Электрификация

Справочник домашнего мастера

Преобразователь на 1 транзисторе

Содержание

Инвертор на транзисторе

Инвертор на транзисторе – прародитель цифровых микросхем. Именно в те далекие времена, благодаря транзистору, цифровая электроника стала развиваться быстрыми темпами.

Схема инвертора на простом ключе

Рассмотрим вот такую простенькую схемку:

Что мы здесь видим? Видим ключ, резистор и источник питания. Резистор R мы повесили для того, чтобы не было короткого замыкания в источнике питания, когда замыкается ключ S. На клемму +U мы подаем плюс питания, а на землю, соответственно, минус. В схеме возможны два варианта развития событий: ключ замкнут и ключ разомкнут. Давайте рассмотрим каждый из этих двух вариантов:

1) Ключ замкнут

В результате в цепи +U——-> R——-> S ——-> земля побежит электрический ток.

Будет ли в этом случае напряжение между клеммой “А” и землей?

Чешем свою репу и думаем… Так как ключ у нас замкнут, следовательно, в идеале его сопротивление 0 Ом. Вспоминаем закон Ома для участка цепи: I=U/R, отсюда U=IR. Получается, что падение напряжения на сопротивлении 0 Ом будет равно U=IR= I х 0 = 0 Вольт. Значит, напряжение между землей и клеммой “А” будет 0 Вольт. Получается, что напряжения на клемме “А” не будет.

2) Ключ разомкнут

Что в результате у нас будет на клемме “А”? Давайте также посчитаем по закону Ома. Мы знаем, что электрический ток бежит от плюса к минусу. Но так как у нас минус вообще не при делах, так как цепь разорвана ключом, следовательно, сила тока в цепи +U——->R——->клемма “А” будет равняться 0 Ампер. Значит, падение напряжения на резисторе R будет равняться U=IR=0 х R = 0 Вольт. Получается, что все полноценные +U Вольт доходят до клеммы “A”. Поэтому, на клемме “А” будет напряжение +U.

Транзистор вместо ключа

А почему бы нам не заменить ключ S транзисторным ключом? Вводя транзистор в режим насыщения или отсечки, мы можем управлять сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Следовательно, в режиме отсечки схема примет вот такой вид:

а в режиме насыщения вот такой:

Хотя, если честно, падение напряжения в этом случае на коллекторе-эмиттере будет составлять доли Вольт, что на самом деле не критично.

Как мы видим, ключ на транзисторе у нас имеет Вход и Выход:

Допустим, мы на Вход не подаем никакого сигнала. Что будет на Выходе? Не подавая никакого сигнала на базу транзистора через резистор R1, в данном случае на Вход, у нас транзистор НЕ откроется и ключ будет разомкнут (как вы помните, для открытия мы должны подать на базу более 0,6-0,7 Вольт), поэтому на Выходе (клемма “А” ) у нас будет +U Вольт

Но если правильно рассчитать резистор R1 и подать сигнал, значение напряжения которого будет больше, чем 0,6-0,7 Вольт, то у нас транзистор войдет в режим насыщения и ключ будет замкнут

В этом случае на Выходе (на клемме “А”) у нас будет напряжение близкое к нулю.

Итак, что получаем? Подаем сигнал и имеем на выходе 0 Вольт, если НЕ подаем сигнал – имеем +U.

Такая схема в народе называется инвертором.

– Закрой окно.
– Я не расслышала, закрыть окно или открыть?
– Инвертируй!

Если за входной сигнал и +U взять напряжение, допустим, в 5 Вольт, и договориться, что значение напряжения близкое к 5 Вольтам принять за логическую единичку, а напряжение близкое к нулю принять за логический ноль, то можно вывести самую простую закономерность:

– подаем логическую единичку на вход, получаем логический ноль на выходе

– подаем логический ноль на вход, получаем логическую единичку на выходе

На осциллограмме все это будет выглядеть вот так:

Также в цифровой электронике есть такое понятие, как таблица истинности, которая показывает значение Выходов каких-либо логических элементов со всеми возможными комбинациями на Входе. Для нашего инвертора таблица истинности примет вот такой вид:

Рассчитываем инвертор на практике

Давайте построим инвертор на транзисторе КТ815Б, рассчитаем его и испытаем. +U возьмем 5 Вольт. На Вход также будем подавать управляющий сигнал в 5 Вольт. Вся схема у нас будет вот такая:

Как мы уже сказали, резистор R2 будет ограничивать силу тока в цепи +5 Вольт ——-> R2——-> коллектор——-> эмиттер——-> земля, когда транзистор будет полностью открыт, то есть будет находиться в режиме насыщения. Также R2 будет задавать силу тока через нагрузку в режиме отсечки, которую мы цепанем на Выход схемы. В принципе, резистора Ом на 500 вполне хватит, чтобы в цепи +U——->R2——->коллектор——->эмиттер——->земля в режиме насыщения протекал ток силой в 10 миллиАмпер (I=U/R= 5 В / 500 Ом = 10 мА)

Дело за малым. Надо рассчитать резистор R1. Для этого щелкаем на статью работа транзистора в режиме ключа, и берем из этой статьи формулы для расчета резистора R1.

Для начала рассчитываем базовый ток по формуле:

где

IБ – это базовый ток, в Амперах

kнас – коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

IK – коллекторный ток, в Амперах

β – коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите или замеряют на практике

С помощью своего китайского транзистор-тестера я без труда замеряю β . Здесь он обозначается как hFE.

Теперь kнас берем 3, так как у нас будет типа переключающая схема. Iк у нас 10 миллиампер, это значение мы высчитывали выше. Считаем базовый ток:

Iб = (3 х 0,01) / 78 = 3,84 х 10-4 А

Так как управляющее напряжение у нас будет 5 Вольт, применяем закон Ома:

Iб = U/R1

R1 = U/Iб = 5 / 3,84 х 10-4 =1,3 х 104 Ом. Берем ближайший из ряда на 12 Килоом.

Следовательно, схема будет с такими параметрами:

Вот так она выглядит на макетной плате:

Давайте вместо нагрузки подцепим светодиод. Когда я НЕ подаю 5 Вольт на Вход, светодиод светится:

Когда беру 5 Вольт с другого блока питания и подаю на Вход схемы, то светодиод тухнет:

Как мы видим, схема работает.

Осциллограммы инвертора на транзисторе

Ну а теперь момент истины, смотрим осциллограммы. Желтый – входной сигнал амплитудой в 5 Вольт с китайского генератора частоты, а красный – выходной сигнал:

Подали прямоугольный сигнал в 5 Вольт и с частотой в 7 Килогерц, вышел прямоугольный сигнал в 5 Вольт 7 Килогерц. Выйти-то он вышел, но обратите внимание на то, что его фаза абсолютно противоположна фазе входного сигнала. Если взять 5 Вольт за логическую единичку, а 0 Вольт за логический ноль, то у нас получается, что загоняя единичку на вход, получаем ноль на выходе, и наоборот, загоняя ноль на вход, получаем единичку на выходе. Инвертор во всей своей красе 😉

Все, конечно, замечательно, но и здесь есть свои подводные камни. Дело все в том, что транзистор не может сразу быстро выключаться. Проблема заключается в физическом строении самого биполярного транзистора. Для выключения ему требуется некоторое время. В медленно переключающих схемах это не имеет значения, а вот схемы, которые работают на высоких частотах, уже будут иметь искажения. Вот осциллограмма выходного красного сигнала на частоте в 50 Килогерц :

А вот на частоте в 100 Килогерц:

Как видите, сигнал очень сильно искажается. Как же с этим бороться? Можно спроектировать ключ так, чтобы он переключался чуть выше границы насыщения. В этом случае коэффициент насыщения должен быть равен хотя бы единице. Но в этом случае у нас будет падать бОльшее напряжение между коллектором и эмиттером, что приведет к нагреву транзистора и лишним энергозатратам.

Второй вариант, использовать полевые транзисторы. Их еще называют МОП-транзисторы. Характеристики у МОПов намного лучше и энергозатраты на переключение даже меньше, чем у биполярных транзисторов. Поэтому в основном сейчас везде применяются МОП-транзисторы в роли ключей. Ну и самый пик моды – это IGBT-транзисторы. Может быть мы когда-нибудь дойдем и до них…

Сегодня для закрепления материала про полевики рассмотрим схемы на полевых транзисторах и обсудим принцип их работы. Предыдущие статьи про ПТ вот тут – раз и два.

Начнем..

Схема истокового повторителя.

Биполярным аналогом этого устройства является эмиттерный повторитель (о нем шла речь ). Вот как выглядит простейший повторитель на ПТ:

Ну давайте разбираться что же и как этот повторитель повторяет 😉 Напряжение на выходе:

Ток стока мы можем определить через напряжение затвор-исток следующим образом:

Подставляем в формулу для и получаем вот что:

И если сопротивление нагрузки намного превышает величину , то мы получаем довольно-таки хороший повторитель ().

Но у этой схемы есть парочка существенных недостатков. Во-первых, характеристики ПТ трудно поддаются контролю при изготовлении, поэтому такой истоковый повторитель может иметь непредсказуемое смещение по постоянному току. А во-вторых, такой повторитель имеет довольно-таки большое выходное сопротивление, соответственно, амплитуда выходного сигнала все-таки будет меньше, чем амплитуда сигнала на входе.

Более качественный повторитель получается при использовании согласованных пар ПТ. Такая схема выглядит следующим образом:

Рассмотрим работу данной схемы. Полевик Q2 задает определенный ток. Этот ток соответствует напряжению затвор-исток, равному нулю. Транзисторы включены последовательно, значит через Q1 течет такой же ток, а так как полевики абсолютно одинаковые, то и для Q1 напряжение затвор-исток равно нулю. В то же время:

Вот и получаем, что , то есть напряжение на выходе повторяет сигнал на входе.

Эту схему истокового повторителя можно еще модернизировать, добавив резисторы в цепь истока. С помощью подбора их значений можно установить разные значения тока стока:

На этом заканчиваем с истоковыми повторителями и переходим к некоторым другим схемам на полевых транзисторах )

Схема ключа на полевом транзисторе.

Здесь мы видим n-канальный МОП-транзистор. При заземленном затворе полевик находится в закрытом состоянии и, соответственно, входной сигнал не проходит на выход. Если подать на затвор напряжение, например, +10 В, то ПТ перейдет в открытое состояние и сигнал практически беспрепятственно пройдет на выход.

Тут особо и объяснять нечего )

Теперь перейдем к логическим элементам (вентилям) на МОП-транзисторах. И начнем с вариантов исполнения логического инвертора. Посмотрите на схемку:

Что вообще должен делать инвертор? Очевидно, что инвертировать сигнал ) То есть подаем на вход сигнал низкого уровня, на выходе получаем высокий уровень и наоборот. Давайте смотреть как это все работает. Если на входе низкий уровень сигнала, то n-канальный МОП-транзистор закрыт, ток через резистор нагрузки не течет, соответственно, все напряжение Vcc оказывается на выходе. А если на входе высокий уровень, то ПТ во включенном состоянии проводит ток, при этом на нагрузке появляется напряжение, а потенциал стока (выходной сигнал) практически равен нулю (низкий уровень). Вот так вот это схема и работает )

Рассмотрим еще один вариант инвертора, но уже с использованием p-канального ПТ:

Работает эта схема аналогично схеме инвертора на n-канальном транзисторе, поэтому останавливаться на этом не будем.

Есть один большой минус у обеих этих схем – это высокое выходное сопротивление. Можно, конечно, уменьшать , но при это рассеиваемая мощность будет увеличиваться (она обратно пропорциональна квадрату сопротивления). Как вы понимаете, в этом нет ничего хорошего. Отличной альтернативой этим схемам инверторов является схема на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП). Она имеет следующий вид:

Итак, пусть у нас на входе сигнал высокого уровня. Тогда p-канальный МОП-транзистор Q2 будет выключен, а Q1, напротив, будет во включенном состоянии. При этом на выходе будет сигнал низкого уровня. А что если на входе низкий уровень? А тогда наоборот Q1 будет выключен, а Q2 включен, и на выходе окажется сигнал высокого уровня. Вот и все )

Пожалуй, рассмотрим теперь еще одну схемку на полевиках – схему логического вентиля И-НЕ. Этот вентиль имеет два входа и один выход, и и низкий уровень должен быть на выходе только в том случае, когда на оба входа подан сигнал высокого уровня. Во всех остальных случаях на выходе сигнал высокого уровня.

Смотрите, как это работает. Если на Входе 1 и Входе 2 высокий уровень, то оба n-канальных транзистора Q1 и Q2 проводят ток, а p-канальные Q3 и Q4 закрыты, и на выходе окажется сигнал низкого уровня. Если на одном из входов сигнал низкого уровня, то один из транзисторов Q3, Q4 открыт, а, соответственно, один из транзисторов Q2, Q1 закрыт. Тогда цепь Q1-Q2-земля разомкнута, а на выход через открытый транзистор Q3 или Q4 попадает напряжение высокого уровня. Вот и получается, что низкий уровень на выходе возможен только если на обоих входах сигнал высокого уровня.

Заканчиваем на этом разговор о полевых транзисторах, мы сегодня рассмотрели схемы на полевых транзисторах и кроме того разобрались как они работают ) Так что до скорых встреч на нашем сайте!

Многие радиолюбители не считают блоки питания без трансформаторов. Но несмотря на это, они используются довольно активно. В частности, в охранных устройствах, в схемах радиоуправления люстрой, нагрузками и во многих других устройствах. В данном видеоуроке рассмотрим простую конструкцию такого выпрямителя на на 5 вольт, 40-50 мА. Однако можно изменить схему и получить практически любое напряжение.

Бестрансформаторные источники также применяются в качестве зарядных устройств и используются в запитке светодиодных светильников и в китайский фонариках.

Для радиолюбителей есть всё в этом китайском магазине.

Анализ схемы.

Рассмотрим простую схему бестрансформаторного блока питания. Напряжение от сети 220 вольт через ограничительный резистор, который одновременно выступает как предохранитель, идет на гасящий конденсатор. На выходе также сетевое напряжение, но ток многократно понижен.

Рисунок. Схема бестрансформаторного выпрямителя

Далее на двухполупериодный диодный выпрямитель, на его выходе получаем постоянный ток, который стабилизируется посредством стабилизатора VD5 и сглаживается конденсатором. В нашем случае конденсатор 25 В, 100 мкФ, электролитический. Ещё один небольшой конденсатор установлен параллельно питанию.

Дальше оно поступает на линейный стабилизатор напряжения. В данном случае использован линейный стабилизатор 7808. В схеме есть небольшая опечатка, выходное напряжение на самом деле приблизительно 8 В. Для чего в схеме линейный стабилизатор, стабилитрон? На линейные стабилизаторы напряжения в большинстве случаев не допускается подавать на вход напряжение выше 30 В. Поэтому в цепи нужен стабилитрон. Номинал выходного тока определяется в большей степени ёмкостью гасящего конденсатора. В данном варианте он с ёмкостью 0, 33 мкФ, с расчётным напряжением 400 В. Параллельно конденсатору установлен рарзряжающий резистор с сопротивлением 1 МОм. Номинал всех резисторов может быть 0, 25 или 0, 5 Вт. Данный резистор для того, чтобы после выключения схемы из сети конденсатор не держал остаточного напряжения, то есть разряжался.

Диодный мост можно собрать из четырех выпрямителей на 1 А. Обратное напряжение диодов должно быть не менее 400 В. Можно применить также готовые диодные сборки типа КЦ405. В справочнике нужно посмотреть допустимое обратное напряжение через диодный мост. Стабилитрон желательно на 1 Вт. Напряжение стабилизации этого стабилитрона должно быть от 6 до 30 В, не больше. Ток на выходе схемы зависит от номинала данного конденсатора. При ёмкости в 1 мкФ ток будет в районе 70 мА. Не следует увеличивать ёмкость конденсатора больше 0, 5 мкФ, поскольку довольно большой ток, конечно же, спалит стабилитрон. Данная схема хороша тем, что она малогабаритна, можно собрать из подручных средств. Но недостатком является то, что она не имеет гальванической развязки с сетью. Если вы собираетесь её применять, то обязательно в закрытом корпусе, чтобы не дотрагиваться до высоковольтных частей схемы. И, конечно же, не стоит связывать с этой схемой большие надежды, поскольку выходной ток схемы небольшой. То есть, хватит на запитку маломощный устройств, током до 50 мА. В частности, запитки светодиодов и постройки светодиодных светильников и ночников. Первый запуск обязательно делать последовательно соединённой лампочкой.

В данном варианте присутствует резистор на 300 Ом, который в случае чего выйдет из строя. У нас на плате уже нет данного резистора, поэтому добавили лампочку, которая будет чуть-чуть гореть во время работы нашей схемы. Для того, чтобы проверить выходное напряжение, будем использовать самый обыкновенный мультиметр, измеритель постоянный 20 В. Подключаем схему в сеть 220 В. Поскольку у нас есть защитная лампочка, она спасёт ситуацию, если будут какие-то проблемы в схеме. Соблюдайте предельную осторожность во время работы с высоким напряжением, поскольку всё-таки на схему поступает 220 В.

Заключение.

На выходе 4,94, то есть почти 5 В. При токе не более 40-50 мА. Отличный вариант для маломощных светодиодов. Можно запитать от данной схемы светодиодные линейки, только при этом заменить стабилизатор на 12-вольтовый, к примеру, 7812. В принципе, можно на выходе получить любое напряжение в пределах разумного. На этом всё. Не забывайте подписаться на канал и оставлять свои отзывы про дальнейшие видеоролики.

Внимание! Когда собран блок питания, важно разместить сборку в пластиковый корпус либо тщательно изолировать все контакты и провода для исключения случайного прикосновения к ним, так как схема подключена к сети 220 вольт и это повышает вероятность удара током! Соблюдайте осторожность и ТБ!

Я долго думал куда отнести данный материал- в Ардуино или в Радио так как в практике сборки поделок на Ардуино частенько приходится инвертировать сигнал для более корректной и правильной работы. Данная ситуация уже встречалась на страницах моего сайта. Чтобы немного разобраться в данной теме я и решил написать данную статью. Она может пригодиться вам в дальнейшем построении поделок на Ардуино. Вы спросите где? Да вот например у меня на сайте есть самоделка Отпугиватель мышей, так вот там желательно бы использовать усилитель для открытия затвора полевого транзистора. Но если включить схему с общим эммитером то получится что в паузах полевой транзистор будет открываться и динамическая головка просто сгорит. Как раз на этих двух поделках мы и разберем схемотехнику построения усилителей и инверторов. Давайте сначала объясню немного принципы построения усилителей и инверторов.

Включение транзисторов n-p-n в режиме усилителя

На данном рисунке представлены 3 классические схемы включения усилителя на 1 транзисторе структуры N-P-N. Разберем первую схему. Это усилитель с общим эммитером (эммитер подключен напрямую к проводу Gnd).
С чем это можно сравнить. Например кран с водой. Вода в трубах это эммитер (вывод со стрелкой), кран- база, а сам выход смесителя- коллектор (вывод противоположный эммитеру). Если мы немного приоткроем кран- вода потечет несильно. Чем сильнее открываем- тем сильнее течет. Такой же принцип работа и у транзистора. При поступлении напряжения на базу (на схеме подписан Iб- ток базы, так вот этот провод и есть База, т.е. вывод, который управляет транзистором). При поступлении ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО напряжения, пускай даже небольшой величины, транзистор начинает открываться. И открывается он тем больше чем больше напряжение на базе. Это грубое объяснение но приблизительно это выглядит так. Единственное замечание- сигнал при таком включении инвертируется. Т.е. если мы подали положительное напряжение на вход (отрицательным n-p-n транзистор не откроется) то на выходе (коллекторе) получим отрицательный сигнал противоположный по фазе. Назначение деталей в таком усилителе следующее. Конденсатор на входе как и на выходе не позволяет проходить постоянной составляющей вместе с сигналом, т.е. проходит только частотные колебания. Если убрать оба конденсатора то схема становится зависимой от подаваемого на базу напряжения. Т.е. можем управлять транзистором как ключом! Резистор на базе- смещающий. Он вводит базу в режим близкий к открытию, вследствие чего даже небольшой по амплитуде сигнал уже может открыть транзистор. Резистор на коллекторе играет роль нагрузки и с него снимается собственно сигнал.

Вторая схема- общий коллектор (коллектор подключен напрямую к шине питания). Принцип работы абсолютно такой же только сигнал не инвертируется а просто усиливается. Назначение деталей абсолютно такое же.

И, наконец, третья схема- общая база. Здесь деталей побольше, схема посложнее но используется и встречается довольно редко и обычно такую схему применяют во входных каскадах различных микшеров и т.д. Назначение деталей. Резистор на входе определяет входное сопротивление усилителя. R2 и R3 задают жестко фиксированное смещение, которое всегда держит транзистор приоткрытым (такое включение резисторов и базы называют также термокомпенсацией т.к. при длительной работе транзистор, пусть и незначительно, нагревается. Из за чего возникает процесс «уплывания» характеристик транзистора. В таком включении на базу подается всегда одно и тоже напряжение и транзистор принудительно вводится в требуемый режим.). Резистор на выходе- нагрузка. Такие схемы обычно применяют для согласования каскадов по входному/ выходному сопротивлению. Сигнал в данной схеме не инвертируется. В Ардуино не используется вообще.

Можно конечно поставить и p-n-p транзистор вместо n-p-n. Для этого надо просто поменять коллекторы и эммитеры местами в схеме включения (я привожу пример для работы с Ардуино).

Включение транзисторов n-p-n в режиме ключа

Данные схемы включения транзисторов являются электронными ключами. Принцип работы такой же как и у работы в режиме усилителя. Разница в отсутствии конденсаторов на входе/выходе схемы позволяет управлять транзистором уже ПОСТОЯННЫМ током. Т.е. если на базу транзистора подать напряжение то транзистор откроется и будет открытым до тех пор пока будет присутствовать напряжение на базе. Кроме того мощность выходного каскада значительно возрастает! Действительно, максимальный выходной ток Ардуино- 25мА, этого на самом деле мало. Но этим током можно открыть небольшой транзистор который позволит оперировать током уже в 250-300мА. А если следующий каскад на более мощном транзисторе то нагрузка уже может достигать нескольких ампер. Сразу мощный каскад подключить нельзя т.к. тока 25мА обычно не хватает на открытие мощных транзисторов (если эти транзисторы не составные). Принцип работы такой- же. Подаешь напряжение на базу- на выходе получаем напряжение. Пробегусь еще по схеме. В цифровой технике смещение на базу уже не так необходимо как в усилительной технике. Поэтому обычно резистор на базу не ставят вообще. Но, чтобы ограничить ток и исключить пульсации, ставят резистор между базой и общим проводом, т.е. принудительно закрывают транзистор небольшим сопротивлением в 1-10кОм. При появлении напряжения просадка напряжения незначительная и оставшегося напряжения вполне хватает на открытие транзистора.

Как же определить без запоминания какая схема инвертирует и какая неинвертирует сигнал. Давайте разбираться. Возьмем схему с общим эммитером. В закрытом состоянии (напряжение на базе отсутствует) транзистор не пропускает напряжение (по аналогии с водопроводным краном кран закрыт), значит можно грубо представить что транзистор вообще отсутствует. На выходе появляется напряжение проходящее с плюсового провода через резистор R2. Т.е. при отсутствии сигнала на входе- на выходе логическая 1. Теперь подадим напряжение на базу. Транзистор открылся и через него потек ток с общего провода на резистор R2. Т.е. резистор R2 является нагрузкой для транзистора. Теперь можно представить что появилась как бы перемычка между общим проводом и нижним концом резистора R2. На этом резисторе тоже происходит небольшое падение напряжения но все равно на выходе будет напряжение близкое к нулю (часть напряжения будет теряться на кристалле транзистора). Т.е. на выходе получили логический ноль. Теперь понятно что при подаче напряжения на вход (логическая 1) на выходе получим логический 0. Делаем вывод что схема включения транзистора с общим эммитером инвертирует сигнал или проще говоря меняет полярность. Для чего нужна такая схема спросите вы. Отвечаю. Все для того же усиления выходного сигнала. Т.е. если вы поставите два транзистора последовательно по схеме с общим эммитером то на выходе получите уже нормальный, неинвертированный сигнал. При этом ток коммутации нагрузки будет равен току коллектора второго транзистора! Ну а если ток не будет превышать 100-200мА то следует учитывать в скетче что сигнал после обработки и усилением одним транзистором будет проинвертирован. Если же вы не хотите инвертировать сигнал то можно воспользоваться схемой с общим коллектором. В данной схеме при поступлении напряжения на базу открывается транзистор и ток проходит на резистор R2 (представьте что появилась перемычка). Часть напряжения гасится на резисторе но основная часть напряжение поступает на выход. Т.е. подали на базу логическую 1- на выходе тоже логическая 1. Такая же ситуация и с нолем на базе. Транзистор закрыт и выход оказывается подключен через резистор на землю. Выходит что данное включение не инвертирует сигнал.

Для чего я постарался все это разжевать. Довольно часто приходится усиливать выходные сигналы напрямую с выводов. Можно конечно использовать оптроны и потом уже с выхода коммутировать нагрузку, особенно это актуально в высоковольтных схемах, дабы предотвратить попадание высокого напряжение в низковольтную часть. Но иногда нужно быстренько усилить амплитуду сигнала, например подключить 12В реле. Для этого смотрим какой ток потребляет реле. Выбираем транзистор. Собираем нужную схемы с учетом инвертирования сигнала. Подаем 12В на схему с транзистором, при этом Ардуино будет питаться от 5В. Все. Скоммутировали реле на 12В! Так же можно поступать и с любым другим напряжением но, как и написано выше, при высоких напряжениях лучше использовать оптроны для безопасности.

Простейший инверт без транзисторов

Вам нужно всего два компонента, чтобы собрать простейший инвертор, преобразующий постоянный ток 12 В в 220 В переменного тока.


Абсолютно никаких дорогих или дефицитных элементов или деталей. Все можно собрать за 5 минут! Даже паять не надо! Скрутил проволокой и все.

Что понадобиться для инвертора?

  • Трансформатор от приемника, магнитофона, центра и т.п. Одна обмотка сетевая на 220 В, другая на 12 В.
  • Реле на 12 В. Такие много где используются.
  • Провода для подключения.
  • Нагрузка в виде лампочки.


Сборка инвертора

Все сводиться к тому, чтобы подключить реле и трансформатор следующим образом. Первым делом на сетевую обмотку трансформатора накидываем нагрузку в виде светодиодной лампочки — это будет выход инвертора.
Затем низковольтную обмотку подключаем параллельно реле. Теперь один контакт идет на питание к аккумулятору, а второй подключаем к другому контакту аккумулятора, но только через замкнутый контакт реле. Плюс или минус значения не имеет.



Все! Ваш инвертер готов! Супер просто!
Подключаем к аккумулятору — он у нас в роли источника на 12 В и лампа на 220 В начинает светиться. При этом вы слышите писк реле.

Как же работает этот инвертер?

Все очень просто: когда вы подключаете питание все напряжение идет через замкнутые контакты на реле. Реле срабатывает и контакты размыкаются. В результате питание реле отключается и оно приводит контакты обратно на замкнутые. В результате чего цикл повторяется. А так как параллельно реле подключен повышающий трансформатор, мощные импульсы постоянного включения-выключения подаются ему и преобразуются в переменный высоковольтный ток. Частота такого преобразователя колеблется в пределах 60-70 Гц.
Конечно, такой инвертор не долговечен — рано или поздно реле выйдет из строя, но не жалко — оно стоит копейки или вообще бесплатно, если взять старое. А выходное напряжение по роду тока и разбросу просто ужасно. Но этот простейший преобразователь может вас выручить в какой-нибудь серьезной ситуации.

Обзор схем преобразователей напряжения с 12 В на 220 В

Преобразователи напряжения c 12 В на 220 В: обзор схем и вариантов реализации

Преобразователи напряжения с 12 В на 220 В интересны всем, кто много ездит и проводит немало времени в машине. Приходится запитывать и заряжать ноутбук, коммуникатор, беспроводные наушники, сотовый телефон, порой нужен даже автомобильный холодильник (лучше, конечно, на 12 вольт, такие продаются). Такой преобразователь можно подключать к прикуривателю либо к аккумулятору. Подключать стоит к аккумулятору напрямую, поскольку в прикуривателе тоненькие провода, а при зарядке потребляется много тока. Для ноутбуков стоит иметь DC-DC инвертор, нет смысла преобразовывать 12 В в 220 В, включать в инвертор блок питания ноутбука, который опять 220 В преобразует в 19 В (питание ноутбука примерно такое). Но это вводная, перейдем к практике.

Простые маломощные схемы преобразователей на отечественной элементной базе

Надежная, но маломощная схема

Преимущества:

  • схема проверена, не подведёт;
  • если не нужна мощность, а зарядить телефон, и фонарики — то, что нужно;
  • не каждый блок бесперебойного питания будет работать в таком режиме.

Недостатки:

  • малая мощность (50 Вт);
  • моральная старость.

Как работает схема преобразователя

В схеме три функциональные узла: задающий мультивибратор (вырабатывает импульсы 50 Гц, инвертор на выходе), двухтактный транзисторный ключевой усилитель мощности, повышающий трансформатор.

В основе мультивибратора — микросхема D1 (D1.1 + D1.2). Номиналы R1, С1 задают частоту мультивибратора. Инвертор — выход D1.4 микросхемы. Транзисторы VT3, VT4 усиливают мощность импульсов, которые принимает низковольтная обмотка транса Т1. Импульсным током низковольтной обмотки в высоковольтной обмотке наводится напряжение 220 В, его форма близка к синусоидальной. Повышающая обмотка и конденсатор С4 образуют контур, настроенный на частоту 50 Гц, это улучшает форму напряжения на выходе.

Микросхему К561ЛН2 можно заменить другими инверторами — микросхемами К561ЛА7, К561ЛЕ5. Серия К176 в этой схеме не рекомендуется.

Транзистор КТ973 может иметь любой буквенный индекс.

Транзистор КТ805, возможная замена – КТ819, буквенные индексы любые.

Повышающим трансформатором могут быть любые сетевые трансформаторы с мощностью 50-100 Вт, с первичной обмоткой 220 В, а две вторичные — 10-15 В в каждой (можно одну, имеющую в середине отвод на 20-30 В). При этом нужно помнить об обратном включении трансформатора!.

Транзисторам VT4 и VT3 нужны радиаторы для надежного теплоотвода

Источник: РадиоКонструктор №5/1999, стр. 27

Простая схема мощностью 110-130 Вт (75 Герц)

Преимущества:

  • простая сборка;
  • надежен, не боится перегрузок и КЗ;
  • копеечная стоимость.

Недостатки: тяжелый и громоздкий.

В основе этой конструкции — схема простейшего преобразователя напряжения DC/AC, при соблюдении всех параметров налаживание не требуется, можно обойтись только паяльником. После подачи питания схема запускается сразу, не требует настройки (естественно, нужно замерить выходное напряжение). Используется общий коллектор, все транзисторы можно установить на один радиатор, изолирующие прокладки не нужны. Монтаж навесной.
Вариант 1:

Вариант 2.

Использованы:

От выбора типа транзисторов силовой части инвертора будет зависеть выходная мощность инвертора. Лучший вариант — полевые транзисторы, но нужно заменить резисторы на более высокое сопротивление, подходящее под тип отобранного транзистора.

Задающий генератор собран на транзисторах Т1-Т2, 2-х резисторах и трансформаторе Тр1.

Трансформатор ТР1:

  • обмотки 1 и 4 – по 10 витков;
  • обмотки 2 и 3 – по 30 витков;
  • обмотки 5 и 6 – по 10 витков.

Все обмотки можно мотать проводом любой марки диаметром 0.4-0.5мм. Для лучшей синхронизации каналов желательно обмотки 1 и 4, 2 и 3, 5 и 6 мотать бифилярно, т.е. по 2 провода вместе.

Трансформатор ТР1 – ш-образный на железе с площадью сечения сердечника не менее 4см (если сечение окажется недостаточным,то задающий генератор запустится на высоких частотах,от 800Гц до 10-12Кгц,о чём подскажет высокочастотный писк трансформатора). Можно взять из чб лампового телевизора трансформатор ТВ-3Ш,он небольшого размера.

В зависимости от применяемых транзисторов и типа трансформатора частота и напряжение на обмотках 5 и 6 может измениться. Нормальным для работы силовой части инвертора будет напряжение 7-10 В.

При сборке задающего генератора номиналы элементов обоих каналов должны быть строго идентичны для обеспечения синхронной работы всего инвертора. Особое внимание нужно уделить правильной фазировке обмоток 1, 2, 3 и 4. Начала всех обмоток обозначены точками.

Трансформатор ТР2:

  • обмотка 3 намотана проводом диаметром 0,5-0.8мм,содержит 600 витков;
  • обмотки 1-2 – проводом диаметром 2мм, по 24 витка;

Можно использовать готовый сетевой трансформатор, имеющий 2 выхода по 12 вольт, просто подключив его «наоборот». Но в этом случае, возможно, придётся корректировать число витков вторичной обмотки 3. Выходная мощность будет зависеть от типа транзисторов, их количества и габаритной мощности трансформатора. Ну и номиналы элементов обоих каналов должны быть идентичны.

Осциллограмма импульсов инвертора на выходе:

Готовый преобразователь:

Простой маломощный на двух транзисторах

Отечественная комплектация использована в следующей очень простой и надежной схеме преобразователя напряжения 12 В в 220 В (разрабатывалась для энергосберегающей лампы). Схема не требует наладки, в ней 2 транзистора, конденсатор, два резистора и трансформатор.

Транзисторы подобраны для минимального тока потребления (КТ814 и КТ940), под них определены сопротивления и емкость, номиналы которых указаны на схеме.

Эта конструкция оптимальна для питания энергосберегающей лампы 8,9,11 Вт, потребление тока колеблется от 0.5 до 0.54 А.

Трансформатор сделан из ферритовых чашек диаметром 35 мм, высотой 20мм. Вначале наматывается первичная обмотка — 14 витков, провод диаметром 0,5 мм, после намотки она оборачивается изолентой в один слой. Вторичная обмотка — провод диаметром 0.2 мм, 220 витков, поверху также обмотка изолентой в один слой. Затем каркас с намоткой помещается в ферритовые чашки и садится на болтик.

Ниже показаны фотографии.

Ферритовая чашка.

Намотанные катушки индуктивности.

Готовый трансформатор

Преобразователь питает энергосберегающую лампу.

Для просмотра схем более мощных преобразователей щелкните на цифре 2.

Схемы устройств большей мощности

Преобразователь мощностью до 400 Вт

Схема состоит из задающего генератора (микросхема А1 — КР1211ЕУ1, зарубежного аналога не имеет — это задающий генератор с двумя выходами: прямым и инверсным, соответственно 4 и 6), двух ключей (полевики VT1 и VT2), трансформатора Т1 (повышающего).

Вывод 1, когда на него подается высокий уровень сигнала, останавливает генератор, в этой реализации не использован, в схеме на него подается сигнал постоянного низкого уровня.

Частота генерации определяется R1 – C1, надежный запуск генератора обеспечивают R2 – C2. Стабилизатор (элементы R3, VD1, C3, стабилизация 8-10 В) питает микросхему.

На выходе — двухтактный каскад: два мощных полевых транзистора IRL2505 (при нагрузке до 200 Вт радиаторы не требуются, если возможна большая нагрузка — радиаторы обязательны).

Трансформатором может быть какой-угодно сетевой с двумя обмоткми на 12 В требуемой мощности, лучше тороидальный, можно другой, но должно соблюдаться следующее условие: по мощности трансформатор должен превышать предполагаемую нагрузку в 2 (это если тороидальный сердечник) – 2.5 раза. Пример: если нагрузкой будут 100 Вт – нужна мощность 250 Вт, если тороидальный — 200 Вт.

Конденсатором С6 (он сглаживает импульс) — может быть К-73-17 либо подобный, напряжением 400 В или выше. Когда мощность потребления большая, ток с 12 В может превышать 40 А, вот почему на сечение и длину шины питания необходимо обратить внимание.

Мощный преобразователь напряжения с 12 В на 220 В

Предназначен для нагрузки до 1000 Вт, требующей переменного напряжения 220В. Использованы старые транзисторы П216, которые радиолюбители еще могут найти в своем хозяйстве.

В качестве задающего генератора здесь используются транзисторы VT1, VT2 и трансформатор Т1 – задается частота 200 Гц. Вторичная обмотка Т1 сигнал через конденсаторы отправляет к электродам тиристоров VD1, VD2, которые создают импульсное напряжение в первой обмотке трансформатора Т2.

Неполярный конденсатор С4 (его емкость) подобран так, что его напряжение поочередно закрывает тиристоры. Резистором R3 защищаются цепи 12 В от перегрузки во время открывания тиристора.

У трансформатора Т1:

  • у сердечника – пластина Ш16Х10;
  • в обмотке 1 – 40+40 витков ПЭЛ 0.8;
  • в обмотке 2 – 10+10 витков ПЭЛ 0.3;
  • в обмотке 3 – 20+20 витков ПЭЛ 0.3.

В трансформаторе Т2:

  • в сердечнике – пластина Ш50Х60;
  • в обмотке 1 – 40+40 витков проводом 3 мм в диаметре;
  • в обмотке 2 – 460 витков, провод ПЭЛ 0.8.

Использование тиристоров КУ202 позволит собрать подобный преобразователь меньшей мощности.

Также можно применить новые кремниевые транзисторы, в этом случае требуется корректировка режима постоянного тока.

Схема инвертора мощностью 300 Вт

Ниже приведена уменьшенная схема, полноразмерная схема для более комфортного просмотра здесь.

Достоинства:

  • беспроблемная работа при нагрузке до 300 Вт;
  • возможна нагрузка до 650 Вт (при сильном нагреве проводов и падении напряжения до 190 В).

Недостатки:

  • сложность, требуется импортная комплектация;
  • более высокая стоимость.

Трансформатором может послужить импульсный блок питания (нерабочий советский телевизор в самый раз). Нужно перемотать, сточить зазор на феррите (если из двух таких трансформаторов взять по одной половинке феррита, ничего точить не придется).

В трансформаторе преобразователя возможно использование двух колец, оба 40х25х11, склеенных вместе. Первичная – та же, что в ТПИ-3, вторичная – на 60 витков.

Первичная – в двух обмотках 3 повода на 0.8 у плеча – в одном плече 5 витков и во втором плече 5 витков.

Вторичная – два провода на 0.8. При наматывании используется метод проверки. Вначале половину вторичной — два провода 0.8 + изоляция, затем первичную два плеча, опять изоляция, еще раз вторичная – ее подгоняем для нужного вольтажа (230 В).

В качестве корпуса лучше использовать компьютерный блок питания АТХ, в нем есть кулер, который лучше оставить и применить для охлаждения при повышенной нагрузке.. Ниже показаны фотографии сделанного устройства.

ПРОСТАЯ СХЕМА 220в ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ от 1,5в

Преобразователь напряжения

Из деталей лампочки Экономки и небольшого сетевого трансформатора легко сделать повышающий преобразователь способный зажигать маломощные лампочки на 220 вольт от 1,5 вольтовой батарейки.

Схема такого повышающего преобразователя предельно проста — один транзистор и один диод. причем диод одновременно служит резистором и защитой от всплесков обратного напряжения самоиндукции трансформатора.

Такая схема является автогенератором с индуктивной связью и может работать в любых устройствах не критичных к скачкам тока и напряжения, а также к возникающим в процессе работы помехам и ЭМ излучениям.

Автогенератор

Автогенерация возникает стабильно при включении питания, но может сорваться при недостаточном напряжении источника тока либо при плавном включении через устройства типа лабораторных блоков питания.

Срыв генерации как правило приводит к выходу из строя транзистора, что характерно для схем с напряжениями питания превышающими предельные напряжения допустимые для перехода эмиттер база используемого транзистора.

В нашем случае использован транзистор для импульсных схем 13003 и пределы его безопасных для базы напряжений ограничены 9 ю вольтами, что вполне подходит для создания самоделок и экспериментов.

Мощность преобразователя ограничивается током который способна отдать батарейка и величиной трансформатора. Именно от трансформатора зависит напряжение и ток вторичной обмотки на которую и подключается нагрузка. Слишком мощная нагрузка приводит к разбалансировке схемы и срыву генерации. Проще всего подключаются газоразрядные лампочки и неонки имеющие большое сопротивление , но можно подключать и светодиодные лампочки мощностью не более 5 ватт, да и этого будет многвато для одной пальчиковой батарейки.

Доступность деталей и простая схема позволяют рекомендовать такой преобразователь для самостоятельной сборки.

Д.А.Компанец

Технохрень

Mosfet или МОП-транзистор это такая штука для управления нагрузкой. Типа как реле, но лучше

Бывают N и P типов. Картинка поможет:

Картинку надо запомнить чтобы потом не путаться в документации. Да, и N-канальные круче как правило

NPN mosfet подключение к arduino

Тут все без гемора. Вот пара вариантов подключения:

Если надо еще и плавно включать/выключать лампочку, либо не на всю мощность, а только на половину например, можно из ардуино пищать шимом, а между затвором и истоком включить еще конденсатор микрофарад на 300. Это нужно чтобы открыть мосфет на половину.. Однако это подойдет только для маломощной лампочки, потому как полуоткрытый мосфет имеет некислое внутреннее сопротивление и греется как утюг.

В эту схему подойдет к примеру мосфет h6n03l. Но тут есть нюанс в выборе резюков. Тот, который между ардуино и gate – чем больше сопротивление, тем меньше ток на ноге ардуино и меньше вероятность что она задымится. И чем больше сопротивление тем медленнее открывается мосфет. Кароч 150 ом норм для ардуино (по закону ома I = E / R, I = 5 / 150 = 0.033 А — это 33 миллиампера, норм). Зачем он вообще нужен? Дело в том, что затвор (gate) у полевика имеет определенную емкость и является в какой-то мере конденсатором. Так что в момент переключения через затвор проходят большие токи, которые может не выдержать ардуина. Для этого и нужен резистор между gate и пином.

А второй 10 кОм типа подтягивающий резистор – нужен чтобы держать мосфет закрытым и нагрузку выключенной пока порт ардуины в неопределенном состоянии например при загрузке (так называемое Z-состояние).

Но у этой схемы есть косяк – она медленновата. На переключение уйдет 600ns что подходит не для всех задач. Вот фронт и спад.

Но это нужно далеко не всегда и как правило достаточно первой схемы. И кстати есть вариант получше — про него в конце статьи.

PNP mosfet arduino

Тут чутка сложнее

Если нам надо на нагрузку подать 5 вольт:

  • R1 ограничивает ток на затворе чтобы ардуинка не сломалась
  • R2 подтягивает порт на землю чтобы не было ложных срабатываний
  • D1 диод шотки чтобы не спалить все – он нужен только если нагрузка имеет большую индуктивность – например реле или мотор или еще что-то, где есть много намотанной проволоки. Кстати для NPN мосфета он тоже нужен. А на переменном токе не нужен, а то задымится)

Если на мотор или лампочку надо 12 вольт то все немного сложнее. Чтобы открыть мосфет нам надо подать 12 вольт на gate, а при таком варианте наш ардуино задымится. Надо еще один транзистор так:

Тут Q1 – биполярный транзистор – он то и включает 12 вольт на gate Q2, а R1 нужен чтобы ограничить ток чтобы ардуино опять таки не задымилась. Работает все так:

  • подаем с ардуино high – q1 начинает проводить ток с коллектора на эмиттер и 12 вольт утекает не в gate q2, а на землю. q2 включает мотор
  • подаем с ардуино low – q1 закрыт и не пропускает ток, 12 вольт через резистор подаются на gate q2, моторчик не крутится. все просто. резистор r2 нужен чтобы ограничить ток q1 и q2 чтобы он не задымились

Управлять больше чем 12 вольт можно, например 24 вольтами, если q1 выдержит. Чтобы наверняка можно добавить диод D2:

Рулим 220 вольтами с помощью мосфета

Мосфетом не совсем удобно рулить 220 вольтами. Ну всяким извращенцам это нравится Вот пример схемы:

Эта схема диммера для лампочек, с помощью ШИМ можно менять яркость. Подробнее тут http://www.learningelectronics.net/circuits/dimmer-with-mosfet.html

А для нормального управления нагрузкой в 220 вольт вместо мосфетов можно использовать:

  • симисторы типа bt131. Если нужна плавная регулировка света, то нужно делать что-то вроде этого:

    Вкратце из за того, что напряжение переменное, надо будет с помощью прерывания отлавливать момент когда лучше всего открыть симистор, и сделать из обычной фазы что-то вроде этого:
    Подробнее тут http://www.cyber-place.ru/showthread.php?t=525
  • транзисторы дарлингтона
  • КР1182ПМ1 (не особо надежно, по отзывам дохнут они)

Подключение Mosfet к Ардуино по-хорошему

Для таких вещей люди специально придумали специальные драйверы типа этих http://voltmaster-samara.ru/catalog/drajvery-mop-i-igbt-tranzistorov

Тут уж народ издевается над МОП транзисторами как хочет

Суть в том, что драйвер нужен как раз для согласования пяти вольт с выводов ардуино (а также других микроконтроллеров) с уровнями, необходимыми для управления затворами мосфетов.

На картинке первые две схемы а) и б) не очень, так как из-за кривых рук разработчика все может задымится. Зато вторые норм.

И кстати если надо использовать ШИМ — то лучше выбрать высокоскоростной драйвер типа TC4420.

Подбор MOSFET для подключения к ардуино

Качаем даташит, например для FQP30N06. Первое на что надо обратить внимание это ток и вольты:

Второе — определить по такой вот диаграмме падение напряжения. Например если мы рулим лампочкой с потреблением 2А, а для управления используем 5 вольт на gate:

Падение напряжения будет где-то 5,4 вольта и нам лучше найти что нибудь менее нагревательное

Третье — надо если используется ШИМ — время открытия и закрытия:

Если прокосячить с частотой, дать большую чем он может вытянуть, то транзюк перегреется.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх