Leírások

Kísérletek tranzisztoros késleltetőkkel


Bár magam is azon az állásponton vagyok, a legmegbízhatóbb késleltetés a bipoláris 555 (vagy 556 ) IC-vel valósítható meg, azonban sok esetben célszerűbb, vagy egyszerűbb egy tranzisztoros kapcsolást készíteni, különösen akkor, ha a késleltetési funkció egy nagyobb vezérlés közbenső része csak.

Mielőtt belevágunk érdemes néhány alapismeretet felidézni:
  • Ezekben a késleltetőkben általában bipoláris tranzisztorokat használunk a kimenet (így pl. relé) kapcsolására, és amelyekről tudni kell, hogy nem elég az emitter - bázis saturációs feszültségkülönbség elérése a kapcsoláshoz, hanem szükséges az is (mert áramvezérelt a bipoláris TR), hogy a bázisáram elegendő nagy legyen a relé működtetéséhez szükséges kollektor áram létrehozásához.
  • A kapcsolások a típusra nem nagyon kényesek, de célszerű kisjelű, kisáramú érzékeny típusokat használni, ahol a 100mA kollektor áram már bőven elegendő a relé, vagy más kapcsolásához. (Ilyenek BC182, BC183, BC184, BC546, BC547, BC548, stb. NPN, vagy BC212, BC213, BC214, BC556, BC557, BC558, stb. PNP típusok).
  • Ugyancsak nem szabad elfelejteni, hogy az NPN tranzisztornál a + bázis az emitter irányba és kollektor irányba is vezet, ha azok negatívabbak nála, míg a PNP-nél a bázisnál pozitívabb emitter és kollektor vezet bázis irányba.
  • Analóg késleltetést - ez idáig - csak kondenzátor feltöltési, vagy kisütési idejének (feszültségének) kapcsolásával valósítottak meg, mert töltésnél Ukondenzátor = Utáp * (1 - exp.-t/T), ahol T = R * C időállandó [sec], s ebből a folyamat ideje t = R * C * lnUk/lnUtáp.
  • Ebből következik, hogy hosszú időket nagy kapacitású kondenzátornak, nagy ellenálláson keresztül, a kondenzátornak a táphoz képest minél magasabb feszültségre töltésével lehet elérni. Viszont figyelembe kell venni azt is, hogy T idő háromszorosa után az exponenciális görbe gyakorlatilag alig emelkedik (vagy kisütésnél csökken, mint a szimulációs görbék majd mutatják), a feszültségváltozás alig mérhető, ami kapcsolásra alkalmatlan. Ezért 3*T -n belül kell az időzítést kapcsolni.
  • Fontos, hogy a kondenzátor és a bázis között sorosan legyen egy ellenállás, mert töltés és kisütés kezdetén a kondenzátor rövidzárként viselkedik, és különben a tranzisztor halálát okozza.
  • Ha a tranzisztorral relét kapcsolunk szintén fontos tudni annak meghúzási és elejtési feszültségeit és áramát. Ehhez kell az időzítő kondenzátort, ellenállást meghatározni, mert mint majd látható a szimulációs görbékből a tranzisztor kollektor feszültsége, árama is időben változó.
  • Ha a tranzisztor feszültségét további TTL eszköz kapcsolására akarjuk használni, akkor azt alacsony és magas szintre triggerelni kell, de erről a végén még lesz szó.
Ezek után néhány alapkapcsolás, részben a BSS-n találhatók fejlesztésével:

1. Bekapcsolás késleltetés NPN tranzisztorral.

A késleltetés indítható a táp (SW) bekapcsolásával is, vagy (PB) nyomógomb pillanat érintkezésével is. Mindkét esetben a relé a késleltetés végén behúz, és úgy marad újraindításig. Az adott értékekkel a késleltetési idő 5-150 sec. A használt relé Omron G5LE1, aminek behúzási feszültsége kb. 6,5V, árama 20mA, a tekercs ellenállás 360 ohm.

A működés lényege, hogy indításnál a C1 elko + oldala, s ezzel a T1 bázisa is (Ch1=VF1 görbe) 0 potenciálon van, vagy arra kerül a nyomógomb által, és ez után a P1+R4 ellenálláson keresztül töltődik. Miután a bázis feszültség, ill. áram meghaladja a saturációs értéket, T1-n a kollektor áram is megindul, és a relén a feszültség csökken (Ch2 görbe), és ha az áram (illetve a tekercsen a feszültség különbség) eléri a behúzási értéket a relé behúz, a késleltetésnek vége van.

Természetesen a relét beköthetjük úgy is, hogy a késleltetés végén szakítsa meg egy addig bekapcsolt áramkört, vagy relé helyett az írás végén ismertetett műveleti erősítős triggereléssel oldjuk meg ugyanezt, a csatolást az oszcilloszkóp Ch2 csatlakozási pontjára kötve. Ekkor a relét egy ellenállással kell helyettesíteni.

A kapcsolás lényeges pontjai (az adott tápfeszültségnél):

A P1+R4 ellenállás nem növelhető tovább, mert a bázisáram nem lesz elegendő a reléhez szükséges kollektoráram létrehozásához. Az R1 ellenállás ugyancsak ezért nem növelhető. Műveleti erősítőnél ez nem áll fenn, sokkal kisebb kollektor feszültségekig és áramokig tudunk lemenni, ami az idő növekedését eredményezi.

A kapcsolás érdekessége az R2 ellenállás, amivel a bázis - emitter áramot csökkentettük le, lényegesen megemelve ez által a késleltetési időt. Ennek nagyságára érzékeny a kapcsolás, felére csökkentésével az idő is majdnem fele lesz, viszont növelésének határt szab a relé működéséhez szükséges kollektor áram csökkenése.


2. Bekapcsolás késleltetés NPN tranzisztorral, és idő növelés Zener diódával.

A kapcsolás és elemei lényegében azonosak előzővel, azonban a késleltetési idő növelésére a tranzisztor bázisa elé egy Zener diódát tettünk, ami azt eredményezi, hogy a Zener feszültségre (8,2V) tud töltődni a C1 kondenzátor mielőtt a bázis, ill. kollektoráram megindulna, és a relé kapcsolna. A tranzisztor vezetésének gyors megindulását jól szemlélteti a két diagram Ch2 görbéinek összehasonlítása. Ezzel a késleltetési időt kb. háromszorosára lehetett növelni.

Meg kell jegyezni, hogy az előző kapcsolások a relé behúzásához szükséges minimum kollektoráramra voltak optimalizálva, de ha a relé helyett a kollektor feszültséget akarjuk további eszköz kapcsolására felhasználni (lásd Ch2 görbéket), akkor a bázis - kollektor áramok lényegesen csökkenthetők, ami megengedi P1, vagy R2 növelését a késleltetési idő megtartásához, vagy növeléséhez. Nem szabad elfelejteni ilyenkor a relé tekercs ellenállással történő helyettesítését, ahhoz, hogy a kapcsoló feszültségkülönbség létrejöjjön.


3. Bekapcsolás késleltetés 230V AC hálózatról NPN tranzisztorral.

Figyelmeztetés: Hálózati árammal csak az érintésvédelmi szabályok betartásával szabad dolgozni!

Ez a kapcsolás mintát mutat arra, hogyan lehet tápegység nélkül hálózatról késleltetett hálózati eszközt kapcsolni, amikkel a kínai kütyükben manapság egyre sűrűbben lehet találkozni. A kapcsolás csak demó (9 sec.), mert hosszabb időket a gépem csak nagyon lassan számolt ki, és C1 és P1 értékeinek kikísérletezése ennél lényegesen gyorsabb, de ezzel is el lehet érni 5-10 perces késleltetési időket. A késleltetés indítható a hálózat bekapcsolásával, vagy C1 + oldal pillanatszerű földelésével.

A kapcsolás nagyfeszültségű részén két szimmetrikusan (azért, hogy mindkét félhullámra hasson) elhelyezett teljesítmény ellenállással állítjuk be rendszer feszültségcsökkentését és áramfelvételét. Jelen esetben ez kb. 10mA, mert az optotriaknak már 5 mA is elég (ez alatt pillanatszerűen kikapcsol), és a többi vesztességet (pl. Zener dióda) igyekszünk minimalizálni. Ezt az áramot Greetz híddal egyenirányítjuk, C4-el simítjuk, és Z1 Zenerrel védjük a feszültségszabályzó IC-t megengedhető maximum feszültség beállításával.

Ez után következő időzítő rész azonos az előzővel, azzal az eltéréssel, hogy most relé helyett optotriakot alkalmazunk, részben azért mert ezzel biztonságosan kapcsolható triakon keresztül nagyfeszültségű fogyasztó, részben azért mert ezeknél a megoldásoknál cél a minél kisebb áramfelvétel, hogy a teljesítmény ellenállásokon minél kisebb hő keletkezzen. Megjegyzendő, hogy az ilyen kapcsolásokat ezért szakaszos üzemre célszerű használni.


4. Kikapcsolás késleltetés 230V AC hálózatról PNP tranzisztorral.

Ha előző kapcsolásban a T1 tranzisztort BC557 PNP-vel, és a Z2 Zenert 100 Kohm ellenállással helyettesítjük, és R4-t 1200 ohmra növeljük akkor már egy kikapcsolás késleltetés áll rendelkezésünkre, azzal az eltéréssel, hogy ez az időzítés csak a PB pillanatkapcsolóval, C1 kondenzátor kisütésével indítható. (Lépcsőház világítás, stb.) Ha C1-t 4,7 mF-ra növeljük az időzítés a 10 percet is eléri.

Érdekessége a kapcsolásnak, hogy az időzítésre a 100 Kohmos ellenállásnak nagyobb hatása van mint P1-nek, ugyanis a kondenzátor az emitter - bázis irányból is töltődik, amit ezen keresztül tudunk lassítani.


5. Egyszerű kikapcsolás késleltetés PNP tranzisztorral.


Előző tényen felbuzdulva elkészíthetjük a legegyszerűbb PNP tranzisztoros kikapcsolás késleltetést, a rajz szerint. Ugyanis itt a C1 kondenzátor feltöltését kizárólag a PNP tranzisztor emitter - bázis irányú vezetésére bízzuk, és amikor a bázis feszültség eléri a táp - saturáció értéket a tranzisztor kikapcsol.

Ez az időzítés csak SW1-n keresztül a kondenzátor kisütésével indítható, és mint a diagram mutatja széles időtávra képes, ami a C1, P1 módosításával tovább variálható. Azonban fontos figyelembe venni, hogy rövid időnél a kondenzátor töltés kezdeti nagy áramerősségének korlátozására megfelelő méretű R1 fix ellenállás legyen. Ezért nagyméretű kondenzátornál célszerűbb BC327 tranzisztor használata, ami 200 mA csúcs bázisáramot is elbír, bár ennek a kisebb érzékenysége miatt az idő jelentősen rövidül.


6. Kikapcsolás késleltetés NPN tranzisztorral, optocsatolóval.

NPN tranzisztornál csak korlátozottan alkalmazható előző megoldás, mert a bázison az emitter + saturáció feszültség megléte, már fA nagyságnál is elegendő a kollektoráram megindításához. Ebből eredően a bázissal soros ellenállásnak szinte nincs hatása, és az időzítést csak a kondenzátor nagysága szabja meg.

Ezért a bekapcsolás késleltetéssel ellentétben itt a kisütött kondenzátort nem a + tápról töltjük fel ellenálláson keresztül, hanem pillanatkapcsolóval feltöltjük a kondenzátor - oldalát is + -ra, és ezt potméterrel szabályozottan csökkentjük 0 potenciálra. Ebből adódóan a kapcsolás szinte tükörképe az 1. bekapcsolási rajznak.

Viszont előnye ennek a megoldásnak, hogy (annak ellenére, hogy bázis - emitter irányban is folyik áram) a bázis feszültség tág határok között finoman szabályozható, miként az a diagramból is látható. Valamint az R2 ellenállás miatt a bázisáram sem haladja meg az 50 uA-t, és az R3-al beállított max. 20mA kollektoráramot.

Mint a diagram mutatja 1 Ksec. időnél sem csökkent a kollektoráram az optotranzisztor 5 mA küszöbárama alá.

Ebben az esetben a kimeneten nem relét, hanem optotranzisztort használtunk annak bemutatására, hogy a T1 NPN tranzisztor emitterének lassan csökkenő feszültségét (Ch2 görbe) hogyan alakítja át jól triggerelhető, meredek feszültségesésre (VF3 görbe). Természetesen az optotranzisztor outputja egy izolált másik áramkör (pl. TTL) része is lehet. Ekkor jól alkalmazható a 6N137 tip. inverz-OR IC-s, vagy az OPI8013 Schmitt-IC optocsatoló, mert a triggerelést is megoldja, és TTL szintű alacsony, vagy magas jelet ad ki.


7. Késleltetés N-FET-el és NPN tranzisztorral.

Mint az előzők is bizonyították az áramvezérelt bipoláris tranzisztorok kimenetei (kollektor, vagy emitter) időben lassan változó feszültségeket, áramokat adnak, és ezért az időzítés befejezéséhez kapcsoló eszközt (pl. relét) kellett használni, ami hosszú időknél (a feszültség-, áramváltozás lapos szakaszán) szintén bizonytalan pontokon kapcsolnak.

Ezt küszöböli ki a következő kissé bonyolultabb kapcsolás, amelyik a feszültségvezérelt N-FET-nek azt a tulajdonságát használja fel, hogy ha negatív gátfeszültség eléri felső küszöbértékét, akkor a forrás - nyelő vezetés pillanatszerűen megszűnik. Nagyon szellemesen a negatív gátfeszültség előállítására a villamos tükrözést használja fel.

A késleltetés SW1 zárásával kezdődik, amikor a T2 NPN bipoláris tranzisztor vezetni kezd, ezért az X vezetőben a feszültség leesik (Ch2 görbe) és a táphoz képest feszültség különbség miatt CR1 relétekercs behúz.

Ez feszültségesés a működés alapja, mert e miatt a C1, C2 kondenzátorok pozitív oldala hirtelen kiürül, és a másik (gát) oldal a földnél negatívabbá válik (VF3 görbe). A negatív gátfeszültség indítja T1 N-FET vezetését, s az így stabilizált VF2 feszültség T2 bázisán (VF1 görbe) annak vezetését fenntartja. A FET addig vezet, amíg P1 potméteren keresztül a gátján lévő negatív feszültség (VF3 görbe) a küszöbértékre nem emelkedik, ekkor hirtelen kikapcsol, ezért NPN tranzisztor is leáll, s ekkor X vezetőben a feszültség ismét táp szintre emelkedik, azaz relé kikapcsol.

Lényeges, hogy a FET gátjának kikapcsolási feszültsége minél kisebb negatív érték legyen (betűvel jelölik), mert ezáltal a késleltetés tovább tart. A rajzban a BF245A gát cutt-off -0,4 és -2,2V között van, ami látszik VF3 görbében, hogy a kikapcsolás kb. -1V-nál történik meg.

A 2 mp. és kb. 20 perc közötti késleltetési időkhöz tartozó kondenzátor és potméter értékeket a rajz mutatja. (Hosszabb időre nincs kísérlet, de elvben lehetséges.)

A kapcsolás érzékeny az elem értékekre, és tantál kondenzátor kell, mert szivárgó kondenzátorral nem jön létre a tükrözés, ezért tanácsos modellezni.

A CR1 jelképes jelfogó helyett, ha X vezető feszültségével egy tranzisztort bázisát vezérelünk, akkor NPN tranzisztor kikapcsolást, PNP tranzisztor bekapcsolást hajt végre az időzítés tartama alatt. Lényeges, hogy CR1 helyén 1 Kohm ellenállás legyen, mert különben nem alakul ki a feszültség különbség.

Hátránya a kapcsolásnak, hogy a táp bekapcsolásakor rövidebb idejű késleltetés indul, a kondenzátorok töltöttségi állapotától függően, de az ezt követő nyomógombos indítás már szabályosan folyik le.


8. Az időzítők be-, kimeneti kapcsolata egy összetett áramkörben (pl. vezérlésnél).

Indítás:
Ha a késleltetést egy előző áramkörből akarjuk indítani, akkor a legtöbb problémát a mechanikus pillanatkapcsoló helyettesítése okozza. (A kapcsolásokban az elvi időkapcsoló csak a szimuláció miatt szerepel.) Az még egyszerű, hogy a kapcsoló helyére NPN tranzisztort teszünk (általában 100 mA kollektoráramú megfelel, és az alaphelyzetben pozitív oldal a kollektor), és a bázist indítjuk egy pozitív impulzussal, de a probléma az impulzus előállítása. A megoldásra nincs általános tanács, mert az előző áramkör lehetőségeitől függ, a lényeg, hogy 1-2 mp.-nél hosszabb ne legyen.

(Természetesen, ha negatív impulzus áll rendelkezésre, akkor PNP tranzisztort kell használni.)

Kimenet:
Könnyebb a helyzet a kimenetnél, ezért a mintakapcsolásokban is többféle kimenetet használtunk, annak bemutatására, hogy melyik eszköz milyen kimeneti jelet produkál.

Mint a szimulációs görbék mutatták jól triggerelt kimenetet, határozott kapcsolást adnak a relék, és attól függően, hogy záró, vagy nyitó érintkezőpárt használunk, a késleltetés idejére zárhatunk, vagy megszakíthatunk másik áramkört, amik lehetnek a késleltetőtől teljesen függetlenek, akár nagyfeszültségűek is. Hátrányuk viszont az, hogy a késleltető tranzisztorán viszonylag magas áramot igényelnek (20 - 40 mA), ami a késleltetés idejét csökkenti.

Másik jó megoldás az optocsatoló használata a kimeneti áramkörben, és ekkor az áramszükséglet is jelentősen (3-5 mA) csökken. A triggerelt kimenet miatt nagyfeszültséghez az optotriak, kisfeszültséghez az optoIC a legalkalmasabb, mert az optotranzisztornál is fennáll a kimeneti feszültség folyamatos változása, amit ha szükséges még triggerelni kell.

Kevésbé jó, de sok esetben megfelel, ha a késleltető tranzisztor feszültség változását vezetjük a vezérelt áramkör tranzisztorának bázisára. Ekkor egészen kicsi áramok (néhány tucat uA) is elégségesek. Itt a csatolási pont az, ahol az időzítő tranzisztor feszültségváltozását mértük, és a csatoló ellenállást a tranisztorra megengedhető maximális bázisáramra kell méretezni. De ezen túlmenően még egyszerű "triggerelést" is alkalmazhatunk, ha a bázis elé a késleltetés végfeszültségének megfelelő Zener diódát teszünk, hasonlóan, mint 2. példánál. Ha a vezérelt áramkörnél fordított feszültségszintre van szükségünk, akkor PNP tranzisztorral csatolunk.

(Ne felejtsük el a relé tekercs ellenállását pótolni, a feszültségkülönbség kialakulásához.)

A csatoláshoz tranzisztor helyett alkalmazhatunk Schmitt triggert is, aminek csak egyetlen hátránya van, az hogy a magas és alacsony triggerelési küszöbfeszültség értékei előre meghatározottak. Tehát ha a késleltetőről érkező feszültség e szint alá kerül, a trigger 0 értékre, vagy ha felső küszöb fölé kerül, akkor táp szintre vált, vagy fordítva, ha inverz triggert használunk.

Van ez ellen is orvosság, az alábbi kapcsolás szerinti egyszeres műveleti erősítőből kialakított trigger:

A rajz egy 741 tip. egyszeres műveleti erősítő pozitív visszacsatolású, invertáló kapcsolását mutatja, ahol az időzítőről beérkező feszültség az R4 csatoló ellenálláson keresztül az inverz bemenetre jut. (A VG1 feszültséggenerátor csak az 1. példában szereplő kollektor feszültséget (Ch2) szimulálja)

A triggerelés működése a következő:
Amíg az inverz (-) bemenetre érkező feszültség magasabb, mint a nem inverz (+) bemenet feszültsége (alsó küszöb), addig a Me. kimenete 0V (a gyakorlatban ettől kissé több). Ha az input feszültség a nem inverz feszültség alá kerül, akkor a Me. kimenete szintet vált, és tápfeszültséget ad ki. Ezzel egyídeűleg a nem inverz bemenet is küszöbfeszültséget vált és felső értékre kerül, és addig azon marad, amíg az input ezt meg nem haladja.

Ez azért van, mert az output 0V feszültségű (indításkor) és a nem inverz (+) bemenetre jutó feszültséget az R1, R2, R3 feszültségosztó ellenállások beállítják, ami ekkor R2, R3 párhuzamos kapcsolása miatt (mindkettő egyik oldala 0V, másik meg a + bemenet) könnyen számítható a + bemenet alsó küszöb feszültsége:

amikor az alsó küszöböt eléri az inverz bemenet, akkor output Utáp szintre vált és R1, R2 kerűl párhuzamos kapcsolásba.

A kapcsolás különös előnye Schmitt triggerrel szemben, hogy magunk határozhatjuk meg azt az alsó küszöbfeszültséget ahol a késleltetést be akarjuk fejezni. (Feltéve azt, hogy az időzítő tranzisztor előbb nem zár le.)

A példa szerint a számított Uak = 2,5 V ; Ufk = 7,25 V, amitől a mért érték némileg eltér a 0 pont eltolódás miatt, de ez mérés után korrigálható, pl. R1 20 Kohmra cserélésével.

Sokkal egyszerűbb a triggerelés ha nem invertáljuk az időzítő tranzisztor kimeneti feszültségét:

Itt amíg a feszültségosztó R1, R3 ellenállásokkal beállított alsó küszöbfeszültségre nem csökken az input, addig tápfeszültségen van az output, ha ezt elérte, akkor majdnem 0-ra csökken. Hátránya a megoldásnak, hogy felső küszöb érték nem létezik, de jelen esetben erre nincs is szükség, mert az csak a 3. példa szerinti kimenetnél kell.

A különböző ellenálláspárokhoz tartozó küszöbfeszültségeket a diagram mutatja. A 741 -n kívül bármilyen más egyszeres, általános célú műveleti erősítő is használható.

A triggerelő áramkör működhet az időzítővel azonos, de akár a vezérelt áramkörrel azonos tápról is, és alkalmazható az 1, 2, 4, 5, 6 példa szerinti késleltetőknél.

Előző példák és kísérletek csak minták, - alapötletek késleltető készítéshez - ezektől eltérő tápfeszültségű, időzítésű és egymással variált áramkörök építhetőek. Javaslom először az áramkör deszkamodellen való kikísérletezését, amihez eredményes munkát kívánok.

FIGYELEM!

A kapcsolás elkészítésekor fokozottan ügyelni kell a hálózati feszültség miatt az érintésvédelmi szabályok betartására!
Nézettség:

Szint:
 

Szavazat:

Készült:
2010. január 14. 11:24

Vélemény:
0

Szavazat:
17

Mai látogató:
8

Utolsó látogatás:
Ma 07:36:18

Bejelentkezés után használható funkció!
Értékeld a cikket!

Szavazatok
3,6
17
  6  ★★★★★
  4  ★★★★
  3  ★★★
  2  ★★
  2  ★

Legújabb írás

Hangos kapcsolások
     

VÉLEMÉNYEK, HOZZÁSZÓLÁSOK

Eddig még senki nem írt hozzászólást ehhez a cikkhez.