Egyszerű elektronika: Tranzisztor alkalmazások II.

Az előző leckében a tranzisztoros feszültségszabályozást és az ezzel összefüggő hőtermelést vizsgáltuk meg. A szabályzókör segítségével max. 1A kimenő áramot tudtunk biztosítani az eszközön. Ám kisebb meghajtóáram és nagyobb kimenőáramra van szükségünk. Ez is megoldható! Erről szól ez a fejezet...

Az előző leckében a kapcsolótranzisztor kimeneti árama valahol 1A körül volt.

A tranzisztorunkat azzal a feltételezéssel használtuk, hogy 100-szoros erősítése van. Így az ATMega biztonsági korlátjával 10mA x 100 =1A nyerhető ki belőle - de mit tegyünk, ha nagyobb áramra van szükségünk? A válasz egyszerű: kössük őket sorba.

De hogyan lehetséges a tranzisztort sorba kötni?

Valami hasonló kialakításra kerül sor:

Darlington-szerű kapcsolás

Első ránézésre ami azonnal látszik: a bemenet és kimeneti oldal közt 2*0.7V feszültségesés van (2 db tranzisztoron a feszültségesés) - e felett vezet csak teljesen a tranzisztor. És amíg az egyes tranzisztorok erősítése 100, addig az így sorbakapcsolt tranzisztoroknak 100*100=10.000 erősítése lett! Azaz 1uA bázisáram 1A kapcsolását végezheti. Azaz, ha igazán nagy áramot akarunk kapcsolni, akkor ez a megoldás - vagy nem? Nem.

Már megint egy alattomos probléma... A bázisfeszültség 0.7V-ja zavar be az ötletbe. Amikor az első tranzisztor el kezd vezetni a második tranzisztor bázisán keresztül, ott is megjelenik ez a 0.7V feszültségesés. És ez a baj.

Az első tranzisztor 100x erősítése után az áram közvetlenül a második eszköz bázisába folyik. Ez lehet például 10mA, ami a tranzisztor 100x erősítése miatt az őt vezérlő 100uA bázisáramból származik. Így a második tranzisztor - elméletben - 10mA*100=1000mA (1A) kapcsolására képes. De a legtöbb tranzisztor ezt már nem viseli el, mert kis bázisáramra és nagy kollektoráramra tervezték őket.

De kapunk más problémát is:

Az első tranzisztor C-E átmenetén 12-0.7V = 11.3V mérhető, így még viszonylag kis áramok esetén jelentős höterhelésnek van kitéve.

Amire szükségünk lenne a problémák megoldásához, az a második tranzisztor bázisáramának korlátozása. Erre azonnal két út is kínálkozik:

 

Mindkettő út járható és még működik is. Ez a dupla erősítő fokozat, feszültségkövetőként is használható. A vázolt túláram-túlmelegedés problémára megoldás, azonban ez viszonylag ritkán alkalmazott megoldás. Inkább a következő megvalósítás terjedt el, melyet darlington-kapcsolású tranzisztornak hívnak (Sydney Darlington, az első publikálója után):

Darlington-tranzisztor rajza

A különbség a kialakításban csak egy hajszálnyi az előző megoldásokhoz képest - ám annál jelentősebb: az első tranzisztor kollektora nem a tápfeszültségre került, hanem a terhelésen keresztül kapja a tápfeszültséget - mely a második tranzisztor kollektorával közös. Paktikus előnye a megvalósításnak, hogy háromlábú maradt az eszköz - és egy sima tranzisztor helyére így egyszerűen berakható. Hiszen olyan mint egy tranzisztor: csak kisebb bázisárammal vezérelhető, nagyobb áramot kapcsolhat.

Az összekapcsolt tranzisztorok hátránya megmaradt, hiszen a C-E telítési feszültség a szabályzó-tranzisztoron magasabb, mintha egyetlen tranzisztor lenne, azaz: 0.7V + 0.4V = 1.1V. Ebből következően a hőtermelése is magasabb az önálló eszközhöz képest (P=U*I). Így a darlington-tranzisztor magasabb áramot képes kapcsolni, azonban ennek "ára" a feszültségesés és a mintegy másfélszer nagyobb hőtemelés.

A darlington-kapcsolást az előnyei miatt széles körben használják. Sőt, ha több azonos kialakításra van szükség, az egyszerűen egy IC tokban is elhelyezhető (ULN23xx illetve az ULN200x chipcsalád):

ULN2003A chip  ULN chipbelső

Ezt a chipet nagyon sok helyen lehet használni, mivel mikrokontrolleres környezetben rengeteg előnye van: minden egyes csatornája 500mA-t képes kapcsolni, maximum 50V feszültségen. Sőt a chipen belülre bekerültek a bázisellenállások is, így közvetlenül a mikrokontroller kimenetére is köthető! Az ULN23xx és ULN2000x chipek külön előnye, hogy beépítve tartalmazza a kimenetek reverz védődiódáját, ami relék és motorok vezérlésekor nélkülözhetetlen. Így egy tok felhasználásával fél marék alkatrész beültetését sikerül megúszni.

Az adatlapjából a chip csatornáinak belső szerkezete nagyon jól látszik:

Azért nem minden olyan egyszerű: ha a chip meghajtását 3.3V-ról végezzük, akkor az ULN2308 kimenete csatornánként csak 300..350 mA-l terhelhető. Úgy néz ki, hogy a chipet inkább 5V-ra tervezték, de azért 3.3V-ról is működtethető.

Összefoglalásul

A darlington-tranzisztor egy egyszerű megoldás: a normál tranzisztorhoz képest a kimeneten nagy áramokat tudjunk kapcsolni, kis vezérlőárammal.

A kapcsolótranzisztoros megoldásokról eddig nagyon sok szó esett. Többször került emlegetésre a reverz dióda vagy védődióda fogalom, amikor DC-motort vezéreltünk. A következő leckében megnézzük a miérteket.

TavIR-Facebook