Transistorn som elektronisk strömbrytare
Postat: 14 maj 2005, 10:30:56
Jag tror att det behövs en guide här, där det beskrivs hur man använder transistorer (bipolära och MOSFET) som elektroniska strömbrytare.
Här kommer en början till guide som jag kommer att fylla på så småningom.
Problem I: Jag vill kontrollera en last som kräver högre matningsspänning äv vad min krets kan ge ut
Ovanstående problem kan man enkelt lösa med en transistor. Jag har märkt att många vill använda optokopplare i sådana här fall, men det är helt onödigt om man inte måste ha elektrisk isolation mellan lasten och övriga kretsar.
I nedanstående exempel vill jag driva ett 12V-relä från utsignalen av en uC (5V).
En bipolär transistor fungerar som en strömförstärkare, och förstärker strömmen som kommer in på basen. Man kan se övergången bas-emitter som en diod, och i ovanstående koppling behöver man ett motstånd på basen för att inte kortsluta ner +5V till jord.
Här kommer förutsättningarna:
I(reläspole) = 50mA.
Det första steget är att ta reda på hur mycket ström reläet vill ha för att dra. Denna information hittar man oftast i reläets datablad. I mitt exempel har jag antagit att reläspolen drar 50mA.
Nu måste vi välja en transistor som klarar av en kollektorström (Ic) på minst 50mA. Jag valde i detta exempel en BC547C, eftersom den är billig och har en maximal kollektorström på 100mA.
Nästa steg är att bestämma hur mycket ström som måste gå in i basen för att transistorn skall leda maximalt (bottna). Observera att även om jag väljer en basström så att transistorn kan leda maximalt med ström (100mA), så kommer bara 50mA att gå igenom transistorn i mitt exempel.
Nu måste vi ta reda hur stor strömförstärkning (Hfe) BC547C har. Databladet ger att Hfe tydligen varierar mellan 420 och 800 (då Ic är 2mA). En Hfe på 420 innebär att den ström som går in på basen förstärks 420 gånger.
För att få en ström på 50mA genom reläspolen, måste vi nu teoretiskt ha en basström på Ib = Ic / Hfe = 0,05/420 = 0,11mA.
I verkligheten är det bättre att titta på värdet VCEsat. Detta värde anger spänningen mellan kollektor och emitter när transistorn bottnar.
Ur databladet: VCEsat = 200mV vid Ic = 100mA och Ib = 5mA.
Detta ger en praktisk Hfe på endast 20ggr.
Vi kan nu välja en basström på 5mA.
Nu måste vi välja ett värde på R1, så att basströmmen blir ungefär 5mA. I ovanstående koppling blir spänningen över R1 (5V - Ube). Spänningen Ube är spänningsfallet bas-emitter, och detta är konstant runt 0,7V (0,9V enligt databladet).
Spänningen över R1 blir nu (5-0,7)V = 4,3V.
Nu använder vi bara ohms lag, och räknar ut hur stort motståndet skall vara:
R = U/I = 4,3/0,005 = 860 ohm
820 ohm finns i E12-serien av motstånd, så det blir ett lämpligt värde.
Ett basmotstånd på 820 ohm kommer alltså att se till att transistorn bottnar, och släpper igen 50mA till reläspolen.
Dioden D1 i schemat är till för att skydda transistorn. När transistorn bryter strömmen genom reläspolen, kommer det att bildas en spänningsspik på (-)-sidan av reäspolen som kan bli flera hundra volt hög. Detta kommer att förstöra transistorn, och därför brukar man sätta en diod över reläspolen som kortsluter denna spänningsspik tillbaka till reläets (+)-sida.
Om man vill ha en konstant ström genom lasten (exempelvis drivning av en lysdiod) kan man lägga motståndet mellan emitter och jord istället:
Denna koppling kallas emitterföljare eller spänningsföljare.
Om man gör en potentialvandring från basen ner till jord, inser man att det kommer att ligga en konstant spänning på (5V - Ube) = 4,3 volt över R1. Detta kan utnyttjas för att ordna en konstant ström genom lysdioden.
Om vi vill ha en konstant ström på 20mA genom lysdioden, får vi dimensionera R1 så att det kommer att flyta 20mA även genom denna. Samma ström (Basströmmen kan försummas) flyter ju genom både lysdioden och R1.
Detta ger: R1 = 4,3 / 0,02 = 215 ohm. 220 ohm finns som motståndsvärde, så det blir ett lämpligt värde.
Ovanstående krets kommer att se till att lysdioden få 20mA genom sig, när spänningen till lysdioden varierar mellan 7 och 32V. Gränsen på 32V kommer av att spänningen mellan kollektor och emitter på transistorn (Uce) då blir 25V, och transistorns maxeffekt på 0,5W har uppnåtts.
Däremot kan man inte använda nedanstående koppling för att driva 12V-reläet:
Kopplingen ovan blir också en emitterföljare, och spänningen över reläspolen blir här också (5V - Ube) = 4,3V, d.v.s. INTE 12V.
Kommande: PNP och MOSFET:ar
Här kommer en början till guide som jag kommer att fylla på så småningom.
Problem I: Jag vill kontrollera en last som kräver högre matningsspänning äv vad min krets kan ge ut
Ovanstående problem kan man enkelt lösa med en transistor. Jag har märkt att många vill använda optokopplare i sådana här fall, men det är helt onödigt om man inte måste ha elektrisk isolation mellan lasten och övriga kretsar.
I nedanstående exempel vill jag driva ett 12V-relä från utsignalen av en uC (5V).
En bipolär transistor fungerar som en strömförstärkare, och förstärker strömmen som kommer in på basen. Man kan se övergången bas-emitter som en diod, och i ovanstående koppling behöver man ett motstånd på basen för att inte kortsluta ner +5V till jord.
Här kommer förutsättningarna:
I(reläspole) = 50mA.
Det första steget är att ta reda på hur mycket ström reläet vill ha för att dra. Denna information hittar man oftast i reläets datablad. I mitt exempel har jag antagit att reläspolen drar 50mA.
Nu måste vi välja en transistor som klarar av en kollektorström (Ic) på minst 50mA. Jag valde i detta exempel en BC547C, eftersom den är billig och har en maximal kollektorström på 100mA.
Nästa steg är att bestämma hur mycket ström som måste gå in i basen för att transistorn skall leda maximalt (bottna). Observera att även om jag väljer en basström så att transistorn kan leda maximalt med ström (100mA), så kommer bara 50mA att gå igenom transistorn i mitt exempel.
Nu måste vi ta reda hur stor strömförstärkning (Hfe) BC547C har. Databladet ger att Hfe tydligen varierar mellan 420 och 800 (då Ic är 2mA). En Hfe på 420 innebär att den ström som går in på basen förstärks 420 gånger.
För att få en ström på 50mA genom reläspolen, måste vi nu teoretiskt ha en basström på Ib = Ic / Hfe = 0,05/420 = 0,11mA.
I verkligheten är det bättre att titta på värdet VCEsat. Detta värde anger spänningen mellan kollektor och emitter när transistorn bottnar.
Ur databladet: VCEsat = 200mV vid Ic = 100mA och Ib = 5mA.
Detta ger en praktisk Hfe på endast 20ggr.
Vi kan nu välja en basström på 5mA.
Nu måste vi välja ett värde på R1, så att basströmmen blir ungefär 5mA. I ovanstående koppling blir spänningen över R1 (5V - Ube). Spänningen Ube är spänningsfallet bas-emitter, och detta är konstant runt 0,7V (0,9V enligt databladet).
Spänningen över R1 blir nu (5-0,7)V = 4,3V.
Nu använder vi bara ohms lag, och räknar ut hur stort motståndet skall vara:
R = U/I = 4,3/0,005 = 860 ohm
820 ohm finns i E12-serien av motstånd, så det blir ett lämpligt värde.
Ett basmotstånd på 820 ohm kommer alltså att se till att transistorn bottnar, och släpper igen 50mA till reläspolen.
Dioden D1 i schemat är till för att skydda transistorn. När transistorn bryter strömmen genom reläspolen, kommer det att bildas en spänningsspik på (-)-sidan av reäspolen som kan bli flera hundra volt hög. Detta kommer att förstöra transistorn, och därför brukar man sätta en diod över reläspolen som kortsluter denna spänningsspik tillbaka till reläets (+)-sida.
Om man vill ha en konstant ström genom lasten (exempelvis drivning av en lysdiod) kan man lägga motståndet mellan emitter och jord istället:
Denna koppling kallas emitterföljare eller spänningsföljare.
Om man gör en potentialvandring från basen ner till jord, inser man att det kommer att ligga en konstant spänning på (5V - Ube) = 4,3 volt över R1. Detta kan utnyttjas för att ordna en konstant ström genom lysdioden.
Om vi vill ha en konstant ström på 20mA genom lysdioden, får vi dimensionera R1 så att det kommer att flyta 20mA även genom denna. Samma ström (Basströmmen kan försummas) flyter ju genom både lysdioden och R1.
Detta ger: R1 = 4,3 / 0,02 = 215 ohm. 220 ohm finns som motståndsvärde, så det blir ett lämpligt värde.
Ovanstående krets kommer att se till att lysdioden få 20mA genom sig, när spänningen till lysdioden varierar mellan 7 och 32V. Gränsen på 32V kommer av att spänningen mellan kollektor och emitter på transistorn (Uce) då blir 25V, och transistorns maxeffekt på 0,5W har uppnåtts.
Däremot kan man inte använda nedanstående koppling för att driva 12V-reläet:
Kopplingen ovan blir också en emitterföljare, och spänningen över reläspolen blir här också (5V - Ube) = 4,3V, d.v.s. INTE 12V.
Kommande: PNP och MOSFET:ar