошёл по паре радиомагазах в округе. мне говорят — «запасы кт315 иссякли, новых не будет, берите кт3102» (

так что ещё одна миниголовная боль по поиску нужного…

Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности

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:

1. Коллектор.
2. Эмиттер.
3. База.

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:

1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
2. 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:

1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
4. 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:

1. P-N-P.
2. N-P-N.

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:

1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
3. 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).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

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

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

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.

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.

12 схем автоматического реле (температура, звук, свет, влажность)

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

Реле времени (рис. 8) описано в книге П. Величкова и В. Христова (Болгария). Кратковременное нажатие на кнопку SA1 разряжает времязадающий конденсатор С1 и устройство начинает «отсчет 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.

Стоит отметить, что для столь простых схем «аналоговых» таймеров стабильность временного интервала невелика. Кроме того, нельзя до бесконечности наращивать емкость времязадаю-щего конденсатора, поскольку заметно возрастает его ток утечки.

Такой конденсатор неприемлем в схемах «аналоговых» таймеров. Существенно увеличить время экспозиции за счет сопротивления потенциометра R1 также нельзя, поскольку входное сопротивление последующих каскадов, если только они не выполнены на полевых транзисторах, невелико.

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.

Катоды диодов должны «смотреть» в сторону базы входного транзистора. Германиевый диод смещает порог срабатывания примерно на 0,3 В, а кремниевый — на 0,5 В.

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.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003.

Транзисторный ключ

С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

Здесь мы научимся выполнять расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе (БТ). Одно из распространённых их применений – согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами, семисегментными индикаторами, шаговыми двигателями и т.п.

Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Электронные ключи глубоко проникли и укоренились в области автоматики, вытеснив механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитного реле транзисторный ключ лишен подвижных механических элементов, что значительно увеличивает ресурс, быстродействие и надежность устройства. Скорость включения и отключения, то есть частота работы несравнимо выше с реле.

Однако и электромагнитные реле обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле значительно меньше, чем на полупроводниковых элементах, находящихся в открытом состоянии. Кроме того реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей с низковольтными.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания U_КЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор R_К. Обратите внимание, положительный потенциал U_КЭ посредством R_К подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания U_КЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора R_К служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением U_БЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор R_Б. Величина U_БЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания U_КЭ и управляющего сигнала U_БЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Входная статическая характеристика

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы U_КЭ. Коллекторный ток I_К близок к нулю. При этом ток в цепи базы I_К также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.

Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток I_К имеет некое значение, которое зависит от величин U_КЭ и R_К. В цепи база-эмиттер также протекает ток I_Б, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.

В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.

Расчет транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.

Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.

Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора R_К и базы R_Б. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Порядок расчета

Расчет начнем с определения сопротивления резистора R_К, который предназначен для ограничения величины тока I_К, протекающего через светодиод VD. R_К находится по закону Ома:

Величина I_К равна I_VD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение U_КЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔU_VD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔU_КЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление R_К:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала R_К = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод I_VD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы R_Б:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔU_Rб и I_Б. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔU_Rб:

U_БЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:

Для определения тока базы I_Б необходимо знать I_К, который мы ранее пересчитали (I_К = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.

Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниж е.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили R_К и R_Б по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.

Твердотельные реле. Схемы подключения

Схемы подключения твердотельных реле

В этой статье обсудим схемы подключения твердотельными реле (ТТР), и способы управления ими.

Напоминаю, для тех кто не в курсе – что такое твердотельное реле и как оно работает – обратитесь к более старой моей статье О принципах работы твердотельных реле.

Схемы включения подобных реле не очень сложны, но, как и везде, есть свои особенности.

Твердотелки – надо ли их использовать?

Для начала рассмотрим также целесообразность применения таких реле. Например, реальный случай:

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду. Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два. Поставили мы твердотелку – и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

Другой случай, когда такие реле не нужны:

Простейший контроллер температуры, точность поддержания не существенна. Нагрузка – ТЭНы, работают в воде круглосуточно. Чаще, чем раз в год, один из ТЭНов замыкает или коротит на корпус. Здесь большая вероятность того, что ТТР выгорит, так как они очень чувствительны к перегрузкам.

О перегрузках и защите твердотельных реле будет подробно сказано ниже, а в данном случае целесообразно применить обычный контактор, который прекрасно справляется с перегрузкой и стоит в 10 раз дешевле.

Поэтому, за модой гнаться не стоит, а лучше применить трезвый расчет. Расчет по току и по финансам.

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт! Но не так всё просто, подробности будут ниже.

Различия схем включения реле

По виду подключения твердотельные реле можно разделить на следующие категории:

По управлению (виду входного управляющего сигнала):

• постоянное напряжение (встречается чаще всего),
• переменное напряжение,
• постоянный ток 4-20 мА,
• переменный резистор.

По виду коммутируемого тока

• твердотельные реле переменного тока
• твердотельные реле постоянного тока

По количеству фаз

• одна фаза
• три фазы (как правило, фактически это две фазы)

В любом случае, для выбора ТТР и его схемы включения нужно руководствоваться мануалами на данное реле.

Кстати, рекомендую мою статью про трехфазное и однофазное напряжение. Терминология и отличия разжеваны не пальцах)))

Схемы подключения твердотельных реле

Теперь рассмотрим подключение твердотельного реле подробнее.

Управление твердотельными реле схемотехнически такое же, как и у обычного реле. Ниже упрощенно показана схема включения реле переменного тока с сигналом управления 24В постоянного тока:

Схема включения твердотельного реле

Схема показана для реле, у которого управляющее напряжение постоянное, от 5 до 24 Вольт. Данное реле может коммутировать переменное напряжение до 240 Вольт, ток до 20 А.

С током не всё так просто, но об этом ниже.

Как работает схема. На вход (контакты 3 и 4, соблюдать полярность!) подается управляющее напряжение от источника 24В. Подается оно через цепь управления, которая представлена как НО контакт. Этим контактом может быть и обычное реле, и выход контроллера, и датчик с релейным выходом или транзисторным выходом типа PNP.

Про НО контакты и PNP выходы датчиков я подробно написал в этой статье. Очень рекомендую!

Ещё раз напоминаю –

НЗ – это закрытые (замкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) течёт ток.

НО – это открытые (незамкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) ток не течёт.

Условные выходные контакты ТТР также будут НО, т.к. без активации цепи управления нагрузка выключена.

Теперь подробнее по управлению твердотелками.

Схемы с управлением от транзистора

Здесь транзистор может быть выходом любого полупроводникового прибора – датчика приближения, контроллера, и т.п.

Управление транзистором PNP, НО реле

Скажу, что со схемами управления, которые я взял из фирменных инструкций, полная путаница. Можете сами разобраться, а я расскажу своё мнение.

Управление транзистором PNP, НО реле

Под “нормально открытым контактом” (читали, что это, ссылку я давал выше?) подразумевается, что без управляющего напряжения (на базе транзистора) твердотельное реле не пропускает ток. Напряжение между входными контактами 3 и 4 близко к нулю, реле выключено. При подаче входного управляющего напряжения на базу транзистора (например, +5В), транзистор открывается и плюс подается на вход 3. Реле открывается, нагрузка получает питание.

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, нагрузка под напряжением.

Управление транзистором NPN, НО реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, близкое к нулю, и нагрузка без напряжения.

Управление резистором

Плавно подходим к переменному току.

Управление переменным резистором

Не путать переменный ток и переменный резистор! В данном случае твердотельное реле фактически является диммером, который изменяет скважность выходного напряжения для нагрузки, которая приспособлена для этого. Такие реле – только с коммутацией переменного тока, и включаются/выключаются 100 раз в секунду.

Схема с фиксацией и управлением кнопками (защелка)

Управление твердотельным реле с фиксацией включения

Схема включения интересна тем, что можно включать – выключать нагрузку, используя только две кнопки – Пуск и Стоп. То есть, схема такая же, как и при использовании обычного реле. Точнее, магнитного пускателя. Важно, что управляющее напряжение равно напряжению питания нагрузки.

Схема нарисована тайваньскими инженерами, попробуем разобраться в ней.

Кстати, её же можно использовать для коммутации и переменного, и постоянного тока.

Схема работает таким образом. Исходно управляющее напряжение поступает на клемму 3 ТТР с источника питания через НЗ контакты кнопки Стоп. При нажатии кнопки Пуск (слева на схеме) напряжение с другого полюса источника поступает через НО контакты на клемму 4 ТТР. Реле включается, напряжение на клемме 1 появляется, и подается через резистор (вверху схемы) на клемму 4. Прошла доля секунды, кнопку Пуск можно отпускать, нагрузка питается до тех пор, пока не будет нажата кнопка Стоп.

Схемы включения трехфазных твердотельных реле

Трехфазное твердотельное реле, схемы подключения.

Тут источник трехфазного напряжения – справа по схемам, нагрузка – слева. Управляющее напряжение может быть любым (переменным или постоянным).

Кроме того, коммутация может быть как по двум фазам, так и по трём, это важно! Подробнее ниже.

Реверсивные твердотельные реле

Существуют также специальные трехфазные твердотельные реле для реверса двигателей, у которых два управляющих входа.

Пример включения трехфазного реле – на фото ниже:

Включение трехфазного твердотельного реле

Как видно, реле не совсем трехфазное, одна фаза подается на двигатель постоянно, что может стать причиной опасности.

На корпусе реле напечатана его схема включения, где всё понятно. Реле реверсивное, и у него два входа – Forward и Reverse (Вперёд/Назад). Для реверса фазы L1 и L2 меняются местами.

Важно – внутри реле нет блокировки от одновременного включения в обоих направлениях, и ее надо обеспечить аппаратно (блокировочные контакты кнопок/реле) и программно (если управление – от контроллера). Если это не предусмотреть, то вероятна ситуация, когда силовые выходы 1, 2, 3, 4 будут замкнуты накоротко 🙁 .

Выбор твердотельных реле, защита и особенности работы

Обычное реле и контактор без особых проблем выдерживают кратковременные перегрузки до 150 и даже 200% от номинала. Особенно, если не коммутировать нагрузку с таким током, а повышать ток после замыкания, и понижать перед размыканием.

Обычные контакты могут выдержать и кратковременный ток КЗ, если сработает защита с правильной уставкой тока. Просто, возможно, придётся потом контакты почистить.

Твердотельные реле от перегрузок страдают сильнее, за пол периода портятся безвозвратно, и контакты потом не почистить, из-за отсутствия таковых.

Это как в звукотехнике. Ламповая техника при перегрузках чувствует себя нормально, только слегка “потеет”, а транзисторы начинают жутко искажать сигнал и могут выйти из строя. За это до сих пор так ценятся ламповые усилители, за их мягкий, бархатный звук на предельных мощностях. Другое дело, что источников качественного сигнала сейчас практически нет, всё заполонил mp3 128kbps, и то в лучшем случае. Но это тема отдельной статьи…

Если при выборе контактора достаточно выбрать запас в 10-20% и защитить его обычным автоматом, то с твердотельными устройствами всё сложнее.

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза. При пуске асинхронных двигателей из-за большого пускового тока запас по току нужно увеличить до 6-10 раз.

То есть, трехфазная твердотелка Fotek TSR-40AA-H на 40А, показанная на фото чуть выше, на своих 40 амперах работать вряд ли будет. Мощность двигателя, которую можно коммутировать в данном случае – от 2,2 кВт до 5 кВт. Причём двигатель 5 кВт (это около 10А) должен запускаться обязательно на холостом ходу, с минимальным пусковым моментом, а нагрузку к нему прикладывать можно после пуска и разгона.

Кстати, с индуктивной нагрузкой твердотельные реле могут вести себя неадекватно, у меня бывали проблемы. В случае высокоиндуктивных нагрузок (трансформаторы, катушки с магнитопроводами, электрические звонки, и т.п.) нужно параллельно нагрузке включать RC-цепь (снабберную цепь из последовательных резистора и конденсатора) для уменьшения влияния противо-ЭДС. Кроме того, эта цепь уменьшает общую индуктивность нагрузки, т.е. делает её более активной. И ТТР легче работать.

Напоследок – защита при КЗ

Производители рекомендуют использовать специальные предохранители для твердотельных приборов:

• gR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов(более быстродействующие , чем gS)
• gS – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов, при повышенной загрузке линии.
• aR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов от короткого замыкания.

Такие предохранители стоят дорого (сравнимы со стоимостью самого твердотельного реле), поэтому в большинстве случаев можно использовать защитные автоматы класса В. Чем же они хороши и как они спасут наши твердотельные реле от выгорания при КЗ?

Напомню, в 99% везде встречаются автоматы класса С. Класс D ставят в качестве вводных рубильников и при больших пусковых токах (мощные двигатели, трансформаторы). А класс В – самый чувствительный, срабатывает раньше всех.

Кстати, гуру электрики и электропроводки, cs-cs.net, предлагает дома ставить автоматы только В класса. И некоторые производители – рекомендуют ставить В класс на электроплиты, водонагреватели – туда, где нет двигателей и пусковых токов.

Почему – поясню на графике.

Кривые отключения или токо-временные характеристики

Подробно про выбор защитного автомата рассказано в другой статье.

Но мы вернёмся к нашему трехфазному твердотельному реле Fotek TSR-40AA-H на 40А, про которое я писал выше. Чтобы его гарантированно защитить от КЗ, надо обязательно поставить вот такой автомат:

Автомат с характеристикой В6 (обведено красным)

Он мгновенно сработает при токе 20…30 Ампер и спасет твердотелку. А от перегруза надо будет поставить мотор-автомат на ток 4-6,3 А. И это всё будет питать двигатель на 2,2 кВт, лучше меньше. Либо ТЭН, тогда мотор-автомат не нужен.

Пишите в комментариях, у кого какой опыт по применению!

Полезные файлы, возможно, написано информативнее, чем у меня:

• Твердотельные реле Фотек / Твердотельные реле Фотек. Руководство пользователя. Рассмотрена вся линейка Fotek, даны рекомендации по применению и схемы включения., pdf, 757.78 kB, скачан: 3356 раз./
• Твердотельные реле – устройство и принцип работы / Подробно изложено, как устроены и работают твердотельные реле, приведены схемы включения, и т.п. Автор, отзовись!, pdf, 414.19 kB, скачан: 3771 раз./

Где купить твердотельные реле

Если вы живете в крупном городе, то лучше конечно поехать в ближайший магазин – и через час реле можно устанавливать. Но, например, у меня в Таганроге такие реле – только под заказ, и купить их можно только через фирмы в Ростове.

Поэтому, на сегодняшний день лучший вариант – покупать твердотельные реле в интернете, через АлиЭкспресс. Цены примерно те же, но минус в том, что доставка может быть около месяца.

Пишите в комментариях, у кого какие вопросы, отзывы и опыт по применению!