Řídíme větší zátěž pomocí počítače

Spínací tranzistor

Nejjednodušší způsob, jak připojit nějakou větší zátěž k portu (oddělenému, či neoddělenému) je spínací tranzistor. Pro malé zátěže (do 30 V, do 100 mA) lze použít nějaký běžný NPN tranzistor se zesílením 100–300 a v ceně 1–3 Kč. Třeba KC507, nebo BC547. Proud bází tranzistoru by měl být alespoň Ib=Ic/h21e, kde Ic je proud kolektoru (požadovaný proud zátěže) a h21e je zesilovací činitel. Zesilovací činitel – vezměte ten nejnižší z datasheetu – mění se se zapojením, proudem a teplotou. Pro nižší úbytek napětí na tranzistoru je lepší dostat ho do saturace, tj. pustit do báze cca 3× větší proud. Podle toho se spočítá odpor v bázi (úbytek napětí na bázi je cca 0,7 V, takže R=(5–0.7)/Ib, za předpokladu, že paralelní port dává 5 V. Napětí +U nesmí přesáhnout maximální napětí Uce tranzistorů.

Pokud je potřeba spínat něco většího, dá se použít dvoustupňové zapojení s tranzistory, nebo darlingtonovo zapojení. Darlingtonovo zapojení je vlastně virtuální tranzistor s větším zesílením. Často se prodává jako jedna součástka – třeba BDX33C Ic=10A/Uce=100V/h21e­=750 -, která dokáže spínat proudy několika ampér se zesílením h21e=300 až 1000. Zapojení je pak naprosto stejné jako s normálním tranzistorem (v tom pouzdře jsou samozřejmě ve skutečnosti dva tranzistory), akorát úbytek napětí je vyšší a na bázi je potřeba cca 1,4 V. Darlingtonovo zapojení je také pomalejší.

FET

Pokud vadí úbytek napětí na tranzistoru, dá se použít FET – třeba IRF530, který má odpor v sepnutém stavu 0,16 ohmů a vydrží 100 V. Nevýhoda FETů je, že jsou citlivější, než bipolární tranzistory, ale tyto výkonové FETy jsou poměrně odolné. Problém je, že 4–5 V z paralelního portu výkonového FETa nesepne (vyrábějí se i TTL FETy, ale jsou na nižší proudy a nejsou běžné), takže je třeba udělat před něj spínací stupeň s tranzistorem. FET dokáže bez problémů spínat jednotky MHz, ale s kapacitou gate řádově 1nF vychází spínací proudy nepříjemné vysoké (jednotky ampér).

Maximální napětí +U je dáno datasheetem FETu. Zmíněných +10 až +30 V je rozmezí napětí na gate, které už sepne a ještě nezničí typický výkonový FET – samozřejmě je také dáno datasheetem. Odpor v kolektoru bipolárního tranzistoru může být od 10R (pokud to bipolární tranzistor snese) do 10M. Čím menší, tím rychleji se FET nabije, takže záleží na požadované rychlosti spínání. Nicméně pokud vyjde něco pod cca 100–200 ohmů, rozhodně doporučují použít hotový budič FETu, nebo k tomuto účelu postačit dvojčinný zesilovač s bipolárními tranzistory. Na 4kHz PWM řízení motoru jsem měl tuším 1k.

Toto vše platí pro spínání odporové zátěže. Pokud je třeba spínat induktivní zátěž (elektromagnet, relé, elektromotor, apod.), je nutné dát k ní antiparalelně diodu, která přebere proud zátěží v okamžiku rozepnutí tranzistorů. Jinak (zvláště pak u FETu) riskujeme ztrátu tranzistoru … navíc mít v obvodu několikasetvoltové napěťové špičky je dost nevhodné.

Magnetické oddělení

V předminulém díle jsem zmínil i magnetické oddělení. Existují poměrně drahé oddělovací prvky, které dovolí oddělit i analogový signál. Nicméně také existují jedny z nejstarších aktivních elektronických součástek – relé. Jsou sice velmi pomalá, zato však nabízejí spínání téměř libovolného výkonu a napětí.

Relé

Pokud chceme připojit nějaké větší zařízení – třeba zapínat 12 V klaxon z auta – bude tranzistorové řešení zbytečně komplikované a pokud by mělo být ještě oddělené, bude v něm zbytečně mnoho součástek. Nevadí-li, že sepnutí a rozepnutí trvá desetiny sekundy, lze použít relé.

Relé je vlastně elektromagnet, který spíná kontakty. Cívka přitáhne svým polem kus oceli a ten sepne kontakty, které za normálního stavu drží rozeplá pružina (nebo jsou kontakty samy tou pružinou). Relé mohou mít i rozpínací kontakty, které pracují přesně opačně – jsou sepnuté, neteče-li cívkou relé proud. Často bývají kontakty zkombinované do přepínacích a těch může být více. Oblíbená kombinace je 2× přepínací kontakt. Ta už umožňuje přepólovat napájení třeba motoru jedním relátkem.

Kontakty relé zpravidla snesou (dokáží rozepnout) 50–500 V, 0,1–10 A a relé bez problémů dokáže oddělit 1000 V (všechno je zase v datasheetu – jsou i relé na malé proudy a malá napětí – dokonce i relé, která vypadají jako integrovaný obvod řady 74). Tyto parametry svádí k připojení nějakého 230V spotřebiče k paralelnímu portu. Součástky to samozřejmě dokáží, ale zamyslete se prosím nad tím, zda dostatečně rozumíte problematice a dokážete to udělat bezpečně. To, že mezi 230V stranou a 5V stranou musí kdekoliv zůstat aspoň 5mm (i na plošňáku) je naprosté minimum … Případně se poraďte s někým, kdo má větší zkušenosti s 230V rozvody.

Stykač

Pokud chcete ovládat větší zařízení (třífázový motor, letecký 28 V/400 A dynamostartér, nebo něco podobného), můžete použít stykač. Stykač je vlastně relé na větší proud a většinou s více kontakty (oblíbené jsou 3 velké spínací na třífázový proud a nějaké malé). Jediný konstrukční rozdíl spočívá v možnosti provozu na střídavý proud, což je zajištěno závitem nakrátko na jádře, které je (na rozdíl od relé) z rozdělených plechů (pro zmenšení ztrát vířivými proudy). Stykač bude fungovat i na stejnosměrný proud, ale je lepší to zkonzultovat s datasheetem… nebo stykačem nechat protékat stejný proud, jaký v něm protéká ve střídavém obvodu (kde se navíc projevuje reaktance cívky). Stykače mívají cívky na 12 V, 24 V, 48 V a 220/230 V. Proud cívkou bývá takový, že je nejefektivnější spínat ji za pomoci relé.

Pozor: je důležité, co relé/stykač vypne a ne co zapne. Při vypínání dochází k vytažení oblouku (při vyšších proudech, zvláště pak stejnosměrných). Rozhodně nelze neznámý stykač testovat tak, že ho sepnete, pak připojíte zátěž (třeba 5kW žárovku nebo cirkulárku), tu budete případně zvyšovat (přeříznete poleno), pak vypnete zátěž a nakonec stykač. V tomto režimu ustojí mnohem víc, než kdybyste se ho pokoušeli vypnout při plném proudu.

Samotné relé zapojíte podle schématu pro připojení induktivní zátěže. Relé a stykač do kaskády za sebe.

Napětí U1 a U2 mohou být samozřejmě stejná a zátěž nemusí být napájena ze stejného zdroje jako stykač. Nicméně je to nejtypičtější zapojení.

Bipolární relé

Další zajímavou součástkou je bipolární relé. Stojí okolo 100 Kč a má dvě cívky – jednou se zapíná a druhou vypíná. Pokud má více kontaktů, je poměrně snadná i detekce stavu – zapojíte jeden kontakt mezi vstup portu a zemi, mezi vstup portu a +5 V dáte pull-up odpor cca 4k7 a aktuální stav relé si můžete kdykoliv přečíst. Samozřejmě je nutné pustit do cívky jen krátký puls a nezatěžovat ji zbytečně, na druhou stranu puls musí být dost dlouhý, aby se relé stihlo přepnout. K ukončení pulsu lze s výhodou použít právě detekci stavu. Relé si pamatuje hodnotu (1bit) i při vypnutém napájení.

Pár doporučení

Od každé součástky si přečtěte datasheet. Jaké jsou maximální proudy, výkony, napětí… Pokud používáte nějaké šuplíkové zásoby bez čitelného označení, musíte to vyzkoušet, ale je dost možné, že váš obvod nepůjde snadno zkopírovat.

Určitě si přečtete komentáře pod články. Já se bastlením neživím, takže mu můžu věnovat méně času, než bych si přál … a ne vždy mě napadnou všechny možné problémy, které mohou nastat. Také má smysl kouknout se na Wikipedii. Berte tento seriál spíše jako vodítko – co jde udělat, jaké jsou součástky a čím začít. Případné konkrétní dotazy samozřejmě zodpovím, budu-li vědět.