Az alábbi néhány egyszerű kapcsolás próbál segíteni megérteni a tranzisztor alapvető működését. Elsőre egy olyan kapcsolást szemlélünk, amelyben egy kapcsolót ha felkapcsolunk, akkor egy tetszőleges fogyasztó működni kezd, ha pedig a kapcsolót nyitjuk, akkor a fogyasztó leáll. Jelen esetben a fogyasztónk legyen egy LED, és egy hozzá tartozó előtét-ellenállás. Jogos kérdés, hogy mi értelme lenne ennek. Így önmagában semmi, de ha például egy nagy teljesítményű reflektort és egy kisteljesítményű kapcsolót tennénk az áramkörbe, akkor máris jogos lenne a kapcsolás „túlbonyolítása” Akkor tehát a kapcsolás:
Működése tömören: A működési feszültség kilenc volt, U0 = 9V ezt jelöltük jobb oldalt. Vastag (zöld) vonalak jelölik a főáramú részt, a vékonyabbak pedig a vezérlőelemek áramkörét. A fogyasztónk LED2 és R2 sorbakötve. R2-t a következőképpen számíthatjuk ki: Megmérjük vagy katalógusból kinézzük a LED-ünk nyitófeszültségét (úgy nagyjából). Ez nálam egy fehér LED lévén 3V. ULED = 3V Az általam használt (normál 5mm-es DIP) LED maximális teljesítménye 50mW körül van. Így a maximálisan alkalmazható üzemi árama: P=U×I rendezve: I=P/U I = 50mW / 3V = 0.05W / 3V = 0.01667 A = 16.7mA Ez a maximálisan megengedhető, de egy mai körszerű LED már század ekkora áramerősséggel is egyértelműen látható fényt ad, ezért én most 5mA-re állítom be az áramerősséget, így még mindig lesz akkora fényesség, hogy tűző napon is jól látható. R2 és LED2 sorosan kötött alkatrészek, így az áramerősségük azonos lesz, feszültségük pedig összeadódik. ILED = 5mA = IR2 Mindezek ismeretében az R2 előtét-ellenállás értékét így számítom ki: U0 = UR2 + ULED UR2 = U0 – ULED
rendezve:
UR2 = 9V – 3V = 6V R=U/I R2 = UR2 / IR2 R2 = 6V / 5mA = 1.2kΩ A tranzisztor választásnál két szempontot veszünk most figyelembe. Bírja az áramerősséget (lehetőleg minimális feszültségeséssel), és kikapcsolt állapotban viselje el a kollektor-emitterén kialakuló feszültséget. A BC550C tranzisztor esetében ez a két érték 50V és 100mA, tehát bőven elegendő lesz ide. Mivel a tranzisztornak vagy az kollektor árama, vagy a kollektor-emitter feszültsége mindig közel 0 lesz, így a teljesítménydisszipációja elhanyagolható. Minden tranzisztornak van egy ún. áramerősítési tényezője. (hFE vagy β jelöli) Ez mutatja meg, hogy a bázison az emitter felé folyó áramnak maximálisan hányszorosa tud átfolyni a kollektorból az emitterbe. Ennek az értéknek a stabilitása tranzisztorfajtánként változik, rendszerint füg a C-E (collector-emitter) feszültségtől és áramerősségtől, a hőmérséklettől, az alkatrész elöregedettségétől, elektromágneses sugárzástól, stb. A BC550C β-ja igen széles tartományok között változik, de mivel nekünk egyelőre csak az szükséges, hogy vagy legyen teljesen zárt, vagy teljesen nyitott a tranzisztor, így megfelelő (És még olcsó és könnyen beszerezhető is.) A választott tranzisztor áramerősítési tényezője adatlap szerint 420~800. Tegyük fel a legkedvezőtlenebb körülményeket, β = 400 Így a szükséges bázisáram: β = ICE / IBE IBE = ICE / β IBE = 5mA / 400 = 12,5μA Mint már mondtuk, nekünk most az a fontos, hogy a tranzisztor határozottan nyitott (!!FIGYELEM: A nyitott állapotú tranzisztor a zárt állapotú kapcsolóhoz hasonlít, a lezárt tranzisztor pedig a nyitott kapcsolóhoz. A tranzisztor olyasmihez hasonló, mint egy vízcsap, ha nyitunk még rajta,akkor jobban ereszt, ha elzárjuk akkor teljesen szigetel. Sosem árt nézni a szövegkörnyezetet !!) legyen, így ezt a minimálisan szükséges bázisáramot még növeljük kb. duplázzuk. Mondjuk legyen most 20μA. Mivel itt μA nagyságrendről van szó, így még elemes táplálás esetén sem jelent gondot ez az apró indokolatlan többletfogyasztás. Így már egyszerűen ki tudjuk számolni az R2 előtét-ellenállás szükséges értékét. IBE = 20μA = IR1 UR1 = U0 – UBE (Szilícium tranzisztoroknál UBE≈0,7V, adatlap és mérések szerint is) UR1 = 9V – 0,7V = 8,3V R1 = UR1 / IR1 = 8,3V / 20μA = 415kΩ Ilyen értékű szabványos ellenállás nincs az általában használt E24 illetve E48 sorokban, így keresek egy közelit, vagy ha ez nem volna elfogadható, akkor másik sorokban próbálok keresni (E48, E96, E192), és ha még ez sem elegendő, akkor egy állítható értékű ellenállást, ún. potenciométert (Esetleg elektronikus terhelést) használok. Szintén megoldás lehetne ilyen esetekben, hogy több ellenállásból készítek ellenállás-hálózatot. (Pl. 90Ω nem szabvány érték, ellenben a 180Ω igen. Két 180Ω-ot párhuzamosan kötve pont 90Ω-ot kapok.) Egy közeli (E24) értéket használva: R1 = 430kΩ
Ha S1 jelű kapcsolót zárjuk, akkor R1-en keresztül áram indul a bázison át emitter irányába.(kb. 19,3μA) És ennek az áramnak minimum 420-szorosa (8,1mA) tud befolyni a kollektorba, ami bőven elég lesz a LED 5mA-es áramfelvételéhez. Ugyanezekből az alkatrészekből összerakhatunk egy olyan áramkört is, amikor a kapcsoló zárt állapotában nem folyik áram a főáramkörben, viszont a kapcsolót bontva a LED világítani kezd.
Amíg a kapcsoló nyitott állapotú, addig az az állapot áll fenn, ami az előbb zárt állapotú kapcsolóval volt. Viszont amikor zárjuk a kapcsolót, akkor most elvezetjük a bázisáramot közvetlenül a földbe. Mivel a zárt kapcsolón 0V, a B-E (bázis-emitter) átmeneten pedig több mint 0,5V lenne a feszültségesés, így a teljes áramerősség a kapcsolón át fog folyni, a bázisáram nulla lesz. Szakkifejezéssel „shunt-öljük” (ejtsd: sönt-öljük) a B-E átmenetet. Így a tranzisztor lezár, és a LED elalszik. Erre akkor lehet szükségünk, ha nem megoldható nyitókapcsoló használata. Eddig NPN típusú tranzisztorokat használtunk, a gyakorlatban ezekből van nagyobb választék, és az igazán nagy terhelhetőségű darabok is ilyenek. De léteznek még PNP tranzisztorok is, amiknek legfőbb felhasználási különbségük, hogy mindent pont fordított polaritású feszültségre kell kötni. Rajzjeli külömbség az emittert jelölő kis nyílnak az iránya.
És lássuk a két iménti áramkört PNP tranzisztorokkal:
Következő áramkörünk legyen egy áramgenerátor. Az áramgenerátor egy olyan eszköz, ami a feszültségviszonyoktól (mind a tápfeszültség, mind a fogyasztó feszültsége) függetlenül stabil áramerősséget biztosít a fogyasztónak. Fogyasztónak ismét egy LED-et fogunk használni, viszont mivel most áramgenerátoros meghajtásunk lesz, nem szükséges előtét-ellenállás használata. (LED nyitóirányú áramerősség-feszültség karakterisztikája exponenciális szerű, üzemi tartományban igen meredeken változik az áramerőssége kis feszültség-különbségekre is. Ha viszont nagyjából stabil áramerősséggel hajtjuk meg a LED-ünket, akkor a feszültsége stabil marad, így a teljesítmény nem fog szélsőségesen ingadozni. Legyen a meghajtó áramerősség pl. 11,2mA. Ezen áramerősség mellet a bc550C tranzisztor továbbra is megfelel nekünk.
A működése röviden összefoglalva: A LED anódját a pozitív tápfeszültségre kötöttük, a katódot pedig a Q2 tranzisztorral húzzuk a nullára/földre R1-en és R2-n keresztül. R1 és R2 két párhuzamosan kötött ellenállás, egységként kezelhető (továbbiakban R12), eredő ellenállásuk viszonylag kis értékű: 62,5Ω, ezt az ellenállást fogjuk használni áramerősség-mérésre. Az ilyen szerepet betöltő ellenállásokat mérő-shunt-nek,
vagy shunt-ellenállásnak is szoktuk nevezni. Mikor bekapcsoljuk a tápfeszültséget, akkor a Q2-es tranzisztor elkezd kinyitni, R3 bázisellenálláson keresztül. Ahogy növekszik az áramerősség, úgy R12 ellenálláson egyre nagyobb feszültség esik. Mikor UR12 eléri a Q1 tranzisztor BE nyitófeszültségét, akkor Q1 elkezd kinyitni, és a földre húzni a Q2 bázisát, ami így lezárni kezdene. Vagyis minél nagyobb az R12 árama (IR12) annál inkább próbálja ezt megakadályozni Q1, úgy, hogy csökkenti Q2 bázisáramát. Vagyis egy negatívan visszacsatolt rendszert nyertünk. Bekapcsolás után az áramerősség villámgyorsan stabilizálódik, általában nem keletkeznek a meghajtott eszközre veszélyes áramcsúcsok. Az egyes alkatrészek méretezése: Kimenő áramunkat jelölje I0 = 11,2mA A mérő-shuntot úgy állítjuk be, hogy a szükséges áramnál pont a tranzisztor nyitófeszültsége essen rajta: R12 = UBE / I0 R12 = 0,7V / 11,2mA = 62,5Ω Ilyen szabványos érték nincs, ezért választok egy nagyobbat, R1 = 64,9Ω-ot, és kiszámolom, hogy mekkora segédellenállást kössek párhuzamosan vele. 1 / R12 = 1 / R1 + 1 / R2 R2 = 1 / ( 1 / R12 – 1 / R1 ) R2 = 1690Ω Ilyet pont találok. (Szimpla kíváncsiságból megnézhető, hogy ha 1690Ω helyett pl. 1620Ω-ot vagy 1780Ω-ot választunk (E48-as sorban két szomszéd érték.) az áramerősség elméletileg kevesebb, mint 0,2mA-t fog változni, ami azt jelenti, hogy 2%-os pontosságon belül maradnánk. Ami bőven elég is, mivel az E48-as ellenállásokra 2% hibahatárt adnak. Most már láthatjuk, hogy mi lesz a bemenő feszültség tartománya: Felső határ: U0max = 40V mivel a Q2 tranzisztor elvben 45V-ot viselne el, de jobb a békesség alapon mondjuk azt, hogy 40V. Ha ez tarthatatlan, akkor választanunk kell egy izmosabb tranzisztort. Alsó határ: U0min = 4V A mérő-shunton esik kb. 0,7V, valamennyi fog majd esni Q2 CE átmenetén is (~0,1V), Ezt az egészet kerekítsük felfelé 1V-ra. Ehhez még hozzájön a LED feszültsége, ami fajtától függően cca. 1,5-3V. (Persze előfordulhat olyan led, aminek üzemi feszültsége több mint 3V, azzal nem biztos, hogy helyesen működik az áramkör U0min környékén.) 1V + 3V = 4V Végül meghatározzuk R3 ellenállás értékét (Természetesen most is kedvezőtlen körülményeket feltételezünk): β = 400 I0 = 11,2mA IQ3bázis = 60μA > I0 × β UR3 = U0 – ( UR12 + UBE ) = U0min – 2 × 0,7V = 2,6V UR3 / I R3 = 43,33kΩ > 43kΩ = R3 Ellenőrzöm, hogy ha a tápfeszültség a maximálisra emelkedik, akkor nem-e lesz túl nagy a bázisáram. UR3max ≈ 40V IR3max ≈ 0,93mA És adatlap szerint ez teljesen elfogadható.
(Ez kevesebb mint 1mW plusz teljesítmény-disszipációt jelent.) Megjegyzés: A valóságban kisebb áramerősségre számíthatunk, mivel Q1 kis kollektoráramánál a BE nyitófeszültség csak 0,6V körüli és erősen érzékeny a kollektoráramra. Igény esetén ezt a jelenséget csökkenthetjük egy másik, kb. 10mA-es áramgenerátorral. Nagyobb kollektoráramnál már jóval kisebb a BE feszültségingadozás is. De ilyen jellegű pontatlanságok mindig is előfordulnak a gyakorlati elektronikában. Ezek orvoslása a mindenféle kompenzáció. Ez kellően kiforrt és átgondolt tervvel, akár elsőre ragyogó eredményt hoz, de van, hogy a kompenzáció kompenzációjának a kompenzációját is kompenzálni kéne valamivel... Végezetül pedig nézzünk meg egynéhány bistabil kapcsolást:
Kétszer egymásmellet látható ugyanaz a kapcsolás, különbség csupán a rajzolás módjában található. Az elsőben a szokott módon végig lettek vezetékezve a tápvonalszegmensek, a másodikon viszont minden pont ami tápra van kötve az egy nyilat, vagy egy elforgatott T betűt kapott. (Összetettebb rajzoknál sokkal átláthatóbbá teszi a kapcsolást.) Értelemszerűen az összes olyan pont, amire +9V van téve, az a valóságban és számításainkban össze van kötve egybe, és végül egy 9V-os (vagy adott körülmények között ezzel egyenértékű) áramforrás pozitív sarkára, az összes GND-nek jelölt pontot pedig az áramforrás 0V kimenetére. (Két kimenetes tápegységeknél rendszerint szoktak +/jelölést használni e helyett.) Működés: S1 és S2 helyére most nyomógombokat teszünk. Tápfeszültségre kapcsolás után mindkét tranzisztor elkezd nyitni Q2 R3-on és R2-n, Q1 pedig R4en és R1-en keresztül. Ezzel együtt az R1-R4 közös pontjának (Q2 kollektora is ide van kötve) feszültsége el kezd csökkenni, ami gátolja a tranzisztorok tovább nyitását. Ez azonban nem eredményez negatív visszacsatolást, mivel Q2 kollektoráramának csökkenése Q1 bázisáramának növekedését eredményezi. Versenyhelyzet alakul ki. A kisebb nagyobb pontatlanságok mellet is a két tranzisztor nem lesz teljesen egyforma (hasonlóan az ellenállások.), így az egyik tranzisztor fog továbbnyitni, ezzel a föld felé húzni a másik tranzisztor bázisellenállását, így csökkentve annak bázis és kollektor áramát, és ezzel együtt növelni saját bázisáramát mindaddig, amíg teljesen ki nem nyit. Ekkor az egyik tranzisztor bázisárama 0 a másikét pedig R1+R4 illetve R2+R3 által a tápfeszültségről jövő áramerősség lesz. Jelen esetben kb. 30uA. Ez BC550C-vel minimum 12mA kollektoráramot (illetve ekkora nyelőképességet) fog jelenteni. Ez R1-et vagy R2-t kényelmesen földre tudja húzni. (9V-on már 1-2mA is elegendő lenne.) Tegyük fel, hogy Q1 tranzisztor teljesen nyitott. Ha most megnyomjuk az S1 kapcsolót, akkor a következő történik: R2, Q1 közös pontját felhúzzuk a +9V-ra, így R3-on keresztül Q2 kinyit, és lehúzza Q1 bázisellenállását GND-re, így Q1 lezár. Mikor a nyomógombot felengedjük, akkor minden így marad, mert Q2 kollektora közel 0V-on van, így Q1 nem kezd el nyitni, így az R2, R3 közös pontja közel +9V-on, vagyis egy stabil állapot jött létre. Ha most megnyomjuk S2-t ugyanez pont visszafele történik: Az R3 bázisellenállást földre húzzuk, így Q2 lezár, ekkor R4+R1-en keresztül kinyílik Q1, és ez az állapot fenn is fog állni, miután felengedtük a gombot. Ennek az áramkörnek nincs kimenete, értelme csak a szemléltetés. Valamint két nyomógombot
egyszerre működtetve rövidzárlatot okozhatnánk. A következő áramkör már eleget tesz ennek a két kitételnek is.
Alapvető működése ugyanaz mint az előzőnek, amiben több, az az R5 ellenállás, amelyek a két gomb egyidejű megnyomása esetén nem enged káros túláramot folyni az áramkörben, viszont elég jó vezetőképessége van ahhoz, hogy átbillentse az áramkört. A másik bővítés pedig a két LED, amik jelzik, hogy éppen melyik tranzisztor a nyitott, vagy zárt. De akár újabb tranzisztorok bázisait is köthetnénk ide, amik egyéb fogyasztókat (motor, villanykályha, forrasztópáka, izzó, stb.) vagy nagyobb áramigényű tranzisztorokat/reléket, kapcsolnának. A kapcsolás hátránya, hogy a LED-ek nem fognak egészen kialudni, mivel az egyik LED-et az éppen nyitott tranzisztor kollektorárama, a másikat pedig annak a bázisárama fogja működtetni. (Igaz fényerősségben nagy kontraszt van a kettő között, de ha LED helyett tranzisztort tennénk ide, valószínű nem akarnánk, hogy az ne tudjon teljesen lezárni.) Következő áramkörünkben ezt már kompenzáljuk:
Módosítva lettek a kapcsolók bekötései is, így nem szükséges az előbb használt 1kΩ zárlati korlátozó ellenállás. És ez annyiban befolyásolja a logikai működést, hogy a két kapcsoló egyszeri lenyomására mindkét ág aktívként fog viselkedni. R6 és R7 ellenállások a lehető legnagyobbra válasszuk (azért most sem centizünk..) a csekély bázisáramokat (Q1 illetve Q2 bázisárama) átvezetik, de úgy, hogy a rajtuk eső feszültség kisebb, mint a velük párhuzamosan kötött félvezető nyitófeszültsége. A méretezésük röviden összefoglalva:
Ibázis Q1 ≈ 30μA < 50μA UBE Q3 ≈ 0.7V > 0.4V R = 0,4V / 50μA = 8kΩ Vagyis egy ekkora ellenálláson még 50μA áramerősség mellet is kevesebb feszültség esik, mint 0,4V. Ha ettől nagyobbat választanék, akkor a feszültségesés nőne, így kisebbet választok. Sőt, kettővel kisebbet, mert így egy a hibahatár felső széle felé levő ellenállás véletlenül sem fogja túllépni a 8kΩ-ot. (Igaz, utánaszámolással belátható, hogy az E24-ből való 7,5kΩ értéke 7,125 és 7,875 kΩ közé esik. Ennek a kettővel kisebbnek tényleges értelme akkor lenne, ha pl. az jött volna ki, hogy max. 7,6kΩ az elfogadható) R6 = 6,8kΩ Végül ellenőrzöm, hogy ha Q2 nyitott, akkor jut-e elegendő bázisáram Q3-nak. UR6 = 0,7V IR6 = U / R ≈ 100μA Tehát a kb. 1mA-es áramerősségből még marad elegendő Q3 bázisára. A Q3-as tranzisztorral működtetett tekercs lehetne akár egy mágneskapcsoló vagy relé tekercse, akár egy elektromos záré, vagy bármi egyéb 9V-os tekercs. Az ezzel párhuzamosan és záróirányban bekötött dióda védelmi szerepet tölt be: Mikor Q3 lezár, az önindukció miatt L1 áramlökést hoz létre, amit D1 dióda ha nem vezetne el, akkor az egy az áramkörre akár végzetes nagyságú feszültséglökést hozhatna létre. Dióda helyett használhatnánk ellenállást, vagy dióda és ellenállás kombinációját, vagy akár mindezt még kondenzátorral is kiegészíthetnénk, hogy a tekercs mágneses tere minél hamarabb leépüljön. Végszóként pedig egy kondenzátorral egészítsünk ki egy két LED-es áramkört:
Ha megnyomjuk az egyetlen nyomógombot, akkor az áramkör átbillen a Q1 aktív állapotba. A bázisáramot ezúttal viszont C1 kondenzátoron keresztül kapja, ami ennek hatására elkezd töltődni, és emiatt csökken az R4-re jutó feszültség, így a bázisáram is. 2μA körül (ekkor UC1≈U0-1,5V) elkezd lezárni, így Q2 nyitni, ami tovább zárja Q1-et, és az áramkör visszabillen. A D1 dióda pedig egy pillanat alatt kisüti C1-et így segítve a következő ciklusban is az azonos működést, valamint védi a Q1 tranzisztor bázisát a káros negatív feszültségtől.
Egyelőre ennyi. Jó gondolkodást hozzá!
