In questo articolo studieremo in modo completo un circuito di pilotaggio di un relè a transistor e impareremo come progettarne la configurazione calcolando i parametri tramite formule.
Importanza del relè
I relè sono uno dei componenti più importanti nei circuiti elettronici. Soprattutto nei circuiti in cui è coinvolto un trasferimento di potenza elevato o la commutazione del carico CA di rete, i relè svolgono il ruolo principale nell'attuazione delle operazioni.
Qui impareremo come far funzionare correttamente un relè usando un transistor e applicare il design nel sistema elettronico per commutare un carico collegato senza problemi.
Per uno studio approfondito su come funziona una staffetta si prega di leggere questo articolo
Un relè, come tutti sappiamo, è un dispositivo elettromeccanico che viene utilizzato sotto forma di un interruttore.
È responsabile della commutazione di un carico esterno collegato ai suoi contatti in risposta a una potenza elettrica relativamente inferiore applicata attraverso una bobina associata.
Fondamentalmente la bobina è avvolta su un nucleo di ferro, quando una piccola CC viene applicata alla bobina, si eccita e si comporta come un elettromagnete.
Un meccanismo di contatto caricato a molla posto in prossimità della bobina risponde immediatamente e viene attratto dalla forza dell'elettromagnete della bobina eccitata. Nel corso il contatto collega insieme una delle sue coppie e disconnette una coppia complementare ad essa associata.
Il contrario avviene quando la DC viene spenta sulla bobina ed i contatti ritornano nella posizione originale, collegando la precedente serie di contatti complementari e il ciclo può essere ripetuto quante più volte possibile.
Un circuito elettronico avrà normalmente bisogno di un driver relè che utilizzi uno stadio di circuito a transistor per convertire la sua uscita di commutazione CC a bassa potenza in un'uscita di commutazione CA ad alta potenza.
Tuttavia, i segnali di basso livello da un'elettronica che può essere derivata da uno stadio IC o da uno stadio a transistor a bassa corrente possono essere abbastanza incapaci di pilotare direttamente un relè. Perché un relè richiede correnti relativamente più elevate che normalmente potrebbero non essere disponibili da una sorgente IC o da uno stadio di transistor a bassa corrente.
Per ovviare al problema di cui sopra, uno stadio di controllo a relè diventa indispensabile per tutti i circuiti elettronici che necessitano di questo servizio.
Un driver relè non è altro che uno stadio transistor aggiuntivo collegato al relè che deve essere azionato. Il transistor è tipicamente ed esclusivamente impiegato per azionare il relè in risposta ai comandi ricevuti dallo stadio di controllo precedente.
Schema elettrico
Facendo riferimento allo schema circuitale di cui sopra vediamo che la configurazione coinvolge solo un transistor, un resistore di base e il relè con un diodo flyback.
Tuttavia, ci sono alcune complessità che devono essere risolte prima che il progetto possa essere utilizzato per le funzioni richieste:
Poiché la tensione di pilotaggio di base al transistor è la fonte principale per il controllo delle operazioni del relè, deve essere calcolata perfettamente per ottenere risultati ottimali.
Il valore del resistore di base id direttamente proporzionale alla corrente ai capi del collettore / emettitore del transistor o in altre parole, la corrente della bobina del relè, che è il carico del collettore del transistor, diventa uno dei fattori principali e influenza direttamente il valore della resistenza di base del transistor.
Formula di calcolo
La formula base per il calcolo della resistenza di base del transistor è data dall'espressione:
R = (Us - 0,6) hFE / Corrente bobina relè,
- Dove R = resistenza di base del transistor,
- Us = Source o la tensione di trigger al resistore di base,
- hFE = Guadagno di corrente diretto del transistor,
L'ultima espressione che è la 'corrente del relè' può essere trovata risolvendo la seguente legge di Ohm:
I = Us / R, dove I è la corrente del relè richiesta, Us è la tensione di alimentazione del relè.
Applicazione pratica
La resistenza della bobina del relè può essere facilmente identificata utilizzando un multimetro.
Anche noi saremo un parametro noto.
Supponiamo che l'alimentazione Us sia = 12 V, quindi la resistenza della bobina sia 400 Ohm
Corrente relè I = 12/400 = 0,03 o 30 mA.
Anche l'Hfe di qualsiasi transistor a segnale basso standard può essere assunto intorno a 150.
Applicando i valori di cui sopra nell'equazione effettiva che otteniamo,
R = (Ub - 0,6) × Hfe ÷ Corrente relè
R = (12 - 0,6) 150 / 0,03
= 57.000 Ohm o 57 K, il valore più vicino è 56 K.
Il diodo collegato attraverso la bobina del relè, tuttavia, non è in alcun modo correlato al calcolo di cui sopra, non può ancora essere ignorato.
Il diodo si assicura che l'EMF inverso generato dalla bobina del relè sia cortocircuitato attraverso di esso e non scaricato nel transistor. Senza questo diodo, il back EMF cercherebbe di trovare un percorso attraverso il collettore emettitore del transistor e nel corso del tempo danneggerebbe il transistor in modo permanente, in pochi secondi.
Circuito del driver del relè che utilizza PNP BJT
Un transistor funziona meglio come interruttore quando è collegato a una configurazione di emettitore comune, il che significa che l'emettitore del BJT deve essere sempre collegato direttamente con la linea di 'massa'. Qui la 'massa' si riferisce alla linea negativa per un NPN e alla linea positiva per un BJT PNP.
Se nel circuito viene utilizzato un NPN, il carico deve essere collegato al collettore, il che gli consentirà di essere acceso / spento commutando la sua linea negativa ON / OFF. Questo è già spiegato nelle discussioni precedenti.
Se si desidera commutare la linea positiva ON / OFF, in tal caso sarà necessario utilizzare un BJT PNP per pilotare il relè. Qui il relè può essere collegato attraverso la linea negativa dell'alimentazione e il collettore del PNP. Vedere la figura seguente per la configurazione esatta.
Tuttavia un PNP avrà bisogno di un trigger negativo alla sua base per l'attivazione, quindi nel caso in cui si desideri implementare il sistema con un trigger positivo, potrebbe essere necessario utilizzare una combinazione di BJT NPN e PNP come mostrato nella figura seguente:
Se hai domande specifiche sul concetto di cui sopra, sentiti libero di esprimerle attraverso i commenti per ottenere risposte rapide.
Driver del relè di risparmio energetico
Normalmente, la tensione di alimentazione per il funzionamento di un relè è dimensionata per garantire che il relè sia inserito in modo ottimale. Tuttavia, la tensione di mantenimento richiesta è tipicamente molto più bassa.
Di solito non è nemmeno la metà della tensione di pull-in. Di conseguenza la maggior parte dei relè può funzionare senza problemi anche a questa tensione ridotta, ma solo quando è assicurato che all'attivazione iniziale la tensione è sufficientemente alta per il pull-in.
Il circuito presentato di seguito può essere ideale per i relè specificati per funzionare con 100 mA o inferiore, e con una tensione di alimentazione inferiore a 25 V. Utilizzando questo circuito si assicurano due vantaggi: prima di tutto il relè funziona utilizzando una corrente sostanzialmente bassa al 50% inferiore a la tensione di alimentazione nominale e la corrente ridotta a circa 1/4 della potenza nominale del relè! In secondo luogo, i relè con una tensione nominale più elevata potrebbero essere utilizzati con intervalli di alimentazione inferiori. (Ad esempio un relè da 9 V che deve funzionare con 5 V da un'alimentazione TTL).
Il circuito può essere visto collegato a una tensione di alimentazione in grado di trattenere perfettamente il relè. Durante il tempo in cui S1 è aperto, C1 viene caricato tramite R2 fino alla tensione di alimentazione. R1 è accoppiato al terminale + e T1 rimane spento. Nel momento in cui si presume S1, la base T1 viene collegata al comune di alimentazione tramite R1, in modo che si accenda e pilota il relè.
Il terminale positivo di C1 si collega alla massa comune tramite l'interruttore S1. Considerando che questo condensatore inizialmente era stato caricato alla tensione di alimentazione il suo terminale a questo punto diventa negativo. La tensione attraverso la bobina del relè raggiunge quindi due volte di più della tensione di alimentazione, e questo attira il relè. L'interruttore S1 potrebbe, certamente, essere sostituito con un qualsiasi transistor generico che può essere attivato o disattivato secondo necessità.
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