hotové
věci

Spínač pro velké proudy na 24V DC...
4.8.2011 -b-


ZPĚT









irf1405




5. Spínání velkého proudu na 24V DC..

Tentokrát je to řešení, jak sepnout velký stejnosměrný proud indukční povahy pomocí fet tranzistoru. Pro spínání použijeme 24V, ale lze použít i jen 12V po přepočítání vstupního děliče. Naopak na výstupu pak lze sepnout až do napětí 55V a proudu 100A, pokud použijete přiměřené chlazení.

Schema

Na vstupu bude buď 0V nebo plných +24V. Dělič z odporů R2 a R1 je počítaný tak, aby na katodě diody D1 bylo při sepnutí minimálně 11V a maximálně 20V. To je proto, že fet tranzistor s N kanálem je při +10V na řídící elektrodě, tedy na G (gate), plně otevřen, a za druhé, napětí mezi zemí a řídící elektrodou nesmí překročit napětí +/- 20V, jinak by nastal průraz řídící elektrody k nule.
Řídící elektroda se vůči nule chová jako malý kondenzátor. Po přivedení řídícího napětí +24V na vstup se tento kondenzátor nabije z děliče R2 a R1 přes diodu D1 na napětí asi 11,4V. Odpor R1 by tedy mohl být ještě větší, aby na řídící elektrodě bylo napětí až +15V. To by urychlilo otevření tranzistoru, tedy nabíjení kapacity na řídící elektrodě. Nejpříhodnější by pak asi bylo spínat tranzistor napětím do 20V a odpor R2 úplně vynechat. Po odpojení tohoto řídícího napětí ze vstupu, se na odpru R1 objeví nulové napětí, které otevírá pnp tranzistor T2, který rychle zkratuje náboj na řídící elektrodě, čímž urychlí vypnutí tranzistoru T1. schema

Porovnejte první schema s následujícím.
Zapnutí probíhá obdobně, zato odepnutí řídícího napětí nás dostane do zajímavé situace. Náboj na kapacitě mezi řídící elektrodou a nulou se vybíjí pouze přes odpor děliče R1. Dojde k pomalému vybíjení kondenzátoru k nule, a tedy i k pomalému zavírání tranzistoru. To se projeví tak, že na tranzistoru vznikne při vypínání chvíle, kdy jím teče ještě proud, ale není už úplně otevřen. A to při spínacím režimu tranzistoru v našem zapojení není žádoucí. Tranzistor by zbytečně hřál. schema
V obou zapojeních je použita nulová dioda D3. Ta při vypínání indukčnosti pomáhá ochránit tranzistor před přepětím vzniklým indukcí. Použití diody D3 poněkud zpomalí vypnutí proudu indukčnosti, jelikož proud po uzavření tranzistoru se setrvačností indukčnosti tlačí právě diodou D3 do krátké smyčky. Indukčnost prostě nejde beztrestně vypnout okamžitě. Buď vám hrozí indukce napětí na koncích cívky nebo doběh proudu v nulové diodě.

Může dojít i k mírnějšímu působení obojího, a to Když k indukčnosti připojíte místo diody D3 paralelně odpor, dovolíte tak po vypnutí indukčnosti určitý nárůst napětí na jejích koncích, a proud v paralelním odporu zaniká mnohem rychleji než v diodě, no ale zase nám paralelním odporem při sepnutí teče pořád proud, který pro nás nepracuje.

Proto byla vymyšlena speciální součástka transil, je to vlastně výkonová zenerova dioda, někdy i v antisériovém zapojení v jednom pouzdře. Má to své výhody, při zapnutí zátěže jím neteče žádný proud oproti odporu, po vypnutí je přesně definované napětí, kam až indukčnost může indukovaným napětím nahoru a zbytek se ořeže, neboť transil napětí, které by bylo nad, změní v proud, je na to výkonově postaven. :o))

Ale my zůstanenme u diody, nám čas uklidnění proudu v indukční zátěži tentokrát nevadí... Použitá dioda by měla vydržet špičkově proud zátěže, bude využita vždy jen po krátký okamžik po vypnutí. A pokud ji tam nedáte, můžete v případě indukční zátěže napěťově odpravit spínací tranzistor okamžitě po jeho vypnutí.


Soupis součástek

1x...dioda D1.........1n148
1x...dioda............podle proudu zátěže a závěrné napětí dle spínaného napětí a výš..
1x...tranzistor T2....BC557
1x...odpor R1.........4k7
1x...odpor R2.........2k2
1x...tranzistor T1....IRF1405
......................svorky na DIN lištu





Výroba spínače

Když si uvědomíte, že potřebujete sepnout velký proud, asi není nejlepší to dělat přes tištěný spoj.
Možná není špatné řešení spínač vestavět přímo do svorek na DIN lištu, zkuste svorku na průřez drátu 10mm2.
Trochu si v ní uděláme prostor..
zapojení

Připájíme do ní krátký kablík pro nulovou diodu.. D3
Pokud budete spínat jen činnou zátěž bez indukčnosti, můžete tyto procedury vynechat :o) zapojení

V delší svorce uděláme další otvory pro diodu a připájený kablík..
zapojení

K této svorce přišroubujeme přes vějířovou podložku křidélku spínacího tranzistoru..
zapojení

Svorku po přišroubování a dotažení sesadíme..
zapojení

Připravené svorky dáme k sobě a protáhneme kablík otvorem..
zapojení

Kablík ohneme dolů..
zapojení

Do připraveného otvoru ve svorce vsadíme diodu a kablík připájíme k její katodě..
zapojení

Anodu, v našem případě dvě, spájejte s prostřední nožičkou spínacího tranzistoru..
Prostřední nožka je u tohoto tranzistoru stejný potenciál, jako jeho chladící křidélko :o)
zapojení

Připravte si otvory do stejně velké, ale modré svorky..
Toto bude svorka s nulovým napětím. :o)
zapojení

Jenom aby bylo jasné, kudy děrovat ;o)..
zapojení

Modrou svorku přidáte ke pospojovaným šedým..
zapojení

Nějak si na malém tišťáčku pospojujete diodu D1, tranzistor T2 a odpory děliče R1 a R2..
zapojení

Pohled z druhé strany..
zapojení

destičku nebo hnízdo vložíte do vykutaného prostoru modré svorky..
zapojení

Ohnete a připájíte k destičce řídící elektrodu spínacího tranzistoru..
zapojení

Mezi výkonový tranzistor a svorku nulového napětí vsunete destičku izolantu..
zapojení

Ohnete zbylou nožku spínacího tranzistoru nahoru ke svorce nulového napětí..
zapojení

Doohnutí nožky ke svorce..
zapojení

Nulu z destičky oizolujeme..
zapojení

A ohneme ji vzhůru ke svorce nulového napětí..
zapojení

Dobře zapájíme..
zapojení

Vytrčíme vzhůru vodič vstupu do odporového děliče..
zapojení

Ke třem svorkám přiřadíme poslední a už slabší svorku a navlíkneme ji na trčící vodič..
zapojení

Vodič zahákneme za poslední svorku..
zapojení

A zapájíme..
zapojení

A je hotovo..
zapojení

První svorka je napájecí napětí pro zátěž..
Druhá je výstup z tranzistoru, jímž se zátěž spíná k zemi..
Třetí je nula, už i podle barvy, a je společná jak pro ovládácí tak spínací obvod..
Čtvrtá je vstup pro řízení spínače..
zapojení

Přivedeme-li na řídící svorku +24V, tranzistor sepne..
zapojení



Použití unipolárního tranzistoru ve spínání je velmi zajímavé.
Například použijete-li ve spínači obyčejný bipolární tranzistor, ať NPN nebo PNP, musíte počítat s tím, že na otevřeném tranzistoru vždy zůstane nějaké saturační napětí, to je u běžných křemíkových tranzistorů od 0,3V do 1,2V, což pak při větších proudech znamená docela slušné ztráty. Nehledě na to, že čím větší proud spínáte, tím menší má tranzistor zesílení, a tím větším proudem ho musíte otevírat.
A teď se vrátím zpět k unipolárním tranzistorům, tedy k tomu, co jsme použili my.
Tento druh tranzistorů nemá saturační napětí, ale minimální odpor při plném sepnutí. Zatímco ale z fyzikálního hlediska nelze zrušit saturační napětí u bipolárních tranzistorů, tak u unipolárních lze docílit velmi nízkých spínacích odporů.
Třeba námi použitý IRF1405 má odpor při plném sepnutí jen 5,3miliOhmů.
Když jím tedy proženeme v otevřeném stavu proud 20A, tak to na něm na ztrátovém výkonu vyjde I*I*R a to je 2,12W.
Pokud použijeme bipolární tranzistor a opět 20A a pokud budeme předpokládat úžasné saturační napětí 0,3V,
vyjde nám ztrátový výkon na tranzistoru U*I a to je 6W.
Ale bipolární tranzistory mají při těchto proudech zpravidla saturační napětí kolem 1V a větší a to by pak vyšlo nad 20W.
Unipolární tranzistory jsou spínané napětím, čímž se účinost sepnutí námi vybraným tranzistorem opět zvyšuje.
Ztrátový výkon na unipolárním tranzistoru leze oproti proudu kvadraticky, ale pokud je odpor opravdu velmi nízký, tak to vydrží až do velkých proudů moc pěkné.
Ztrátový výkon na bipolárním tranzistoru je závislý na součinu velikosti proudu a saturačního napětí. Ale saturační napětí se s velikostí spínaného proudu zvětšuje a zřejmě se do něho promítá i samotný vnitřní odpor tranzistoru, o kterém se v katalozích nikde nemluví. :o) Že by také kvadratická závislost ?
Porovnával-li jsem odpory unipolárních tranzistorů, pak jsem neviděl tranzistor na velké napětí, aby měl malý odpor při sepnutí.. Třeba námi použitý IRF1405 má maximální pracovní napětí jen 55V.
Je to asi dané technologií tranzistoru a jeho fyzikálními vlastnostmi.
V každém případě asi unipolární tranzistory budou více a více používány
a pro spínací účely velkých proudů na mne působí mnohem ekonomičtěji :o).



4.8.2011
-b-


na začátek