A tranzisztort, mint kapcsolóelemet használhatjuk. Az előző fejezetben egyszerű kapcsolót készítettünk az NPN tranzisztorból, most ezt tovább építjük és erősítésről, hídról, hőtermelésről lesz szó…
Az előző leckében egy kis felszínkapargatás történt. Most picit mélyebbre ásunk, és megnézzük a való életben a tranzisztor működését.
Vegyük elő az NPN tranzisztor szimbolikus rajzát:
Első lépésben ami nagyon fontos, hogy a tranzisztorra, mint félvezetőből felépített eszközre tekintsünk. Ennek első modell-részlete, hogy a bázis és az emitter közti diódával képben legyünk. Ennek első következménye, hogy – ahogy a diódán – kb. 0.7V feszültségesés mérhető a Bázis-Emitter átmeneten.
Így az előző leckében végzett modellszámításunkat már pontosíthatjuk is. Amikor a bemenetre kapcsolt 3.3V-tal számoltunk, és a bázisellenálláson átfolyó áramot számoltuk, akkor az emitter – bázis átmenetet hanyagoltuk. Ezzel korrigálva: az ellenállás két pontja közt 3.3V – 0.7V = 2.6V mérhető. Így az átfolyó áram 3.3mA helyett 2.6mA-re adódik.
A számítás
Az előző leckében már számoltunk, elméletben mindent körbejártunk. Az elvi megközelítés rajzát megnézve, számos következtetést levonhatunk:
Az In bemenetre 0V-t kapcsolva a működést már körüljártuk…
A félvezető felépítésnek számos következménye van. Ez például, hogy nem ideális vezetők. Amivel számolhatunk, hogy például a kollektor-emitter közt kb. 0.4V maradékfeszültség van jelen. Így a korábbi számolásaink frissítése ennek tükrében:
- A bemenetre 3.3V kapcsolva, a bázison 0.7V esik, így a bázisáram 2.6mA,
- A tranzisztor 100-as erősítési tényezője alapján (hFE=100) a kollektoráram maximum 260 mA lehet,
- A kollektoráramot az R2 ellenállás limitálja,
- Az R2 felső részén 3.3V-t mérhetünk, a tranzisztor C-E átmenetén 0.4V esik. Így a kollektoráram (3.3V-0.4V)/100ohm=29mA,
- 2.6mA a bázison jön, 29mA a kollektoron, így az emitteren 2.6+29 = 31.6mA folyik át.
Végre ismerjük a feszültség és áramtérképet, így eljutottunk oda, hogy veszteséget számolhassunk!
Veszteség
Ez nagyon egyszerű, hisz a P=UxI képletben minden ismert: 2.6mA x 0.7V = 1.82mW a bázisáram számláján, 29mAx0.4V a kollektoráram miatt. Így a kettő összege: kb. 13.4mW.
Hogy mit jelent ez? Amint a tranzisztoron átfolyik áram, hőtermeléssel kell számolnunk!
Szerencsére a 13.4mW nem olyan sok, hogy problémát okozna. Azonban, ha nagyobb áramokat kapcsolunk, akkor ez a számolás megmutatja, hogy
1, működik a rendszer vagy
2, túlmelegszik és megsemmisül.
A mellékelt rajz megmutatja, hogy az AVR chip kimeneti lába hogyan képes egy motort ki/bekapcsolni egy tranzisztorral:
Tudjuk, hogy az ATMega chip kimenete néhány mA terhelésre készült. Némi feszültségeséssel is számolhatunk. Hogyan számolhatjuk ki mégis, hogy mekkora legyen az R1 ellenállás? És különben is milyen tranzisztorra van szükségünk?
Ezeket a paramétereket elsősorban a motor fogja meghatározni. A kis motor 12V feszültségű és úgy kell terveznünk, hogy ne a tranzisztor legyen a szűk keresztmetszet. A legrosszabb esetben a motor nem indul el – mivel induláskor a működési áramfelvételének 4-6szorosát is felveheti. Az indulási áramfelvétel néhány amper is lehet, míg normál üzemben néhány 100 mA árammal kell kalkulálni. A “lefogott” motor áramfelvétele jól közelíti az indulási áramfelvételt.
Ok, most, hogy tudjuk mire számoljunk a motoráram ügyében, a következőket kell a tranzisztornál figyelembe venni:
- Hogy biztosan a maximális áramot tudjuk kapcsolni, a bázisárammal ne spóroljunk. A 10 mA valószínűleg elég lesz,
- A logikai kimenet H szintje legroszabb esetben 2.5V és a bázis-emitter részen is esik 0.7V. Így az R1 ellenállás (2.5V-0.7V)/10mA = 180 ohm,
- Feltételezzük, hogy a tranzisztor erősítése hfe=100,
- Ennek következményeként a kapcsolható áram 100 x 10 mA =1000 mA = 1A.
Ha a motor indítási árama nagyobb mint 1A, akkor valami csúnya dolog történik: a kollektor és emitter közt a 0.4V telítési feszültség el kezd nőni, amíg az áramerősség le nem csökken 1A-re.
És ez miért gond? A hőhatás miatt!
Hőtermelés
A motor tetején 12V feszültségünk van. Igényel 2A indítási áramot. A tranzisztor a bázisáram és az erősítése miatt 1A-re képes. És megtörténik, amit nem szeretnénk: a kollektor-emitter átmenet feszültsége nő. A motorra 4V, míg a tranzisztorra 8V feszültség jut.
De egy hibát elkövettünk: a tranzisztoron 8V esik, ám 1A-t átvezet! Így a rajta keletkező hő: 8W – hőenergiaként távozik. Ha a tranzisztornak nincs elegendő hűtése vagy nem ilyen teljesítményre találták ki, akkor füstölni fog, szép tűzijáték kíséretében.
Egyszerűen a hiányzó áram okozza ezt. Ha a tranzisztor képes lenne 2A átvezetésre, akkor a hőtermelése 2A x 0.4V = 0.8W-ra csökken. Egytizede a korábbi “füstgépnek”!
A megoldásra számos lehetőség kínálkozik. Ebbe nagyon nem ásnék bele, elég hogyha a számításokra nézel. Lehet más erősítésű tranzisztor, vagy akár nagyobb bázisárammal meghajtott. Azonban a bázisellenállás elhagyása az ATMega chip I/O vezérlésének vagy a tranzisztornak a halálát okozza!
A következő leckében újabb tranzisztor-alkalmazások jönnek…
