Tranzistorový kľúč s efektom poľa

Možno aj človek ďaleko od elektroniky počul, že existuje taký prvok ako relé. Najjednoduchšie elektromagnetické relé obsahuje elektromagnet, keď je naň privedené napätie, sú zatvorené ďalšie dva kontakty. Pomocou relé môžeme spínať pomerne silnú záťaž, priložením alebo naopak, odstránením napätia z ovládacích kontaktov. Najrozšírenejšie sú relé ovládané od 12 voltov. Existujú aj relé pre napätie 3, 5, 24 voltov.

Výkonnú záťaž však môžete spínať nielen pomocou relé. Nedávno sa rozšírili vysokovýkonné tranzistory s efektom poľa. Jedným z ich hlavných účelov je fungovať v kľúčovom režime, t.j. tranzistor je buď uzavretý alebo úplne otvorený, keď je odpor prechodu Drain-Source prakticky nulový. Tranzistor s efektom poľa môžete otvoriť privedením napätia na bránu vzhľadom na jej zdroj. Činnosť spínača na tranzistore s efektom poľa môžete porovnať s činnosťou relé - na bránu sa privedie napätie, tranzistor sa otvorí a obvod sa uzavrie. Z brány bolo odstránené napätie - okruh bol otvorený, záťaž bola odpojená od napätia.

V tomto prípade má tranzistorový spínač s efektom poľa určité výhody oproti relé, ako napríklad:

• Skvelá výdrž. Pomerne často relé zlyhávajú kvôli prítomnosti mechanicky pohyblivých častí, ale tranzistor za správnych prevádzkových podmienok má oveľa dlhšiu životnosť.
• Ekonomický. Vinutie relé spotrebúva prúd, niekedy dosť významný. Brána tranzistora spotrebúva prúd iba vtedy, keď je na ňu privedené napätie, vtedy nespotrebováva prakticky žiadny prúd.
• Žiadne kliknutia pri prepínaní.

Schéma

Spínací obvod pre tranzistor s efektom poľa je uvedený nižšie:

Rezistor R1 v ňom obmedzuje prúd, je potrebný na zníženie prúdu spotrebovaného bránou v okamihu otvorenia, bez neho môže tranzistor zlyhať. Hodnota tohto odporu sa dá ľahko meniť v širokom rozsahu, od 10 do 100 ohmov, neovplyvní to činnosť obvodu.

Rezistor R2 ťahá hradlo k zdroju, čím vyrovnáva ich potenciály, keď na hradlo nie je privedené žiadne napätie. Bez nej zostane brána „visieť vo vzduchu“ a tranzistor nie je možné zaručiť, že sa zatvorí. Hodnotu tohto odporu je možné meniť aj v širokom rozsahu - od 1 do 10 kOhm.

Tranzistor T1 je N-kanálový tranzistor s efektom poľa. Musí sa zvoliť na základe výkonu spotrebovaného záťažou a hodnoty riadiaceho napätia. Ak je menej ako 7 voltov, mali by ste si vziať takzvaný „logický“ tranzistor s efektom poľa, ktorý sa spoľahlivo otvára pri napätí 3,3 - 5 voltov. Možno ich nájsť na základných doskách počítačov. Ak je riadiace napätie v rozsahu 7-15 voltov, môžete si vziať „bežný“ tranzistor s efektom poľa, napríklad IRF630, IRF730, IRF540 alebo akékoľvek iné podobné.V tomto prípade by ste mali venovať pozornosť takej charakteristike, ako je odpor otvoreného kanála. Tranzistory nie sú ideálne a ani v otvorenom stave nie je odpor prechodu Drain-Source nulový. Najčastejšie ide o stotiny Ohmu, čo nie je vôbec kritické pri spínaní záťaže s nízkym výkonom, ale je veľmi významné pri vysokých prúdoch. Preto, aby ste znížili pokles napätia na tranzistore a podľa toho znížili jeho zahrievanie, musíte zvoliť tranzistor s najnižším odporom otvoreného kanála.

„N“ v diagrame – akékoľvek zaťaženie.

Nevýhodou tranzistorového spínača je, že môže pracovať iba v obvodoch jednosmerného prúdu, pretože prúd tečie iba z Drain do Source.

Vytvorenie tranzistorového spínača s efektom poľa

Takýto jednoduchý obvod je možné zostaviť pomocou povrchovej montáže, no ja som sa rozhodol vyrobiť miniatúrnu dosku plošných spojov technológiou laser-železo (LUT). Postup je nasledovný:

1) Vystrihnite kúsok DPS, ktorý rozmermi zodpovedá dizajnu dosky plošných spojov, očistite ho jemným brúsnym papierom a odmastite alkoholom alebo rozpúšťadlom.

2) Dizajn plošného spoja vytlačíme na špeciálny termotransferový papier. Môžete použiť lesklý papier na časopisy alebo pauzovací papier. Hustota tonera na tlačiarni by mala byť nastavená na maximum.

3) Preneste dizajn z papiera na textolit pomocou žehličky. V takom prípade by ste mali zabezpečiť, aby sa papier s dizajnom nepohyboval vzhľadom na textolit. Doba ohrevu závisí od teploty žehličky a pohybuje sa od 30 do 90 sekúnd.

4) Výsledkom je, že sa na doske plošných spojov objaví zrkadlový obraz stôp. Ak toner na niektorých miestach nedrží dobre na budúcej doske, môžete chyby opraviť pomocou dámskeho laku na nechty.

5) Ďalej položíme textolit na leptanie.Spôsobov na výrobu leptacieho roztoku je veľa, ja používam zmes kyseliny citrónovej, soli a peroxidu vodíka.

Po leptaní získa doska tento tvar:

6) Potom je potrebné odstrániť toner z DPS, najjednoduchšie to urobíte pomocou odlakovača na nechty. Môžete použiť acetón a iné podobné rozpúšťadlá, ja som použil ropné rozpúšťadlo.

Doska je pripravená na prispájkovanie dielov. Potrebujete iba dva odpory a tranzistor.

Doska má dva kontakty pre napájanie riadiaceho napätia, dva kontakty pre pripojenie zdroja napájajúceho záťaž a dva kontakty pre pripojenie samotnej záťaže. Doska so spájkovanými časťami vyzerá takto:

Ako záťaž na testovanie činnosti obvodu som vzal dva výkonné 100 Ohmové odpory zapojené paralelne.

Zariadenie plánujem používať v spojení so senzorom vlhkosti (doska v pozadí). Z toho sa do kľúčového obvodu privádza riadiace napätie 12 voltov. Testy ukázali, že tranzistorový spínač funguje perfektne a dodáva napätie do záťaže. Pokles napätia na tranzistore bol 0,07 voltov, čo v tomto prípade nie je vôbec kritické. Tranzistor sa nezohrieva ani pri konštantnej prevádzke obvodu. Šťastné stavanie!