not

Tranzistor jako spínač

Potkávám se dlouhá léta s elektroniky různého zaměření, různého vzdělání, různé praxe, ovšem co mne na mnohých z nich dokáže dodnes fascinovat, je totální neznalost funkce obyčejného tranzistoru. Vím, že mi hrozí, že někdo namítne, že se neustále opakuji, ale i tak si myslím, že tohle bude ku prospěchu mnohým.

Lidé, kteří nejsou zvyklí diskrétní (samostatně 1ks v pouzdře) tranzistory používat, se často věnují programování MCU. Pokud takový tranzistor potřebují, chtějí jím vetšinou posílit nějaký výstup, aby jím byli schopni sepnout relé (nebo jinou zátěž). Podívejme se tedy na jednoduché zapojení tranzistoru jako spínače.

Vybrali jsme si nějaké relé, příkladem RELRAS1215. Vidíme, že toto relé je určeno pro napětí 12V na cívce a odpor jejího vinutí je 400R (Ohmů). 12V/400R=0.03A, vinutím relé poteče ze 12V proud 30mA. Ze schématu vidíme, že proud Ic je stejný proud jako proud vinutím relé. Aby tranzistor sepnul 30mA, musí mít proud Ib, tekoucí jeho bází  alespoň velikost Ic děleno proudovým zesilovacím činitelem tranzistoru (DC Current Gain – hFE). Podívejme se do dokumentace k tranzistoru, který použijeme – zajímá nás nejnižší možná hodnota hFE. Nedejte se zmást tím, že se hFE udává pro různé proudy Ic, takže najdeme že BC337-25  (vybral jsem si ho) má pro Ic=100mA hFE nejméně 160. Vypočteme 30mA/160=0,1875mA. To je tedy proud, který sepne naše relé, když teče bází našeho tranzistoru. Ovšem tato hodnota je nejmenší, která je ještě použitelná použitelná, takže v praxi zvolíme proud bází 3 až 5x vyšší, než je nutné, tedy 0,1875mA*5 = 0,9375mA, zhruba 1mA. Nějaká superpřesnost nás v tpmto případě nezajímá. Víme, že napětí mezi bází a emitorem bude v sepnutém stavu zhruba 0,7V. MCU, nebo to, co spíná svým výstupem tranzistor, bude mít pro náš příklad výstupní úroveň napětí 5V. Na rezistor R1 nám tedy zbyde napětí 5V-0,7V=4,3V. Aby přes rezistor R1 tekl 1mA, potřebujeme, aby měl odpor 4,3V/0.001A=4300R. Zvolíme 4k7, protože to je snadno dostupná velikost, která je nejblíže k vypočtené hodnotě. Pro kontrolu: 4,3V/4700R=0,915mA. To je ale proud rezistorem R1, před bází tranzistoru je ještě rezistor R2, o jehož proud (Ir2) bude proud bází (Ib) nižší. Proud Ir2 je napětí mezi bází a emitorem (0.7V) děleno odporem rezistoru R2. V praxi se často používá stejná hodnota pro R1 a R2. Je to z praktických důvodů – čím méně různých hodnot v zapojení, tím lépe. Tedy 0,7V/4700R=0,149mA. Proud bází je tedy 0,915mA-0,149mA=0,766mA. Stačí nám 0,766mA k plnému otevření tranzistoru pro 30mA, při hFE minimálně 160? 0,766mA*160 = 122,56mA, což je více než trojnásobek toho co potřebujeme, je to tedy správně, Hodnotu R1 i R2 proto ponecháme 4k7.

Jak by to bylo pro MCU, který dává na výstup jen 3,3V, protože je tímto napětím napájen? 3,3V-0,7V=2,6V. 2.6V/0.001A=2600R. Volíme rezistor 2k7. 2.6V/2700R=0.963mA. Proud R2 je pak 0,7V/2700R=0,259mA. Proud bází je tedy 0,963mA-0,259mA=0,704mA. Stačí to pro hFE=160? 0,704mA*160=112,64mA. Vyhovuje.

Ještě si něco řekněme o R2. V mnoha zapojeních jej můžeme vypustit, aniž bychom se dopustili porušení něčeho, čemu by se dalo říkat stavovská čest elektronika. V případě, že připojujeme na vstup našeho zapojení MCU, který má po resetu (připojení napájení) výstupy ve vysoké impedanci, tedy jako by náš vstup IN visel ve vzduchu, způsobí R2 bezpečné připojení báze tranzistoru ke GND a tedy jeho zavřeni. Pokud ale připojujeme na IN něco, u čeho stav vysoké impedance nepředpokládáme, třeba hradlo, R2 není pochopitelně nutný.

Zkusme se nyní podívat na zapojení s MOSFET tranzistorem.

Víme, že do jeho gate, tedy obdoby báze, neteče proud (téměř), je řízen jen napětím mezi gate a source (obdoba emitoru). Zde jsem zvolil tranzistor BS170 (pokud Vám nevadí SMD, lepší volbou je BSS138). Proč je zapojení odlišné. Protože u bipolárního tranzistoru nám jde o proud bází (Ib) pro otevření tranzistoru, zde o napětí na G proti S (Vgs). Pokud bychom použili zapojení, zobrazené pro bipolární (klasický) tranzistor, vznikl by nám napěťový dělič z rezistorů R1 a R2. Při použití dvou stejných rezistorů bychom získali Vgs poloviční, než je výstupní napětí přikladem z výstupu MCU. Při 3,3V by to bylo žalostných 1,65V, což už by mohlo být málo, zatímco nám u tohoto tranzistoru a pro toto relé 3,3V na gate proti source stačit bude. Jak vidíme, zde rezistory netvoří napěťový dělič, Vgs je plné napětí jako na vstupu IN a R2 drží IN na GND, pokud není připojeno napětí na vstup, přikladem když je výstup MCU po resetu ve vysoké impedanci. V praxi se nahrazuje R1 zkratem, protože do G nic neteče, s vyjímkou nabití a vybití  kapacity elektrody gate. Tato kapacita je ale u malých MOSFETů tak malá (desítky pF), že ji zde zanedbáme. Rezistor R2 ze zapojení vypouštíme v obdobných případech, které byly popsány u bipolárního tranzistoru. Pokud R2 zůstává, jeho hodnota v rozsahu 4k7 až 22k bude vyhovující. Co nám ze zapojení zůstane, vidíte na následujícím obrázku.

Ještě vysvětlím, proč je paralelně k relé zapojení dioda. Relé přitahuje kontakt cívkou, která má určitou indukčnost, a ta při rozepnutí proudu (který jí teče) vygeneruje napěťovou špičku, která by mohla spínací tranzistor prorazit. Diodou způsobíme to, že se při rozepnutí proudu uzavře obvod kolem indukčnosti a k proražení tranzistoru nedojde. Pro běžná relé stačí dioda 1N4007.

A poučení na závěr? Pokud i přes mé kázání převládá ve Vaší duši zmatek, prostě příště použijte MOSFET, a máte to i bez počítání.