Релейные схемы используются в системах авторегулирования: для поддержания заданной температуры, освещенности, влажности и т.д. Подобные схемы, как правило, похожи и в качестве обязательных узлов содержат датчик, пороговую схему и исполнительное или индикаторное устройство (см. список литературы).
Релейные схемы реагируют на превышение контролируемого параметра над заданным (установленным) уровнем и включают исполнительное устройство (реле, электродвигатель, тот или иной прибор).
Также возможно оповещение звуковым или световым сигналом о факте выхода контролируемого параметра за пределы допустимого уровня.
Термореле на транзисторах
Термореле (рис. 1) выполнено на основе триггера Шмитта. В качестве датчика температуры используется терморезистор (резистор, сопротивление которого зависит от температуры).
Потенциометр R1 устанавливает начальное смещение на терморезисторе R2 и потенциометре R3. Его регулировкой добиваются срабатывания исполнительного устройства (реле К1) при изменении сопротивления терморезистора.
Рис. 1. Схема простого термореле на транзисторах.
В качестве нагрузки в этой и других схемах этой главы может быть использовано не только реле, но и слаботочная лампа накаливания.
Можно включить светодиод с последовательным токоограничивающим резистором величиной 330…620 Ом, генератор звуковых колебаний, электронную сирену и т.д.
При использовании реле контакты последнего могут включать любую электрически изолированную от цепи датчика нагрузку: нагревательный элемент либо, напротив, вентилятор.
Для защиты выходного транзистора от импульсов напряжения, возникающих при коммутации обмотки реле (индуктивной нагрузки), необходимо включать параллельно обмотке реле полупроводниковый диод.
Так, на рис. 1 анод диода должен быть соединен с нижним по схеме выводом обмотки реле, катод — с шиной питания. Вместо диода с тем же результатом может быть подключен стабилитрон или конденсатор.
Как устроен полевой транзистор: 6 типов — краткие сведения
Разобраться с конкретным полевиком и понять его структуру нам поможет классификация, приведенная на картинке ниже, где структурированы их виды.
JFET и MOSFET имеют разную структуру. У JFET затвор (Gate) непосредственно встроен в поперечное сечение канала, работает как управляющий p-n переход.
У мосфета:
- имеется дополнительный четвертый вывод, соединенный внутренней связью с корпусом. При подключении к внешним цепям им не пользуются;
- зона вывода затвора отделена слоем диоксида кремния (диэлектрика) от полупроводника канала. Он работает как пластина конденсатора с емкостной связью. За счет этой доработки его и называют «с изолированным затвором» или МДП, МОП транзистор.
МДП обозначает металл-диэлектрик-полупроводник, а МОП — металл-оксид-полупроводник. Разница между ними для начинающего электрика не существенна, практически отсутствует.
На схемах мосфет и джифет обозначаются разными способами. MOSFET чертится с:
- четвертым выводом, который никуда не подключается;
- затвором, отделенным от основного канала.
Мосфеты производятся с разными подложками (каналами), которые могут быть обедненными или обогащенными основными носителями заряда.
Более подробно разрисовывать и описывать отличия каждого типа этих полупроводников для начинающего электрика я не буду: нет большого смысла.
Ниже просто привожу типовые графики их работы. Они дадут общее представление о поведении, а конкретные данные вам надо будет брать из даташита — технической документации.
Сила протекающего тока через сток зависит от приложенного напряжения между затвором и истоком, а также от окружающей температуры.
Выходные стоковые характеристики тока зависят от величины приложенного напряжения между стоком-истоком и затвором-истоком.
Так работает МДП-транзистор с встроенным каналом. Крутизна тока увеличивается при возрастании напряжения Uси, Uзи.
А здесь характеристики транзисторов с индуцированным каналом.
Перед любой проверкой каждого транзистора необходимо уточнять его технические возможности по заводской документации.
Такие графические изображения и зависимости процессов электротехники, благодаря наглядности, обладают лучшей информативностью.
6 особенностей работы электронных устройств с MOSFET
В последнее время у нас все чаще работают полевики типа мосфет с каналом любой проводимости.
Вкратце проанализируем подобную схему и ее свойства.
Нюанс №1: в какое плечо включать нагрузку
При полностью открытом полупроводниковом переходе между стоком и истоком создается очень маленькое сопротивление в десятки или сотни миллиОм (Rоткр), что образует низкое падение напряжения н
а этом участке (Iн·Rоткр), где Iн — величина тока нагрузки.
Потенциала напряжения, подаваемого на затвор, может не хватить для полного открытия полупроводника. Поэтому нагрузку включают выше со стороны стока в полевике n- типа, а истока — у p- типа при питании схемы от одного источника.
Если же в устройстве используются дополнительные источники напряжения, то это требование соблюдать не обязательно.
Нюанс №2: хитрости подключения полевика к микроконтроллерам
Для надежной работы MOSFET необходимо между его затвором и истоком (gate-source) подать пороговое значение напряжения, которое указывается в даташите. Обычно оно составляет около 10 вольт. Все же цифровые устройства работают до пяти: их питания недостаточно, потребуется добавить уровень.
Решить проблему можно одним из трех способов:
- ключом с биполярными транзисторами подается необходимое питание на затвор;
- подключить специальный драйвер (микросхему) для формирования управляющего сигнала. Они созданы как для верхнего, так и нижнего плеча с учетом нагрузки. Причем в драйвере верхнего плеча часто применяется схема увеличения выходного напряжения;
- использовать специализированный полевик низкого уровня открытия (logic level). Однако приобрести его бывает проблематично.
Нюанс №3: как избежать влияния электрических помех
Появление любого потенциала помехи на выводе транзистора часто приводит к его несанкционированным переключениям и нарушению алгоритмов работы электроники.
Поэтому затвор всегда «притягивают» к питанию либо земле через определенное сопротивление даже при подключении через микроконтроллер. Его нельзя оставлять в свободном состоянии, доступном для проникновения посторонних помех.
Советуем к прочтению: Что такое конденсатор и для чего он нужен?
Нюанс №4: борьба с броском тока при включении
Естественное наличие емкости на выводе gate приводит к «броску тока» при каждом открытии транзистора. Это чревато выводом из строя полупроводникового перехода.
Проблема решается введением в цепочку затвора резистора достаточного номинала. Однако подбирать его величину необходимо с учетом увеличения времени открытия ключа.
Нюанс №5: предохранение от броска тока при отключении индуктивных нагрузок
Защитный быстродействующий TVS-диод, параллельно включенный между истоком и стоком, надежно шунтирует импульсы, создаваемые отключением индуктивных нагрузок.
При работе на высоких частотах мостовых или полумостовых схем импульсных блоков питания либо индукционных нагревателей варочных панелей на вывод стока встречно подключают диод Шоттки, блокирующий паразитный диод, ибо он увеличивает время закрытия, что чревато повреждением полупроводника.
Нюанс №6: дополнительная защита MOSFET
Безопасная работа скоростного высокочастотного ключа в режиме переключения мощных индуктивнных нагрузок обеспечивается его подключением к снабберным цепям. Они:
- замыкают на себя апериодические токи, создаваемые переходными процессами;
- снижают нагрев полупроводников;
- защищают полевик от несанкционированного открывания во время быстрого возрастания напряжения между стоком и истоком.
Простой термоиндикатор
Термореле (рис. 3), или, говоря точнее, термоиндикатор, выполнен по мостовой схеме [ВРЛ 83-24]. Когда мост сбалансирован, ни один из светодиодов не светится. Стоит температуре повыситься, включится один из светодиодов.
Рис. 3. Принципиальная схема простого термо-индикатора на одном транзисторе и светодиодах.
Если температура, напротив, понизится, загорится другой светодиод. Чтобы различать, в какую сторону изменяется температура, для индикации ее повышения можно использовать светодиод красного свечения, а для индикации понижения — светодиод желтого (или зеленого) свечения. Для балансировки схемы вместо резистора R2 лучше включить потенциометр.
Пример работы транзистора в режиме ключа
Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).
Советуем к прочтению: Маркировка конденсаторов — таблица расшифровки конденсаторов
При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.
Фотореле с двухкаскадным усилителем
Схема фотореле, показанная на рис. 5, содержит двухкаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах разного типа проводимости.
Рис. 5. Принципиальная схема фотореле с двухкаскадным усилителем.
При изменении электрического сопротивления фотодиода и, соответственно, смещения на базе транзистора VT1, увеличится коллекторный ток выходного транзистора усилителя VT2, и напряжение на резисторе R2 возрастет.
Как только это напряжение превысит напряжение пробоя порогового элемента — полупроводникового стабилитрона VD2, включится оконечный каскад на транзисторе VT3, управляющий работой исполнительного механизма (реле).
Использование в схеме порогового элемента (полупроводникового стабилитрона) повышает четкость срабатывания фотореле.
Порядок наладки 2
Для достижения максимальной выдержки времени устанавливается установочный ток от цепи смещения базы транзистора VT2 через тиристор VS1 подбором резисторов R8, R9. Ток замеряется миллиамперметром.
Общая точка резисторов R8 и R9 подключается к “-” через диод, который служит для компенсации учета поправки перехода анод-катод тиристора VS1. Методом подбора резисторов R8 и R9 устанавливается рабочий ток максимум до 2,7…2,9 мА (около 90%) от общего тока, но не доводится до начального тока отключения тиристора VS1, иначе тиристор за счет тока базы может не закрыться. Далее подбирается резистор R6 цепи рабочего тока питания тиристора от эмиттера транзистора VТ1 времязадающей цепи.
Данный расчет составляет при достижении через резистор R6 тока менее 0,42 мА (около 10% тока удерживания тиристора), тиристор VS1 закроется. Далее заряжаем конденсатор С1. Когда реле К1 включится, замкнем цепь конденсатора С1, произойдет разряд конденсатора.
Реле К1 должно быстро отключиться, это следует повторить несколько раз. Примечание: при использовании транзисторов VТ2 других типов с малыми токами базы, а особенно транзистора п-р-п проводимости, когда ток удерживания тиристора больше 8 мА, рекомендуется дополнительно через тиристор VS1 подключать балластное сопротивление по схеме на рис. 4.
Практика испытаний показала, что тиристоры КУ101Е и КУ101Г имеют токи удерживания 2…5 мА, а КУ101А — в основном более 8 мА. Также испытания производились на симисторах, в частности ТС6-10, у которого удерживающий ток равнялся 5 мА.
Устройство на рис. 4 отличается от устройства на рис. 3 тем, что дополнительно анод тиристора VS1 подключается к источнику питания “+” через задатчик тока из элементов подстроечного резистора R8 и токоограничивающего резистора R9. Элементы задатчика тока являются балластными сопротивлениями, которые устанавливаются при больших токах удерживания тиристора.
Регулятором R8 настраивается ток тиристора в широком диапазоне, который также изменяет время выдержки реле. Основное назначение задатчика — подбор установочного тока (при условии 90% тока удерживания) через тиристор, а остальной ток удерживания (10%) через времязадающую цепочку должен сохраняться.
Диод VD3 запирает от дополнительной связи с “+” базу ключа транзистора VТ2 через элементы задатчика тока. Также диод VD3 улучшает динамику коммутации ключа транзистора VТ2.
Второе отличие устройства (рис.4)от устройства(рис.3)заключается в том, что коммутационный блок установлен на транзисторе VТ2 с п-р-п проводимостью. Реле К1 с включением источника питания будет включено, а с нажатием кнопки SB1 реле К1 отключается на установленное время выдержки. На рис. 5 приведено устройство электронного реле на симисторной оптопаре U1 типа МОС3063 или МОС3082.
Проведенные испытания показали, что ток удерживания данных симисторов составляет в пределах 0,4…0,7 мА, а в схеме описания минимальный ток удерживания на оптопаре U1 МОС3063 составил 0,55 мА.
При таком подключении гальваническая развязка теряется между управляющим светодиодом и выходом ключа оптопары, а принцип работы аналогичен триодному тиристорному переключателю.
Диод VD4 запирает базу транзистора VТ2 от связи с “- ” через светодиод оптопары при закрытом состоянии ключа оптопары, стабилитрон VD3 устанавливается для компенсации падения напряжения на переходе управляющего светодиода, т.е. увеличивается общее падение напряжения на переходе, который не должен быть меньше цепи перехода ключа симистора. Параметры стабилитронов могут изменяться на другие номиналы.
Для открытия ключа фотосимистора в источнике постоянного тока достаточен кратковременный импульс рабочего тока на светодиоде оптопары, и ключ переходит в режим диода. С установкой стабилитрона VD3 при достижении определенного напряжения на эмиттере транзистора VТ1, ток через светодиод оптопары закрываться, ток будет протекать только по большому сопротивлению цепи ключа оптопары, что дает увеличение времени выдержки реле.
Конденсатор С2 служит для дополнительного импульсного включения симистора U1, что особенно необходимо при увеличении номинала токоограничивающего резистора R5 и стабилитрона VD3.
Стабилитрон VD2 служит для защиты светодиода оптопары, максимально допустимый ток которой достигается при напряжении 1,5 В на переходе управляющего светодиода ключа оптопары.
Данный фотосимистор имеет очень малый удерживающий ток, поэтому схема выходного ключа транзистора выполнена на составном транзисторе VТ2 и VT3 с большим входным сопротивлением. Принцип,наладка и условия работы аналогичны описанию триодного тиристора.
При тщательном подборе элементов с данным номиналом конденсатора С1 можно добиться гораздо большей выдержки времени с подбором резисторов R6 и R8. Время выдержки на этой схеме составило 0… 40 минут.
При увеличении номинала резистора R6 выдержка времени увеличивается, но погрешность может возрасти. При многократных испытаниях погрешность в среднем составила в пределах 2%.
Эта погрешность зависит не только от самого фотосим-истора, но и от элементов схемы. Основное достоинство ключа оптопары на данном симисторе отличается крутой характеристикой, т.е происходит мгновенное отключение катушки реле с напряжения питания до нуля.
Фотореле со звуковой сигнализацией
Фотореле (рис. 6) является таковым не в полной мере, поскольку реагирует на изменение освещенности плавным изменением частоты генерируемых колебаний [B.C. Иванов].
Рис. 6. Принципиальная схема фотореле со звуковой сигнализацией.
В то же время это устройство может работать совместно с измеряющими частоту приборами, частотно-избирательными реле, сигнализировать высотой звукового сигнала об изменении освещенности, что может быть весьма актуально для слабовидящих.
Схема реле влажности, реле уровня жидкости
Реле влажности или реле уровня жидкости (рис. 7) так же, как и некоторые из вышеприведенных схем выполнено на основе триггера Шмитта [МК 2/86-22].
Рис. 7. Принципиальная схема реле влажности, реле уровня жидкости.
Порог срабатывания устройства устанавливают регулировкой потенциометра R3. Контакты датчика влажности выполнены в виде медного (Си) и железного (Fe) стержней, погруженных в землю.
При изменении содержания влаги в земле электропроводность среды и сопротивление между электродами меняются. С увеличением смещения на базе транзистора VT1 он открывается.
Коллекторный и эмиттерный токи транзистора возрастают, что приводит к росту напряжения на потенциометре R3 и, соответственно, к переключению триггера.
Реле срабатывает. Устройство может быть настроено на уменьшение электропроводности земли ниже заданной нормы. Тогда, при срабатывании исполнительного устройства, включается система автоматического полива земли (растений).
Что выбрать
- Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
- Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
- Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
- Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.
Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.
Реле времени
Реле времени (рис. 
описано в книге П. Величкова и В. Христова (Болгария). Кратковременное нажатие на кнопку SA1 разряжает времязадающий конденсатор С1 и устройство начинает «отсчет времени».
Рис. 8. Принципиальная схема реле времени на транзисторах.
В процессе заряда конденсатора напряжение на его обкладках плавно увеличивается. В итоге, через некоторое время реле сработает, и включится исполнительное устройство.
Скорость заряда конденсатора, а, следовательно, и время выдержки (время экспозиции) можно изменять потенциометром R1. Реле обеспечивает максимальное время экспозиции до 10 сек при указанных на схеме параметрах элементов. Это время может быть увеличено за счет увеличения емкости конденсатора С1, либо сопротивления потенциометра R1.
Стоит отметить, что для столь простых схем «аналоговых» таймеров стабильность временного интервала невелика. Кроме того, нельзя до бесконечности наращивать емкость времязадаю-щего конденсатора, поскольку заметно возрастает его ток утечки.
Такой конденсатор неприемлем в схемах «аналоговых» таймеров. Существенно увеличить время экспозиции за счет сопротивления потенциометра R1 также нельзя, поскольку входное сопротивление последующих каскадов, если только они не выполнены на полевых транзисторах, невелико.
Аналоговые таймеры (реле времени) широко используют при фотопечати, для задания времени выполнения каких-либо процедур. Эти устройства используются, например, для получения воды, ионизированной серебром.
Реле что реагирует на уровень напряжения
Реле напряжения (рис. 9, 10) используются для контроля заряда или разряда элементов питания, аккумуляторов, контроля напряжения питания, поддержания напряжения на заданном уровне. Схемы, описанные в книге П. Величкова и В. Христова, предназначены для контроля разряда (рис. 9) или перезаряда (рис. 10) аккумулятора.
Рис. 9. Принципиальная схема реле для контроля разряда аккумулятора.
Рис. 10. Принципиальная схема реле для контроля перезаряда аккумулятора.
При необходимости напряжение срабатывания этих устройств может быть изменено. Порог срабатывания задается типом стабилитрона. Для изменения в небольших пределах порога срабатывания подобных реле последовательно со стабилитроном можно включать 1 — 3 германиевых Щ9) или кремниевых (КД503, КД102) диодов в прямом направлении.
Катоды диодов должны «смотреть» в сторону базы входного транзистора. Германиевый диод смещает порог срабатывания примерно на 0,3 В, а кремниевый — на 0,5 В.
Для цепочки из двух, трех диодов эти значения удваиваются (утраиваются). Промежуточные значения напряжений можно получить при последовательном включении германиевого и кремниевого диодов (0,8 В).
