Reklama

Proudové posílení výstupního pinu mikrokontroléru pomocí tranzistoru

Úvod

V tomto příspěvku si ukážeme, jak lze ovládat prvky, které mají větší proudový odběr, aniž bychom proudově zatížili výstupní pin mikrokontroléru. Obvykle je to nutné řešit například při spínání relé, LED pásku nebo reproduktoru. Nejjednodušší způsob jak to udělat je použít tranzistor v zapojení jako spínač. Lze použít jak bipolární tranzistor tak i unipolární tranzistor. Zde si ukážeme základní zapojení bipolárního a unipolárního tranzistoru. Nenaleznete zde důkladný popis vnitřní struktury tranzistoru, ale pouze praktické použití tranzistoru jako spínače.

Základní popis zapojení s bipolárním tranzistorem

 
Zapojení s bipolárním tranzistorem typu NPN ukazuje Obr. 1.
nazev

Obr. 1: Zapojení s bipolárním tranzistorem typu NPN

Jak je ze schématu patrné, k zajištění správné funkce tranzistoru jako spínače, jsou potřeba navíc už pouze dva rezistory. Rezistor R1 zde slouží k nastavení proudu tekoucího do báze tranzistoru a rezistor R2 je v zapojení pro případ, kdyby byl pin procesoru ve stavu vysoké impedance, tak aby došlo k řádnému uzavření tranzistoru i v nedefinovaném stavu pinu mikrokontroléru. Pokud nemůže nastat případ odpojeného pinu mikrokontroléru, tak lze rezistor R2 vynechat. Velikost rezistoru R1 závisí na velikosti spínaného kolektorového proudu a na proudovém zesilovacím činiteli h21E (označovaný anglicky jako hFE “DC current gain”). Proudový zesilovací činitel h21E naleznete v datasheetu a např. pro tranzistor BC337-40 je to 250 – 630. Pro výpočet minimálního bázového proudu platí následující vztah:

 
Ib = Ic / h21E

Pro bezpečné otevření tranzistoru ovšem musíme použít větší než minimální proud. Osobně volím alespoň čtyřnásobek minimální hodnoty, ale můžete použít i více. Pokud je použitý i rezistor R2, musíme počítat s tím, že proud do báze je ještě menší o proud tekoucí rezistorem R2.
Vzorový příklad výpočtu pro požadovaný kolektorový proud 100 mA a pro tranzistor BC337-40:


Ib = Ic / h21E
 
Ib = 0,1 / 250
 
Ib = 0,4 mA
 

Čtyřnásobek minimální hodnoty Ib = 1,6 mA = 0,0016 A

Výpočet odporu R1:
 

R1 = UR1 / I1
 
R1 = (Ucc – Ube) / I1
 
R1 = (5-0,7) / 0,0016
 
R1 = 2688 Ω.

 
Zařazením do řady E12 vybereme rezistor 2700 Ω.
 

IR1 = UR1 / R1
 
IR1 = 4,3 / 2700
 
IR1 = 1,59 mA

 
Rezistor R2 vybereme shodný s rezistorem R1.
Proud tekoucí odporem R2:
 

IR2 = UR2 / R2
 
IR2 = 0,7 / 2700
 
IR2 = 0,259 mA
 
 
Ib = IR1 – IR2
 
Ib = 1,59 – 0,259
 
Ib = 1,331 mA

 

Pro nejnižší hodnotu h21E je možné tekoucím proudem do báze 1,331 mA získat kolektorový proud 332,75 mA. Tato hodnota by měla být dostatečná pro spínání 100 mA zátěže.
 
Vypočítané hodnoty odporů a použití konkrétního tranzistoru bylo prakticky ověřeno pro kolektorový proud cca 90 mA.
Změřené hodnoty napětí a proudu:


Ucc = 5,00 V
URz = 4,68 V
Uce = 0,34 V
Ube = 0,97 V
UR1 = 4,09 V
UR2 = 0,97 V
Ib = 1,474 mA
Ic = 89,90 mA

 

Nevýhodou při použití bipolárního tranzistoru jako spínače je jeho napětí Uce. Díky napětí Uce a proudu Ic na tranzistoru vzniká výkonová ztráta. Pokud použijete výkonový tranzistor, kde je kolektorový proud veliký a tranzistor se výrazněji zahřívá, tak se musí použít chladič. Pro tranzistor BC337-40 je Uce v plně otevřeném stavu max 0,7 V při zátěži 500 mA, tzn že na tranzistoru vznikne výkonová ztráta 350 mW.

Základní popis zapojení s unipolárním tranzistorem

 

Druhý možný způsob posílení výstupu je pomocí použití unipolárního tranzistoru. Zapojení s unipolárním tranzistorem ukazuje Obr. 2.

nazev

Obr. 2: Zapojení s unipolárním tranzistorem

Ke spínání nedochází tekoucím proudem do Gate, ale přiloženým napětím na elektrodě Gate. Do elektrody Gate neteče žádný proud, proud protéká pouze při nabíjení a vybíjení parazitní kapacity elektrody Gate. Rezistor R2 zde opět slouží pro případ nedefinovaného stavu na pinu mikrokontroléru. Velikost rezistoru R1 se může pohybovat kolem 1 kΩ, zatímco hodnota rezistoru R2 musí být větší kvůli dostatečnému napětí na elektrodě Gate např. 33 kΩ.

 

Velkou nevýhodou zapojení s bipolárním tranzistorem je jeho napětí Uce a následná výkonová ztráta tranzistoru. Při správném výběru unipolárního tranzistoru je napětí Uds v otevřeném stavu daleko menší. Např. pro tranzistor IRFZ44 je odpor pro Rds při sepnutém stavu 0,028 Ω, který pro proud Id 0,5 A vytvoří napětí 14 mV a výkonovou ztrátu 7 mW. Pro použitý tranzistor BS170 je ovšem odpor Rds od 2,5 do 5 Ω. Tato výkonová ztráta platí při statickém stavu, kdy je unipolární tranzistor sepnutý. Při frekvenčním spínání tranzistoru se také projevý parazitní kapacity Cgs a Cgd a výkonová ztráta tranzistoru vzroste. Podrobnější popis spínání unipolárních tranzistorů bude uveden v některém z následujících příspěvků.

 
Aktualizace: 22.1.2016
 

Následující a předchozí příspěvek v kategorii:

 
Následující: Použití převodníku USB – TTL UART
Předchozí: Základní zapojení LED diody
 
Tajned facebook
 

Za případné chyby v textu, ve zdrojovém kódě, nebo ve schématickém zapojení se omlouváme.
AUTOŘI NEBEROU ŽÁDNOU ODPOVĚDNOST ZA PŘÍPADNÉ ÚJMY NA ZDRAVÍ ČI MAJETKU.