| Szerzők: Makan Gergely, Somogyi Anikó, Dr. Mingesz Róbert és Mellár János A tananyag elsősorban az Elektronikai alapok programozóknak és a Digitális architektúrák című kurzusokhoz készült, az elsajátításához szükséges idő: 45 perc. |
Összefoglalás
A lecke bemutatja a tranzisztorok működését és használatát egyszerű kapcsolóként, valamint a DC motorok tranzisztoros meghajtását. A megértésben képek, szimulációk és videók (hosszuk összesen 7 perc) segítenek. A lecke végén önellenőrző kérdések találhatók.
Tartalom
- Tranzisztor, mint kapcsoló – videóval
- Fogyasztó a tranzisztorral sorba kötve
- Fogyasztó a tranzisztorral párhuzamosan kötve
- DC motor vezérlése tranzisztorokkal – videóval
- Önellenőrző kérdések
Tranzisztor, mint kapcsoló
A következő videóban a bipoláris tranzisztorok kapcsolóként való alkalmazásának módjai láthatók.
Fogyasztó a tranzisztorral sorba kötve
A következő szimulációban a kapcsolóval tudjuk nyitni és zárni az áramkört. A kapcsoló úgy működik, hogy egyszerre csak az egyik szélső és a középső lába van összezárva. Ha a kapcsolóra kattintunk, akkor átkapcsol a másik állapotába. Amikor a kapcsoló csúszkájának szürke csíkos része fent van, akkor belül összezárja a középső és a felső lábát és zárja az áramkört, így az izzón folyik az áram, világít. Amikor a kapcsoló lent van, akkor nyitott az áramkör, nem világít az izzó.
A következő szimulációban az előző áramkörben a kapcsolót egy bipoláris NPN tranzisztorral helyettesítettük, aminek a bázisára kapcsolt feszültséget egy potenciométer segítségével tudjuk vezérelni.
Potenciométer helyett használhatunk kapcsolót is, amivel csak 0 V-ot vagy tápfeszültséget (jelen esetben 5 V-ot) tudunk a tranzisztor bázisára kapcsolni.
A fenti szimulációban elsőre furcsának tűnhet, hogy mi szükség a tranzisztorra, amikor még kapcsoló is van az áramkörben, de ha összehasonlítjuk, hogy mekkora áram folyik a tranzisztor bázisába és mekkora a kollektor ágban az izzón keresztül, akkor láthatjuk, hogy az izzón átfolyó áram sokszorosa a vezérlő áram nagyságának.
Tehát egy kisebb árammal tudunk vezérelni egy nagyobbat, azaz erősíteni tudjuk az áramot. Általában a bázisra kötött feszültségforrás kimenő áramának erőssége nem elég arra, hogy meghajtson nagyobb teljesítményű fogyasztókat, egy tranzisztoros kapcsolás segítségével viszont megoldható ez a probléma. Leggyakrabban egy programozható áramkörrel szeretnénk vezérelni a fogyasztókat, például egy Arduinóval, ami csak 20 mA-es áramot tud kiadni egy digitális kimenetén, tehát egy nagyobb fogyasztó meghajtásához tranzisztorra van szükség. A tranzisztor tehát egy kapcsolóként is használható , amit elektromos jelel lehet kapcsolni, szemben a hagyományos kapcsolóval, amit mechanikusan lehet kapcsolni.
A bázisra kapcsolt ellenállás szerepe elsősorban az áramkorlátozás, ugyanis a bázis-emitter ág is egy diódának tekinthető, ahol általában szintén szükség van egy soros áramkorlátozó ellenállásra. Ezen kívül a fogyasztón átfolyó kollektoráram nagysága egy szakaszon egyenes arányban függ a bázisáramtól. A bázisra kötött ellenállás értéke tipikusan 1 kOhm nagyságrendjébe esik, a pontos értékét mindig a felhasználás és az adott tranzisztor adatlapja határozza meg.
A fenti ábrán látható, hogy ha növeljük a bázisra kapcsolt feszültséget (így a a bázisáramot is), akkor egy bizonyos érték, a nyitófeszültség felett (kb. 0,6 V) kinyit a tranzisztor és megindul az áram a fogyasztón. A kollektor árama csak egy maximális értékig emelkedik a bázisáram növelésével, ami a terhelés ellenállásától függ.
Fogyasztó a tranzisztorral párhuzamosan kötve
A következő kapcsolásban a fogyasztó nem a kollektor ágban van bekötve sorosan, hanem a tranzisztorral párhuzamosan, így amikor a tranzisztor zárt állapotban van, akkor nem a tranzisztoron, hanem a fogyasztón folyik az áram. Ha a tranzisztor kinyit, akkor a kimenetre 0 V kerül, az összes áram rajta folyik keresztül (ha az ellenállását elhanyagolhatónak tekintjük).
Ezt a kapcsolást leginkább kis terhelések (kis áramerősséget igénylő fogyasztók) esetén szokták használni, mert a kollektor felől lévő ellenállás lekorlátozza a maximális áramot (erre azért van szükség, mert enélkül rövidre zárnánk a tápfeszültségek a tranzisztorral, ha az nyitva van).
A következő szimulációban a kapcsolóval tudjuk vezérelni a kimenő feszültségszintet. Amikor a kapcsoló csúszkája fent van, akkor zárja az áramkört, így a 0 V (föld potenciál) kerül a kimenetre és az ellenállás másik végére. Amikor a kapcsoló lent van, akkor meg van szakítva a kapcsolónál az áramkör és a kimenetre az 5 V-os tápfeszültség kerül az ellenálláson keresztül. A logika ebben az esetben tehát fordított, azaz, ha a bemenetre alacsony feszültség jut, akkor a kimeneten magas feszültség (a tápfeszültség) jelenik meg, ha pedig a bemenet magas, akkor a kimeneten alacsony feszültség mérhető.
A következő szimulációban lévő kapcsolás egyenértékű az előzővel, csak most a kapcsoló helyett egy NPN tranzisztor található, a multiméter helyett pedig egy LED.
A tranzisztor U_be-U_ki karakterisztikáját megfigyelve látható, hogy miért egyszerű kapcsolónak alkalmazni. Megfigyelhető, hogy a bemenő feszültséget növelve a tranzisztor nyitófeszültsége felett hirtelen kinyit a tranzisztor és a föld potenciál kerül a kimenetre.
DC motor vezérlése tranzisztorokkal
A következő videóban a DC motor tranzisztorokkal való vezérlése látható.
A DC motor általában egy viszonylag nagy áramfelvételű fogyasztó, amit tranzisztorral szokás meghajtani. Ezt legegyszerűbben úgy lehet megtenni, hogy a kollektor ágba kötjük sorosan. Ez abban az esetben teljesen jó megoldás, ha csak az egyik irányban szeretnénk forgatni a motort.
A diódára azért van szükség, mert a motor egy úgynevezett induktív terhelés, ami az áram hirtelen változásakor (a tranzisztor kapcsolásakor) ellentétes irányú feszültséget tud létrehozni. Ez a feszültség tönkreteheti a tranzisztort. A dióda szerepe, hogy megvédje a tranzisztort az úgynevezett induktív visszarúgástól, azáltal, hogy az indukált feszültséget levezeti a motoron.
Ha mindkét irányban szeretnénk forgatni, akkor már 4 darab tranzisztorra lesz szükségünk, amiket az úgynevezett H-hidas kapcsolásnak megfelelően kötjük rá a motorra.
A baloldalon lévő tranzisztorral megvalósított H-hidas kapcsolás egyenértékű a jobb oldali mechanikus kapcsolóval megvalósított kapcsolással.
H-hidas kapcsolás elérhető integrált áramkör formájában is, mint például az L293D nevű DC motor meghajtó IC, amit a következő szimulációban ki is tudunk próbálni.
Láthatjuk, hogy a kapcsolókkal forgási irányt lehet változtatni, tehát a motor mindkét irányba képes forogni. (A diódás védelem az L293D adatlapjában ajánlottak szerint van megvalósítva.)
További hasznos oldalak:
Gyakorló feladat:
Készítse el a Tinkercad szimulátorban azt a kapcsolást, amikor a fogyasztó a tranzisztorral párhuzamosan van kötve, csak most PNP tranzisztorral legyen megvalósítva.
Az önellenőrzéshez következzen egy rövid kvíz a legfontosabb résztémákból:
Results
