In diesem Artikel werden wir eine Transistorrelaistreiberschaltung umfassend untersuchen und lernen, wie ihre Konfiguration durch Berechnung der Parameter anhand von Formeln entworfen wird.
Bedeutung des Relais
Relais sind eine der wichtigsten Komponenten in elektronischen Schaltkreisen. Insbesondere in Schaltkreisen, in denen eine hohe Leistungsübertragung oder eine Wechselstrom-Lastumschaltung erforderlich ist, spielen Relais die Hauptrolle bei der Implementierung der Operationen.
Hier lernen wir, wie man ein Relais mit einem Transistor richtig betreibt und das Design in einem elektronischen System zum problemlosen Schalten einer angeschlossenen Last anwendet.
Für eine eingehende Untersuchung der Funktionsweise eines Relais Bitte lesen Sie diesen Artikel
Ein Relais ist bekanntlich ein elektromechanisches Gerät, das in Form eines Schalters verwendet wird.
Es ist dafür verantwortlich, eine externe Last, die an seine Kontakte angeschlossen ist, als Reaktion auf eine relativ geringere elektrische Leistung zu schalten, die über eine zugehörige Spule angelegt wird.
Grundsätzlich ist die Spule über einen Eisenkern gewickelt. Wenn ein kleiner Gleichstrom an die Spule angelegt wird, wird sie erregt und verhält sich wie ein Elektromagnet.
Ein federbelasteter Kontaktmechanismus, der sich in unmittelbarer Nähe der Spule befindet, reagiert sofort und wird von der elektromagnetischen Kraft der erregten Spule angezogen. Im Verlauf verbindet der Kontakt eines seiner Paare miteinander und trennt ein ihm zugeordnetes komplementäres Paar.
Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn der Gleichstrom zur Spule ausgeschaltet wird und die Kontakte in ihre ursprüngliche Position zurückkehren und den vorherigen Satz komplementärer Kontakte verbinden. Der Zyklus kann so oft wie möglich wiederholt werden.
Eine elektronische Schaltung benötigt normalerweise einen Relaistreiber, der eine Transistorschaltungsstufe verwendet, um den Gleichstromschaltausgang mit niedriger Leistung in einen Wechselstromschaltausgang mit hoher Leistung umzuwandeln.
Die Signale mit niedrigem Pegel von einer Elektronik, die von einer IC-Stufe oder einer Transistorstufe mit niedrigem Strom abgeleitet werden können, sind jedoch möglicherweise nicht in der Lage, ein Relais direkt anzusteuern. Denn ein Relais benötigt relativ höhere Ströme, die normalerweise von einer IC-Quelle oder einer Niedrigstromtransistorstufe nicht verfügbar sind.
Um das obige Problem zu lösen, wird eine Relaissteuerstufe für alle elektronischen Schaltungen, die diesen Dienst benötigen, zwingend erforderlich.
Ein Relaistreiber ist nichts anderes als eine zusätzliche Transistorstufe, die mit dem Relais verbunden ist und betrieben werden muss. Der Transistor wird typischerweise und ausschließlich zum Betreiben des Relais als Reaktion auf die von der vorhergehenden Steuerstufe empfangenen Befehle verwendet.
Schaltplan
Unter Bezugnahme auf das obige Schaltbild sehen wir, dass die Konfiguration nur einen Transistor, einen Basiswiderstand und das Relais mit einer Rücklaufdiode umfasst.
Es gibt jedoch einige Komplexitäten, die behoben werden müssen, bevor das Design für die erforderlichen Funktionen verwendet werden kann:
Da die Basisansteuerspannung zum Transistor die Hauptquelle für die Steuerung der Relaisoperationen ist, muss sie für optimale Ergebnisse perfekt berechnet werden.
Der Basiswiderstandswert id ist direkt proportional zum Strom über die Kollektor / Emitter-Leitungen des Transistors oder mit anderen Worten, der Relaisspulenstrom, der die Kollektorlast des Transistors ist, wird zu einem der Hauptfaktoren und beeinflusst den Wert direkt des Basiswiderstands des Transistors.
Berechnungsformel
Die Grundformel zur Berechnung des Basiswiderstands des Transistors ergibt sich aus dem Ausdruck:
R = (Us - 0,6) hFE / Relaisspulenstrom,
- Wobei R = Basiswiderstand des Transistors,
- Us = Quelle oder Triggerspannung am Basiswiderstand,
- hFE = Durchlassstromverstärkung des Transistors,
Der letzte Ausdruck, der der 'Relaisstrom' ist, kann durch Lösen des folgenden Ohmschen Gesetzes herausgefunden werden:
I = Us / R, wobei I der erforderliche Relaisstrom ist, Us die Versorgungsspannung zum Relais ist.
Praktische Anwendung
Der Widerstand der Relaisspule kann mit einem Multimeter leicht identifiziert werden.
Wir werden auch ein bekannter Parameter sein.
Angenommen, die Versorgung Us ist = 12 V, dann beträgt der Spulenwiderstand 400 Ohm
Relaisstrom I = 12/400 = 0,03 oder 30 mA.
Es kann auch angenommen werden, dass die Hfe eines Standard-Low-Signal-Transistors bei etwa 150 liegt.
Anwenden der obigen Werte in der tatsächlichen Gleichung, die wir erhalten,
R = (Ub - 0,6) × Hfe ÷ Relaisstrom
R = (12 - 0,6) 150 / 0,03
= 57.000 Ohm oder 57 K, der nächste Wert ist 56 K.
Die über die Relaisspule angeschlossene Diode steht zwar in keiner Beziehung zur obigen Berechnung, kann jedoch nicht ignoriert werden.
Die Diode stellt sicher, dass die von der Relaisspule erzeugte Gegen-EMK durch diese kurzgeschlossen und nicht in den Transistor eingespeist wird. Ohne diese Diode würde die Gegen-EMK versuchen, einen Weg durch den Kollektoremitter des Transistors zu finden und dabei den Transistor innerhalb von Sekunden dauerhaft zu beschädigen.
Relaistreiberschaltung mit PNP BJT
Ein Transistor funktioniert am besten als Schalter, wenn er mit einer gemeinsamen Emitterkonfiguration verbunden ist. Dies bedeutet, dass der Emitter des BJT immer direkt mit der Erdungsleitung verbunden sein muss. Hier bezieht sich die 'Masse' auf die negative Linie für einen NPN und die positive Linie für einen PNP-BJT.
Wenn ein NPN in der Schaltung verwendet wird, muss die Last mit dem Kollektor verbunden werden, damit sie durch Ein- und Ausschalten der negativen Leitung ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies wird bereits in den obigen Diskussionen erläutert.
Wenn Sie die positive Leitung ein- oder ausschalten möchten, müssen Sie in diesem Fall einen PNP-BJT zum Ansteuern des Relais verwenden. Hier kann das Relais über die negative Leitung der Versorgung und den Kollektor des PNP angeschlossen werden. Die genaue Konfiguration entnehmen Sie bitte der Abbildung unten.
Ein PNP benötigt jedoch einen negativen Trigger an seiner Basis für die Triggerung. Wenn Sie das System also mit einem positiven Trigger implementieren möchten, müssen Sie möglicherweise eine Kombination aus NPN- und PNP-BJTs verwenden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Wenn Sie spezielle Fragen zu dem oben genannten Konzept haben, können Sie diese gerne in den Kommentaren ausdrücken, um schnelle Antworten zu erhalten.
Power Saver Relay Treiber
Normalerweise wird die Versorgungsspannung für den Betrieb eines Relais so dimensioniert, dass das Relais optimal eingezogen wird. Die erforderliche Haltespannung ist jedoch typischerweise viel niedriger.
Dies ist normalerweise nicht einmal die Hälfte der Einzugsspannung. Infolgedessen können die meisten Relais auch bei dieser reduzierten Spannung problemlos arbeiten, jedoch nur dann, wenn sichergestellt ist, dass bei der anfänglichen Aktivierungsspannung für den Einzug ausreichend hoch ist.
Die unten dargestellte Schaltung kann ideal für Relais sein, die für einen Betrieb mit 100 mA oder weniger und bei einer Versorgungsspannung unter 25 V spezifiziert sind. Durch die Verwendung dieser Schaltung sind zwei Vorteile gewährleistet: Erstens verwenden die Relaisfunktionen einen wesentlich niedrigen Strom bei 50% weniger als Die Nennversorgungsspannung und der Nennstrom wurden auf etwa 1/4 der tatsächlichen Nennleistung des Relais reduziert! Zweitens könnten Relais mit höherer Nennspannung mit niedrigeren Versorgungsbereichen verwendet werden. (Zum Beispiel ein 9-V-Relais, das für den Betrieb mit 5 V aus einer TTL-Versorgung erforderlich ist).
Die Schaltung ist an eine Versorgungsspannung angeschlossen, die das Relais perfekt halten kann. Während der Zeit, in der S1 geöffnet ist, wird C1 über R2 bis zur Versorgungsspannung aufgeladen. R1 ist mit dem + Anschluss verbunden und T1 bleibt ausgeschaltet. In dem Moment, in dem S1 gedrückt wird, wird die T1-Basis über R1 an die gemeinsame Versorgung angeschlossen, so dass sie sich einschaltet und das Relais ansteuert.
Der Pluspol von C1 ist über den Schalter S1 mit der gemeinsamen Masse verbunden. Wenn man bedenkt, dass dieser Kondensator ursprünglich auf die Versorgungsspannung aufgeladen worden war, wird sein Anschluss an diesem Punkt negativ. Die Spannung an der Relaisspule erreicht daher das Zweifache der Versorgungsspannung und zieht das Relais ein. Der Schalter S1 könnte sicherlich durch einen Allzwecktransistor ersetzt werden, der nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden kann.
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