Smára rofi fyrir liða, mótora og LED

Smári getur virkað sem rafeindarofi til að stjórna straumi í hringrás. Það notar lítið merki til að kveikja eða slökkva á stærri álagi, sem gerir það gagnlegt í mörgum rafeindakerfum. Þessi grein útskýrir hvernig BJT og MOSFET smári eru notaðir við skipti, þar á meðal lághliða- og háhliðarstýringu, grunn- og hliðarviðnám, inductive álagsvörn og örstýringarviðmót í smáatriðum.

Yfirlit yfir smáraskipti

Smári er hálfleiðarabúnaður sem getur virkað sem rafeindarofi til að stjórna straumflæði í hringrás. Ólíkt vélrænum rofum sem opna eða loka braut líkamlega, framkvæmir smári skiptingu rafrænt með því að nota stýrimerki sem beitt er á grunn hans (BJT) eða hlið (FET). Í skiptiforritum starfar smári aðeins á tveimur meginsvæðum: stöðvunarsvæðinu (OFF ástandi), þar sem ekkert straumflæði er og smárinn hegðar sér eins og opinn rofi, og mettunarsvæðið (ON ástand), þar sem hámarksstraumur flæðir með lágmarks spennufalli yfir það, sem virkar eins og lokaður rofi.

Smára skiptiástand

Transistor forrit í rofarásum

Gengi og segulloka stýring

Smári knýja liða og segulloka með því að veita nauðsynlegan spólustraum sem örstýringar geta ekki veitt beint. Flyback díóða er notuð til varnar gegn spennutoppum.

LED og lampaskipti

Smári skipta um LED og litla lampa með lágum stýrimerkjum en vernda stjórnrásina fyrir umframstraumi. Þau eru notuð í vísbendingar, skjái og ljósastýringu.

Vélknúnir ökumenn

Smári knýja DC mótora með því að virka sem hástraumsrofar. Power BJT eða MOSFETs eru notuð til áreiðanlegrar stjórnunar í vélfærafræði, viftum, dælum og sjálfvirknikerfum.

Orkustjórnunarrásir

Smári eru notaðir við rafeindaaflskipti, vernd og reglugerð. Þeir birtast í rafhlöðuhleðslum, DC breytum og sjálfvirkum aflstýringarrásum.

Tengi örstýringar

Smári tengja örstýringar við mikið aflálag. Þeir magna veik rökmerki og gera kleift að stjórna liðum, mótorum, hljóðmerki og hástraums LED.

NPN smári sem rofi

Hægt er að nota NPN smára sem rafeindarofa til að stjórna álagi eins og LED, liða og litlum mótorum með því að nota lágaflsmerki frá tækjum eins og skynjurum eða örstýringum. Þegar smárinn virkar sem rofi virkar hann á tveimur svæðum: cut-off (OFF ástand) og mettun (ON ástand). Á lokunarsvæðinu flæðir enginn grunnstraumur og smárinn hindrar strauminn við safnarahliðina, þannig að álagið helst slökkt. Á mettunarsvæðinu flæðir nógu mikill grunnstraumur til að kveikja á smáranum að fullu, sem gerir straumi kleift að fara frá safnaranum til sendisins og knýja álagið.

Til að nota NPN smára sem rofa þarf grunnviðnám (RB) til að takmarka strauminn sem fer inn í grunninn. Grunnstraumurinn er reiknaður með:

þar sem IC er straumurinn í gegnum álagið og βforced er minnkað ávinningsgildi sem notað er fyrir örugga skiptingu, β/10. Grunnviðnámið er síðan reiknað út með því að nota:

þar sem VIN er stýrispenna og VBE er grunn-losandi spenna (um 0.7V fyrir kísilsmára). Þessar formúlur hjálpa til við að tryggja að smárinn fái nægan grunnstraum til að skipta almennilega án þess að skemmast.

PNP smári sem rofi

Einnig er hægt að nota PNP smára sem rofa, en hann er notaður í háhliðarrofa, þar sem álagið er tengt við jörðu og smárinn stjórnar tengingunni við jákvæðu framboðsspennuna. Í þessari uppsetningu er sendir PNP smára tengdur við +VCC, safnarinn er tengdur við álagið og álagið tengist jörðu. Smárinn kviknar þegar grunnurinn er dreginn lágt (undir emitter voltage), og hann slokknar þegar grunnurinn er dreginn hátt (nálægt +VCC). Þetta gerir PNP smára hentuga til að skipta um hringrásir þar sem álagið þarf að vera tengt beint við jákvæðu járnbrautina, svo sem í raflögnum bifreiða og rafdreifikerfum.

Til að takmarka strauminn sem flæðir inn í grunninn þarf grunnviðnám (RB). Grunnstraumurinn er reiknaður með:

þar sem IC er safnstraumurinn og βforced er tekinn sem einn tíundi af dæmigerðri aukningu smárans fyrir áreiðanlega rofa. Gildi grunnviðnámsins er síðan reiknað út með því að nota:

Í PNP smára er VBE u.þ.b. -0.7V þegar það er hlutdrægt fram. Stýrimerkið verður að toga nógu lágt til að fordómamót grunnsendanda og kveikja á smáranum.

Grunnviðnám í BJT rofi

Þegar BJT smári er notaður sem rofi þarf grunnviðnám (RB) til að stjórna straumnum sem fer inn í grunnstöðina. Viðnámið verndar smára og stjórngjafa, svo sem örstýripinna, fyrir of miklum straumi. Án þessa viðnáms gæti grunn-emitter mótið dregið of mikinn straum og skemmt smáran. Grunnviðnámið tryggir einnig að smárinn skipti rétt á milli OFF og ON ástands.

Til að kveikja að fullu á smáranum (mettunarstillingu) þarf að veita nægan grunnstraum. Grunnstraumurinn IB er reiknaður út með því að nota safnara straum IC og öruggt ávinningsgildi sem kallast þvingað beta:

Í stað þess að nota eðlilegan ávinning smárans (beta) er lægra gildi sem kallast þvingað beta notað til öryggis:

Eftir útreikning á grunnstraumnum er grunnviðnámsgildið fundið með lögmáli Ohms:

Hér er VIN stýrispennan og VBE er grunnspennan, um 0.7V fyrir kísil BJT.

MOSFET rofi í rökfræðilegri stýringu

MOSFET eru notaðir sem rafeindarofar í nútíma rafrásum vegna þess að þeir bjóða upp á meiri skilvirkni og minna afltap samanborið við BJT. MOSFET virkar með því að setja spennu á hliðarstöð sína, sem stjórnar straumflæði milli frárennslis og uppsprettu. Ólíkt BJT sem krefjast stöðugs grunnstraums, eru MOSFETs spennudrifnir og draga nánast engan straum við hliðið, sem gerir þá hentuga fyrir rafhlöðuknúin og örstýringarkerfi.

MOSFETs eru ákjósanlegir til að skipta um forrit vegna þess að þeir styðja hraðari skiptihraða, meiri straummeðhöndlun og mjög lágt ON viðnám RDS(on), sem lágmarkar hitun og orkutap. Þau eru almennt notuð í mótorrekla, LED ræmur, liða, aflbreytir og sjálfvirknikerfi. MOSFETs á rökfræðistigi eru sérstaklega hönnuð til að kveikja að fullu á lágu hliðarspennu, 5V eða 3.3V, sem gerir þau tilvalin til að hafa bein samskipti við örstýringar eins og Arduino, ESP32 og Raspberry Pi án þess að þurfa hliðardrifrás.

Algeng MOSFET á rökfræðistigi eru:

• IRLZ44N – hentugur til að skipta um aflmikið álag eins og DC mótora, liða og LED ræmur.

• AO3400 – fyrirferðarlítill SMD MOSFET sem hentar fyrir stafræn rofaforrit með litlum krafti.

• IRLZ34N – notað fyrir miðlungs til hátt straumálag í vélfærafræði og sjálfvirkni.

Rofi á lágri og hári hlið

Rofi á lágri hlið

Í lághliðarrofa er smárinn settur á milli álags og jarðar. Þegar kveikt er á smáranum lýkur hann leiðinni til jarðar og leyfir straumi að flæða í gegnum álagið. Þessi aðferð er einföld og auðveld í notkun og þess vegna er hún algeng í stafrænum hringrásum og örstýringar. Skipting á lágri hlið er gerð með NPN smára eða N-rás MOSFETs vegna þess að auðvelt er að keyra þau með stýrimerki sem vísað er til jarðar. Þessi aðferð er notuð fyrir verkefni eins og að skipta um LED, liða og litla mótora.

Skipting á háum hliðum

Í skiptingu á háu hliðinni er smárinn settur á milli aflgjafa og álags. Þegar kveikt er á smáranum tengir hann álagið við jákvæða spennugjafann. Þessi aðferð er notuð þegar álagið verður að vera tengt við jörðu af öryggis- eða merkjaviðmiðunarástæðum. Skipting á háhliðum er gerð með PNP smára eða P-rása MOSFET. Hins vegar er aðeins erfiðara að stjórna því vegna þess að grunnurinn eða hliðið verður að keyra í lægri spennu en framboðið til að kveikja á því. Háhliðarrofi er almennt notaður í rafrásum bíla, rafhlöðuknúnum kerfum og aflstýringarforritum.

Inductive álagsskiptavörn

Þegar smári er notaður til að stjórna inductive álagi eins og mótorum, liða, segullokum eða spólum þarf hann vernd gegn spennutoppum. Þetta álag byggir upp orku í segulsviði á meðan straumur flæðir í gegnum þau. Um leið og smárinn slekkur á sér hrynur segulsviðið og losar þá orku sem skyndilegan háspennutopp. Án verndar getur þessi toppur skemmt smára og haft áhrif á alla hringrásina.

Til að koma í veg fyrir þetta er verndaríhlutum bætt við yfir byrðina. Algengast er flugdíóða, eins og 1N4007, tengd öfugt yfir spóluna. Þessi díóða gefur straumnum örugga leið til að flæða þegar smárinn slekkur á sér og stöðvar spennutoppinn. Í rafrásum þar sem stjórna þarf rafhávaða er RC snubber (viðnám og þétti í röð) notaður til að draga úr skörpum púlsum. Fyrir rafrásir sem takast á við hærri spennu er TVS (Transient Voltage Suppression) díóða notuð til að takmarka hættulega toppa og vernda rafeindahluta.

Örstýringarviðmót með smáraskiptum

Örstýringar eins og Arduino, ESP32 og STM32 geta aðeins veitt lítinn úttaksstraum frá GPIO pinnum sínum. Þessi straumur er takmarkaður við um 20–40 mA, sem er ekki nóg til að knýja tæki eins og mótora, liða, segulloka eða aflmikla LED. Til að stjórna þessu hærri straumálagi er smári notaður á milli örstýringarinnar og álagsins. Smárinn virkar sem rafeindarofi sem lætur lítið merki frá örstýringunni stjórna stærri straumi frá utanaðkomandi aflgjafa.

Þegar þú velur smára skaltu ganga úr skugga um að hann geti kveikt að fullu með úttaksspennu örstýringarinnar. MOSFETs á rökfræðistigi eru góður kostur fyrir stærri álag vegna þess að þeir hafa litla ON viðnám og haldast kaldir meðan á notkun stendur. BJT eins og 2N2222 eru fínir fyrir smærri álag.

Niðurstaða 

Smári eru áreiðanlegir rafeindarofar sem notaðir eru til að stjórna LED, liða, mótorum og rafrásum. Með því að nota rétta grunn- eða hliðarviðnám, bæta við flugvörn fyrir inductive álag og velja rétta skiptiaðferð, verða rafrásir öruggar og skilvirkar. Skilningur á smáraskiptum hjálpar til við að hanna stöðug rafeindakerfi með réttri stjórn og vernd.

Algengar spurningar [algengar spurningar]

Af hverju að velja MOSFET í stað BJT til að skipta?

MOSFET skiptir hraðar, hefur minna afltap og þarf ekki stöðugan hliðarstraum.

Hvað veldur því að smári ofhitnar í rofarásum?

Hiti stafar af rafmagnstapi við rof, reiknað sem P = V × I, ef smárinn er ekki alveg ON.

Hvað er RDS(on) í MOSFET?

Það er ON viðnám milli frárennslis og uppsprettu. Lægri RDS(on) þýðir minni hita og betri skilvirkni.

Getur smári skipt um AC álag?

Ekki beint. Einn smári virkar aðeins fyrir DC. Fyrir AC álag eru SCR, TRIAC eða liða notuð.

Af hverju ætti hliðið eða grunnurinn ekki að vera fljótandi?

Fljótandi hlið eða grunnur getur tekið upp hávaða og valdið handahófskenndum skiptum, sem leiðir til óstöðugrar notkunar.

Hvernig er hægt að verja MOSFET hlið gegn háspennu?

Notaðu zener díóða á milli hliðsins og uppsprettunnar til clamp auka voltage og koma í veg fyrir skemmdir á hliðinu.