Почему в блоке питания транзистор?
Обновлено: 28.06.2024
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.
транзистор, полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы являются активными компонентами интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крошечных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко встроенные почти во все электронные устройства, стали нервными клетками века информации.
Обычно в транзисторе есть три электрических вывода: эмиттер, коллектор и база, или, в современных переключающих приложениях, исток, сток и затвор. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком) в большинстве приложений. Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как клапан крана используется для регулирования потока воды в саду. шланг.
Наши первые человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение при вращении? Пусть крутятся колеса в вашей голове, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.
Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и "карманных" радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря своим небольшим размерам и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые тогда использовались для усиления слабых электрических сигналов и воспроизведения звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генератора, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные конструкции для работы с более высокими частотами и уровнями мощности. Низкочастотные, мощные приложения, такие как инверторы источников питания, которые преобразуют переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрическом напряжении более тысячи вольт.
Сегодня транзисторы чаще всего используются в чипах компьютерной памяти, включая твердотельные устройства хранения мультимедиа для электронных игр, фотоаппараты и MP3-плееры, а также в микропроцессорах, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, подаваемое на электрод затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, соответствующая цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных схемах переключения, используемых во всех современных телекоммуникационных системах. Потенциальная скорость переключения этих транзисторов сейчас составляет сотни гигагерц, или более 100 миллиардов циклов включения и выключения в секунду.
Разработка транзисторов
Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в Bell Laboratories Американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях. Небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В 1960-х и 1970-х годах транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) формируются на одном «чипе» из полупроводникового материала.
Мотивация и раннее исследование радара
Электронные лампы громоздки и хрупки, и они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и создания потоков электронов; также они часто перегорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застрять во включенном или выключенном положении.Для приложений, требующих тысяч трубок или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, разрабатывавшиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало необходимость постоянной бдительности, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.
Альтернатива была найдена в полупроводниках, таких материалах, как кремний или германий, электропроводность которых находится где-то посередине между электропроводностью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «легируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. «Супергетеродинные» электронные схемы, используемые для обнаружения радиолокационных волн, требовали диодного выпрямителя — устройства, позволяющего току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах свыше одного гигагерца. Электронных ламп было недостаточно, а твердотельные диоды на основе существующих полупроводников на основе оксида меди были слишком медленными для этой цели.
На помощь пришли кварцевые выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока втыкалась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован небольшим количеством примесей, таких как бор или фосфор. Атомы примесей занимали позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (например, электронов), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства послужили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны такие американские производители, как Sylvania и Western Electric, ежегодно производили миллионы кварцевых выпрямителей.
Светодиод — это устройство, показанное выше. Помимо красного, они также могут быть желтыми, зелеными и синими. Буквы LED означают светоизлучающий диод. В отношении диодов (включая светодиоды) важно помнить, что ток может течь только в одном направлении.
Чтобы светодиод работал, вам нужен источник питания и резистор. Если вы попытаетесь использовать светодиод без резистора, вы, вероятно, сожжете светодиод. Светодиод имеет очень малое сопротивление, поэтому через него будет проходить большое количество тока, если вы не ограничите ток с помощью резистора. Если вы попытаетесь использовать светодиод без источника питания, вы можете сильно разочароваться.
Итак, прежде всего мы зажжем наш светодиод, настроив схему ниже.
Шаг 1.) Сначала вам нужно найти положительную ногу светодиода. Самый простой способ сделать это — найти более длинную ногу.
Шаг 2.) Как только вы узнаете, какая сторона положительная, поместите светодиод на макетную плату так, чтобы положительная ножка находилась в одном ряду, а отрицательная — в другой. (На рисунке ниже ряды вертикальные.)
Шаг 3.) Поместите одну ножку резистора на 220 Ом (не имеет значения, какая ножка) в том же ряду, что и отрицательная ножка светодиода. Затем поместите другую ногу резистора в пустой ряд.
Шаг 4.) Отсоедините адаптер питания от источника питания. Затем поместите заземляющий (черный провод) конец адаптера питания в боковой ряд с синей полосой рядом с ним. Затем поместите положительный (красный провод) конец адаптера питания в боковой ряд с красной полосой рядом с ним.
Шаг 5.) Используйте короткую перемычку (используйте красную, так как она будет подключена к положительному напряжению), чтобы перейти от положительного ряда питания (с красной полосой рядом) к положительной ножке светодиода ( не в том же отверстии, а в том же ряду). Используйте другую короткую перемычку (используйте черную), чтобы перейти от заземляющего ряда к резистору (ножка, которая не подключена к светодиоду). При необходимости обратитесь к рисунку ниже.
Макетная плата должна выглядеть так, как показано на рисунке ниже.
Теперь подключите блок питания к стене, а затем подключите другой конец к адаптеру питания, и светодиод должен загореться. Ток течет от положительной ножки светодиода через светодиод к отрицательной ножке. Попробуйте перевернуть светодиод. Он не должен загораться. Ток не может течь от отрицательной ветви светодиода к положительной.
Часто думают, что резистор должен стоять первым на пути от плюса к минусу, чтобы ограничить ток, протекающий через светодиод. Но ток ограничивается резистором независимо от того, где находится резистор. Даже при первом включении питания ток будет ограничен определенной величиной, которую можно определить с помощью закона Ома.
Вездесущая польза закона Ома:
[Напряжение (вольты) = Ток (ампер) X Сопротивление (Ом)]
Закон Ома можно использовать с резисторами, чтобы найти ток, протекающий через цепь. Закон таков: I = V/R (где I = ток, V = напряжение на резисторе и R = сопротивление). Для приведенной выше схемы мы можем использовать только закон Ома для резистора, поэтому мы должны учитывать тот факт, что когда светодиод включен, на нем происходит падение напряжения в 1,9 (кстати: падение напряжения зависит от типа светодиода). Это означает, что если положительная ветвь подключена к 5 вольтам, отрицательная ветвь будет на 3,1 вольта (т. е. 5,0-1,9 = 3,1). Теперь, когда мы знаем напряжение на обеих сторонах резистора, мы можем использовать закон Ома для расчета тока. Ток равен (5,0-1,9) / 220 = 3,6 / 2000 = 0,0014 Ампер = 14 мА
Это ток, протекающий по пути от 5 В до GND. Это означает, что через светодиод и резистор (поскольку они соединены последовательно) проходит 14 мА. Если мы хотим изменить ток, протекающий через светодиод (таким образом, изменяя яркость), мы можем изменить резистор. Меньший резистор пропустит больший ток, а больший резистор пропустит меньший ток. Будьте осторожны при использовании меньших резисторов, потому что они будут сильно нагреваться. Кроме того, некоторые светодиоды будут разрушены, если вы будете использовать их сверх максимального номинального тока. поэтому не используйте резистор, который настолько мал, что вы будете генерировать чрезвычайно большой ток (примечание: наш светодиод имеет максимальный рабочий ток 20 мА).
Далее мы хотим иметь возможность включать и выключать светодиод без изменения схемы. Для этого мы научимся использовать еще один электронный компонент — транзистор.
Транзисторы являются основными компонентами всей современной электроники. Это всего лишь простые переключатели, которые мы можем использовать, чтобы включать и выключать вещи. Несмотря на свою простоту, они являются наиболее важным электрическим компонентом. Например, транзисторы — почти единственные компоненты, используемые для построения процессора Pentium. В одном чипе Pentium 4 около 55 миллионов транзисторов (именно поэтому эти чипы чертовски сильно нагреваются). Те, что в Pentium, меньше, чем те, которые мы будем использовать, но работают одинаково.
Транзисторы (2N2222), которые мы будем использовать в наших проектах, выглядят так:
Транзистор имеет три ножки: коллектор (C), базу (B) и эмиттер (E). Иногда их маркируют на плоской стороне транзистора. Транзисторы обычно имеют одну круглую сторону и одну плоскую сторону. Если плоская сторона обращена к вам, ножка эмиттера находится слева, ножка базы находится посередине, а ножка коллектора находится справа (примечание: некоторые специальные транзисторы имеют другую конфигурацию контактов, чем в корпусе TO-92, описанном выше). ).
Символ транзистора
Следующий символ используется на чертежах (схемах) для обозначения NPN-транзистора
Базовая схема
База (B) — это переключатель включения/выключения транзистора. Если ток течет к базе, будет путь от коллектора (C) к эмиттеру (E), по которому может течь ток (переключатель включен). Если ток не течет к базе, то ток отсутствует. может течь от Коллектора к Излучателю. (Переключатель выключен.)
Ниже показана базовая схема, которую мы будем использовать для всех наших транзисторов.
Чтобы построить эту схему, нам нужно всего лишь добавить транзистор и еще один резистор к схеме, которую мы построили выше для светодиода. Прежде чем вносить какие-либо изменения в макетную плату, отключите блок питания от адаптера питания. Чтобы поместить транзистор в макетную плату, слегка отделите ножки и поместите его на макетную плату так, чтобы каждая ножка находилась в другом ряду. Ножка коллектора должна находиться в том же ряду, что и ножка резистора, соединенного с землей (с черной перемычкой). Затем переместите перемычку, идущую от земли к резистору 220 Ом, к эмиттеру транзистора.
Затем поместите одну ножку резистора 100 кОм в ряд с базой транзистора, а другую ножку в пустой ряд, и ваша макетная плата должна выглядеть так, как показано на рисунке ниже.
Теперь поместите один конец желтой перемычки в положительный ряд (рядом с красной линией), а другой конец в ряд с ножкой резистора 100 кОм (конец, не подключенный к базе). Снова подключите источник питания, и транзистор включится, а светодиод загорится. Теперь переместите один конец желтой перемычки с положительного ряда на заземляющий ряд (рядом с синей линией). Как только вы удалите желтую перемычку с положительного источника питания, ток к базе перестанет течь. Это заставляет транзистор выключаться, и ток не может течь через светодиод. Как мы увидим позже, через резистор 100 кОм протекает очень небольшой ток. Это очень важно, потому что это означает, что мы можем контролировать большой ток в одной части цепи (ток, протекающий через светодиод) с помощью лишь небольшого тока на входе.
Вернуться к закону Ома
Мы хотим использовать закон Ома, чтобы найти ток на пути от входа к базе транзистора и ток, протекающий через светодиод. Для этого нам нужно использовать два основных факта о конкретных транзисторах, которые мы используем:
1.) Если транзистор открыт, то напряжение базы на 0,7 вольт выше напряжения эмиттера.
2.) Если транзистор открыт, напряжение коллектора на 1,6 вольт выше напряжения эмиттера.
Поэтому, когда резистор 100k подключен к 5VDC, схема будет выглядеть так:
Таким образом, ток, протекающий через резистор 100 кОм, равен (5 - 0,7) / 100 000 = 0,000043 А = 0,043 мА.
Ток, протекающий через резистор 220 Ом, равен (3,1–1,6)/220 = 0,0068 А = 6,8 мА.
Если мы хотим, чтобы через светодиод протекал больший ток, мы можем использовать меньший резистор (вместо 220), и мы получим больший ток через светодиод, не изменяя величину тока, поступающего из входной линии в базу 100 кОм. резистор. Это означает, что мы можем управлять вещами, потребляющими много энергии (например, электродвигателями), с помощью дешевых транзисторных схем малой мощности. Вскоре вы научитесь использовать компьютер для управления событиями в реальном мире. Несмотря на то, что выходы стандартного компьютера на базе Windows не могут обеспечить ток, достаточный для включения и выключения света и двигателей, компьютер может включать и выключать транзисторы (поскольку для этого требуется очень небольшой ток), а транзисторы могут управлять большим током для фары и моторы. Эта концепция называется усилением и представляет собой фундаментальную концепцию компьютерного интерфейса для экспериментов в реальном мире.
Методы и схемы ограничения тока с использованием диодов и транзисторов для обеспечения функции ограничения тока для источников питания и других цепей.
Схемы ограничения тока являются ключом к источникам питания, защищая их в случае короткого замыкания или других условий перегрузки.
Ввиду возможного повреждения источника питания в случае перегрузки почти всегда устанавливаются ограничители тока, и они являются стандартной функцией, включенной в ИС регулируемых источников питания.
Как следует из названия, схема ограничения тока ограничивает ток от регулируемого источника питания до максимальной величины, определяемой схемой, и, таким образом, может серьезно повредить цепи, как источник питания, так и цепь, на которую подается питание. избегать.
Эти схемы более применимы к линейным источникам питания, хотя аналогичные методы измерения могут использоваться в импульсных источниках питания.
Типы ограничения тока
Как и в случае с любой технологией и типом электронной схемы, существует несколько вариантов выбора. То же самое относится и к ограничителям тока, используемым в регулируемых источниках питания.
Существует два основных типа схемы ограничения тока:
Ограничение постоянного тока. При использовании ограничения постоянного тока выходное напряжение поддерживается по мере увеличения тока до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой достигается максимум. В этот момент ток поддерживается на этом уровне, в то время как напряжение падает с увеличением нагрузки.
Это основная форма ограничения тока, используемая в регулируемых источниках питания. Схема проста и использует всего несколько электронных компонентов, но она не снижает ток в случае короткого замыкания - он поддерживается на максимальном уровне, что может привести к повреждению схемы.
Одним из недостатков является то, что когда начинает работать ограничение тока, потребляется максимальный ток, но в этот момент выходное напряжение падает, а это означает, что последовательный транзистор в регулируемом блоке питания имеет повышенное напряжение. Это увеличивает рассеиваемую мощность внутри устройства.
В точке, где выходное напряжение близко к нулю, потребляется максимальный ток, в то время как напряжение на ней равно полному входному напряжению от схем сглаживания и выпрямления. Это не идеально, потому что на этапе проектирования электронной схемы необходимо сделать поправку на это, требуя, возможно, более крупного последовательного проходного транзистора, а также дополнительных возможностей теплоотвода, что увеличивает стоимость и размер регулируемого источника питания.
Обратное ограничение тока. В этом типе ограничения тока, используемом в регулируемых источниках питания, выходное напряжение поддерживается до момента, когда начинает действовать ограничение тока. В этот момент, вместо того, чтобы просто ограничивать ток, ток фактически начинает уменьшаться. Таким образом, чем больше перегрузка, тем меньше ток, и тем самым снижается риск повреждения.
Ограничение обратного тока в стабилизаторе напряжения снижает энергопотребление, поскольку по мере увеличения перегрузки ток уменьшается, а общее энергопотребление падает, удерживая тепловыделение последовательного проходного транзистора в более разумных пределах.
Несмотря на немного более сложный подход, обратная схема ограничения тока может быть реализована с использованием относительно небольшого количества электронных компонентов. Поскольку эта функция обычно включается в интегральные схемы регулируемых источников питания, дополнительные затраты на использование обратных ограничений по сравнению с ограничением постоянного тока не заметны. Соответственно, в этих ИС практически всегда используется обратная схема ограничения тока.
Ограничитель обратного хода усложняет линейный источник питания, поскольку требует больше электронных компонентов, чем простой ограничитель постоянного тока. Существует также возможность состояния, известного как «блокировка», с неомическими устройствами, которые потребляют постоянный ток независимо от напряжения питания. Ограничитель тока обратного хода также может включать временную задержку, чтобы избежать проблемы с блокировкой.
Две разные формы ограничения тока линейного источника питания, как правило, используются в разных областях, фактический тип, используемый для любого конкретного приложения, выбирается на этапе проектирования электронной схемы проекта.
Базовая схема ограничения постоянного тока
Существует ряд схем, которые можно использовать для ограничения постоянного тока для защиты источника питания, но в одной из самых простых схем используются всего три электронных компонента: два диода и резистор.
Простой регулируемый блок питания с ограничением тока
В схеме ограничителя тока источника питания используется чувствительный резистор, включенный последовательно с эмиттером выходного проходного транзистора. Два диода, расположенные между выходом схемы и базой проходного транзистора, обеспечивают ограничение тока.
Когда схема работает в нормальном рабочем диапазоне, на последовательном резисторе присутствует небольшое напряжение. Это напряжение плюс напряжение базы-эмиттера транзистора меньше, чем два падения диодного перехода, необходимые для включения двух диодов, чтобы они могли проводить ток. Однако по мере увеличения тока увеличивается и напряжение на резисторе.
Когда оно равно напряжению включения диода, напряжение на резисторе плюс падение на переходе база-эмиттер для транзистора равняется двум падениям на диоде, и в результате это напряжение возникает на двух диодах, которые начинают проводить ток. Это начинает снижать напряжение на базе транзистора, тем самым ограничивая потребляемый ток.
Схема этого диодного ограничителя тока для линейного источника питания особенно проста, и, соответственно, конструкция электронной схемы также очень проста.
Значение последовательного резистора можно рассчитать таким образом, чтобы напряжение на нем возрастало до 0,6 В (напряжение включения для кремниевого диода) при достижении максимального тока. Однако всегда лучше обеспечить некоторый запас, ограничив ток от простого стабилизатора питания до того, как будет достигнут абсолютный максимальный уровень.
Двухтранзисторный линейный стабилизатор питания с ограничением тока
Та же простая диодная форма ограничения тока может быть включена в схемы линейных источников питания, которые используют обратную связь для измерения фактического выходного напряжения и обеспечивают более точную регулировку выходного сигнала. Если точка измерения выходного напряжения находится после последовательного резистора измерения тока, то падение напряжения на нем можно скорректировать на выходе.
Линейная схема питания с обратной связью и ограничением тока
Схема ограничения тока обратного транзистора
Схема ограничения тока с обратной связью обеспечивает гораздо лучшую производительность, чем обычная схема ограничения постоянного тока, используемая в более простых источниках питания.
Транзисторный линейный стабилизатор питания с обратным ограничением тока
Схема обратной связи использует несколько дополнительных электронных компонентов, в том числе транзистор и несколько резисторов, но обеспечивает гораздо лучшую защиту источника питания и схемы, на которую подается питание.
Схема работает, потому что по мере увеличения нагрузки увеличивающаяся доля напряжения между эмиттером и землей падает на резисторе R3 — по мере того, как нагрузка становится меньше, эффект делителя потенциала означает, что больше напряжения падает на резисторе R3.
Точка достигается, когда транзистор Tr3 начинает открываться. Когда это происходит, он начинает ограничивать ток.
Если сопротивление нагрузки становится меньше, напряжение на резисторе R3 увеличивается, больше включает Tr3, и это еще больше снижает ток, снижая уровень обеспечиваемого тока.
Есть несколько уравнений, которые можно использовать для определения ключевых параметров схемы, обеспечивающих требуемый максимальный ток для линейного регулятора напряжения, а также уровень обратного тока при коротком замыкании.
Транзисторы часто используются в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, требующими высокого напряжения и тока от более низкого напряжения и тока. Самый распространенный пример, который вы увидите в классе физических вычислений, — это использование выходного вывода микроконтроллера для включения двигателя или другого сильноточного устройства. Выходные контакты микроконтроллера могут производить только небольшое количество тока и напряжения. Но в сочетании с транзистором они могут управлять гораздо большим.
Что вам нужно знать
Прежде чем выполнять эту лабораторную работу, вы должны были прочитать примечания о сильноточных нагрузках. Чтобы получить максимальную отдачу от этой лаборатории, вы должны знать основы электроники, а также как использовать макетную плату без пайки. Также было бы полезно почитать информацию о двигателях постоянного тока.
Микроконтроллеры — не единственные интегральные схемы, которые создают низкое напряжение и ток на своих выходных контактах. Есть много компонентов, которые делают это. Вы увидите целый ряд так называемых логических ИС, которые не могут производить очень большой ток или напряжение, но могут производить небольшое изменение на своих выходных контактах, которое может быть считано как сигнал данных или управляющий сигнал. Выходное напряжение устройств часто называют логическим или управляющим напряжением, в отличие от напряжения питания или нагрузки, необходимого для управления сильноточным устройством. Вы можете использовать транзисторы из таких схем. Например, вы можете поместить транзистор на выходной контакт микросхемы таймера 555 (которая вырабатывает переменный синхронизирующий импульс) или микросхему регистра сдвига (которая позволяет создавать несколько управляющих сигналов параллельно) для управления сильноточными нагрузками от этих устройства.
Вещи, которые вам понадобятся
На рисунках 1–11 показаны детали, которые вам понадобятся для этого упражнения.
Рис. 1. Короткая макетная плата без пайки.
Рис. 2. Соединительный провод 22 AWG
Рисунок 3. 5-вольтовый регулятор напряжения, модель 7805
Рисунок 4. Резисторы. Здесь показаны резисторы на 220 Ом, но для этого упражнения вам понадобятся резисторы на 1 кОм.
Рисунок 5. Кнопки, также называемые переключателями мгновенного действия
Рисунок 6. Потенциометр
Рисунок 7. Диоды. Здесь показаны силовые диоды 1N400x.
Рисунок 8. Блок питания постоянного тока
Рисунок 9. Транзистор TIP120
Рисунок 10. Небольшой двигатель постоянного тока, размер 130
Рисунок 11. Маленькая лампа накаливания и патрон (дополнительно)
Настройка макетной платы
Подключите стабилизатор напряжения 7805 5 В к плате и запитайте его от источника питания постоянного тока 9–12 В. Соедините наземные ряды по бокам вместе. Однако не соединяйте два красных ряда сбоку макетной платы друг с другом. Подключите макетную плату так, чтобы правая сторона платы получала выходное напряжение 5 В от регулятора, а левая сторона получала 9-12 В непосредственно от источника питания постоянного тока. Линия 5 В — это 5-вольтовая шина или питание логики, а линия 9–12 В — это высоковольтная шина или питание нагрузки. Две линии заземления заземлены. На Рисунке 12 показана схема, а на Рисунке 13 показан макет схемы, описанной здесь.
Рисунок 12. Схематическое изображение разъема питания постоянного тока, подключенного к 5-вольтовому стабилизатору напряжения 7805.
Рисунок 13. Гнездо постоянного напряжения и регулятор напряжения 7805 на макетной плате. Регулятор подает напряжение 5 В, а через отверстия заземления подается напряжение на остальную часть макетной платы.
Добавить двигатель и транзистор
Транзистор позволяет управлять схемой с более высоким током и напряжением из цепи с более низким напряжением и током. Он работает как электронный переключатель. Тот, который вы используете для этой лабораторной работы, представляет собой транзистор типа NPN, называемый TIP120. Даташит на него можно найти здесь. Он предназначен для коммутации сильноточных нагрузок. Он имеет три соединения: базу, коллектор и эмиттер, как показано на рисунках 14 и 15. Подсоедините сильноточную нагрузку (например, двигатель или свет) к его источнику питания, а затем к коллектору транзистора. Затем соедините эмиттер транзистора с землей. Затем, чтобы управлять двигателем, вы подаете напряжение на базу транзистора. Когда между базой и эмиттером будет разница не менее 0,6 В, транзистор «включится» — другими словами, он позволит напряжению и току течь от коллектора к эмиттеру.Когда между базой и эмиттером нет разницы напряжений, транзистор выключается или прекращает поступление электричества от коллектора к эмиттеру.
Рисунок 14. Схематическое обозначение транзистора NPN. B — база, C — коллектор, E — эмиттер.
Рисунок 15. Схема расположения выводов транзистора ТИП-120. Слева направо ножки помечены 1. база, 2. коллектор, 3. эмиттер.
Использование MOSFET вместо TIP120
Рисунок 16. Схема контактов MOSFET-транзистора FQP30N06L и условное обозначение
Для этого можно также использовать N-канальный MOSFET-транзистор. Схема и схематические символы показаны выше на рисунке 16. Полевые МОП-транзисторы IRF520 и FQP30N06L аналогичны по функциям и имеют ту же конфигурацию контактов, что и TIP120, и работают аналогично. Они могут работать с большей силой тока и напряжением, но более чувствительны к повреждению статическим электричеством.
Подключите резистор сопротивлением 1 кОм от базы транзистора к другому ряду макетной платы. Этот резистор будет ограничивать ток базы.
Также необходимо добавить диод параллельно коллектору и эмиттеру транзистора, направленный в сторону от земли, как показано на рисунках 17 и 18. Диод защищает транзистор от обратного напряжения, возникающего при выключении двигателя. или если двигатель вращается в обратном направлении. Это называется демпферным диодом или защитным диодом. Похожие темы: Транзисторы, реле и управление сильноточными нагрузками
Рисунок 17. Схематическое изображение транзистора, управляющего двигателем постоянного тока.
Рисунок 18. Макет транзистора, управляющего двигателем постоянного тока.
Убедитесь, что правильно добавили диод в цепь. Серебряная полоса на диоде обозначает катод, который является кончиком стрелки на схеме, как показано на рисунке 19:
Рисунок 19. Схематическое и физическое представление диода.
В этой схеме предполагается, что вы используете двигатель на 12 В. Если вашему двигателю требуется другое напряжение, обязательно используйте соответствующий источник питания. Транзистор TIP120 может выдерживать до 30 В на коллекторе и эмиттере, поэтому убедитесь, что вы не превышаете это значение. Однако соедините землю источника питания двигателя с землей схемы микроконтроллера, иначе схема не будет работать должным образом.
Добавить переключатель для управления транзистором
Для включения транзистора необходима разница напряжений между базой и эмиттером не менее 0,7В. Поскольку эмиттер соединен с землей, это означает, что любое напряжение более 0,7 В, приложенное к базе, включит транзистор.
- Подключите провод от 5-вольтовой шины платы (также называемой шиной регулируемого напряжения) к другому концу резистора на 1 кОм, как показано выше, и вы должны увидеть, как двигатель включается.
Конечно, подключать и отключать такой провод неудобно, поэтому вместо этого используйте переключатель.
- Удалите красный провод, соединяющий резистор с 5 вольтами, и подключите одну сторону кнопки или переключателя к шине 5 вольт, а другую сторону к резистору 1K. На рис. 20 показана схема, а на рис. 21 показан макет схемы.
Рисунок 20. Схематическое изображение транзистора, управляющего двигателем постоянного тока, с кнопкой для его включения и выключения.
Рисунок 21. Макетная схема транзистора, управляющего двигателем постоянного тока с помощью кнопки.
Замените переключатель на потенциометр
Напряжение на базе транзистора не обязательно должно регулироваться переключателем. Вы можете использовать потенциометр, подключенный как делитель напряжения, для создания изменяющегося управляющего напряжения для базы транзистора. На рис. 22 показана схема, а на рис. 23 показан макет схемы. Видео по теме: подключение потенциометра
Рисунок 22. Схематическое изображение транзистора, управляющего двигателем постоянного тока, с потенциометром для изменения скорости.
Рисунок 23. Макетная схема транзистора, управляющего двигателем постоянного тока с помощью потенциометра.
Когда вы поворачиваете потенциометр, вы создаете переменное напряжение на выводе стеклоочистителя. Это означает, что вы меняете напряжение на базе транзистора. При этом двигатель не меняет свою скорость. Он только включается или выключается. Когда напряжение на выводе потенциометра достигает 0,6 В, транзистор включится. Когда оно ниже 0,6 В, транзистор выключается. Транзистор действует как переключатель, а не переменный источник питания. Если вы хотите изменить скорость двигателя с помощью транзистора, вам нужно очень быстро включать и выключать транзистор и изменять соотношение времени включения и времени выключения. Это называется широтно-импульсной модуляцией. Вы узнаете больше об этом в этих заметках об аналоговом выводе микроконтроллера и увидите его в действии в аналоговой лаборатории.
Замените потенциометр на делитель напряжения
Если вы до сих пор все поняли и сумели заставить это работать, вот где будет по-настоящему весело. Вообразите, что у вас есть переменный резистор, и вы хотите, чтобы двигатель включался, когда переменный резистор проходит определенный порог. Например, может быть, вы хотите включить двигатель, когда тень падает на фоторезистор или когда на резистор, чувствительный к силе, помещается груз. Чтобы это произошло, измените схему управления, включив в нее переменный резистор, как показано на Рисунке 24 и Рисунке 25.
Рисунок 24. Схематическое изображение транзистора, управляющего двигателем постоянного тока, с потенциометром для изменения скорости.
Рисунок 25. Макетная схема транзистора, управляющего двигателем постоянного тока с делителем напряжения.
Использование делителя напряжения для управления транзистором
Дополнительный балл: посмотрите, сможете ли вы определить правильное значение резистора для постоянного резистора делителя напряжения, который будет давать именно то напряжение, которое нужно для включения двигателя, когда вы включаете свет в своей комнате. и гаснет, когда вы их отключаете.
Вау, это взорвало мне мозг. Как мне это сделать?
Вы знаете, что вам нужно 0,7 В, чтобы включить транзистор, и меньше, чтобы выключить его. Вы знаете, как измерить сопротивление переменного резистора. Итак, найдите сопротивление вашего фотоэлемента при включенном и выключенном свете и рассчитайте, какой постоянный резистор даст вам 0,6 В. Вход вашего делителя напряжения здесь составляет 5 В. Это означает, что вам нужно 4,3 вольта на фотоэлементе. Вы знаете, что выходное напряжение пропорционально соотношению двух резисторов. И вы знаете, что ток между ними один и тот же, потому что они последовательно. Итак:
Напряжение = ток * сопротивление 4,3 В = ток * сопротивление фотоэлемента,
поэтому
ток = 4,3 В / сопротивление фотоэлемента
Затем примените это к постоянному резистору:
>0,7 В = ток * сопротивление постоянного резистора,
поэтому
сопротивление постоянного резистора = ток / 0,7 В,
или:
сопротивление постоянного резистора = (4,3 В / сопротивление фотоэлемента) / 0,7 В
Вместо этого подключите лампу
Вы также можете управлять лампой с помощью транзистора. На рис. 26 показана схема, а на рис. 27 показан макет схемы. Как и двигатель, схема лампы ниже предполагает лампу на 12 В. Соответственно измените источник питания, если вы используете другую лампу. В цепи лампы защитный диод не нужен, так как в этой цепи нет возможности поменять полярность:
Рисунок 26. Схематическое изображение транзистора, управляющего лампой накаливания с помощью кнопки.
Рисунок 27. Макет транзистора, управляющего лампой накаливания с помощью кнопки.
Заключение
Мотор, управляемый таким образом, может вращаться только в одном направлении. Чтобы иметь возможность изменить направление вращения двигателя, требуется Н-мостовая схема. Дополнительные сведения об управлении двигателями постоянного тока с помощью Н-моста см. в лабораторной работе по управлению двигателями постоянного тока.
Читайте также: