مدار واسط خروجی بارهای جریان بالا

مدار واسط خروجی بارهای جریان بالا:
ادوات خروجی متداول مانند لامپ ها، سلونوئیدها و موتورها، به مقدار جریان بالایی نیاز دارند. در این حالت، با استفاده از آرایش کلیدهای ترانزیستوری می توان این وسایل را به صورت موثرتری درایو و کنترل کرد.

با استفاده از این روش، بار (لامپ یا موتور) نمی تواند مدار خروجی کنترل کننده یا واسط کلیدزنی را دچار اضافه بار (Overload) کند.

در شکل زیر نمایی از یک مدار واسط خروجی بارهای جریان بالا با استفاده از ترانزیستور نشان داده شده است.

کلیدهای ترانزیستوری در عمل بسیار متداول هستند و برای کلیدزنی بارهای با توان بالا و یا مدار واسط خروجی منابع تغذیه با توان های متفاوت مورد استفاده قرار می گیرند.

این مدارات همچنین قادرند در صورت نیاز، در یک ثانیه چندین بار روشن و خاموش شوند، در نتیجه در مدارات مدولاسیون پهنای پالس (PWM) بسیار کاربرد دارند. اما پیش از استفاده از ترانزیستورها به عنوان کلید، باید به چند نکته توجه کرد.

جریان عبوری از پیوند بیس امیتر برای کنترل کردن مقدار جریان بزرگ گذرا از کلکتور به امیتر (یا جریان بار متصل به خروجی ترانزیستور) مورد استفاده قرار می گیرد.

بنابراین، اگر هیچ جریانی در ترمینال بیس ترانزیستور وجود نداشته باشد، آن گاه هیچ جریانی از کلکتور به امیتر نیز برقرار نخواهد بود و به عبارت دیگر جریان بار متصل به ترانزیستور برابر با صفر خواهد بود. در این حالت گفته می شود که ترانزیستور کاملا قطع یا خاموش (Cut-Off) است.

با تغییر ترانزیستور به ناحیه روشن یا اشباع (Saturation)، کلید ترانزیستوری با دقت بالایی شبیه به یک کلید بسته عمل می کند؛ زیرا ولتاژ کلکتور آن با تقریب خوبی برابر با ولتاژ امیتر است.

البته به دلیل این که ترانزیستور یک المان حالت جامد است، حتی در حالت اشباع نیز افت ولتاژ کوچکی در طول ترمینال های ترانزیستور به وجود می آید که VCE(SAT) نام دارد. این افت ولتاژ بسته به نوع ترانزیستور از 0٫1 ولت تا 0٫5 ولت تغییر می کند.

هنگامی که ترانزیستور به ناحیه روشن یا اشباع برود، مقاومت بار، جریان کلکتور ترانزیستور (IC) را به مقدار واقعی مورد نیاز توسط بار (در مثال بالا جریان لامپ) محدود می کند.

اگر جریان بیس بالا باشد، می تواند منجر به بالا رفتن دمای ترانزیستور و آسیب دیدن ترانزیستور کلیدزنی شود، که مخالف با هدف استفاده از ترانزیستور است؛ زیرا جریان بار بزرگ باید با استفاده از جریان های کوچک کنترل شود.

بنابراین به استفاده از یک ترانزیستور محدودکننده جریان، برای محدود کردن جریان بیس (IB) نیاز است.

یک مدار واسط خروجی ساده در شکل زیر نشان داده شده است که با استفاده از یک ترانزیستور کلیدزنی ایجاد شده و قادر است جریان بار را کنترل کند.

به این نکته توجه کنید که استفاده از یک دیود هرزگرد (Free-Wheeling Diode) در این مدارات بسیار ضروری است؛ زیرا از ترانزیستور در برابر ولتاژ نیروی ضدمحرکه الکتریکی تولید شده در طول بار القایی متصل به خروجی ترانزیستور مانند روتور، لامپ و سلونوئید محافظت می کند.

از انواع مختلف دیودهای هرزگرد می توان به 1N4001 و یا 1N4148 اشاره کرد. ولتاژ ضد محرکه زمانی به مدار آسیب می زند که جریان توسط ترانزیستور قطع شود.

فرض کنید می خواهیم عملکرد یک لامپ رشته ای 5 واتی متصل به یک منبع تغذیه 12 ولتی را با استفاده از یک گیت دیجیتال TTL پنج ولتی و از طریق یک مدار واسط خروجی کلیدزنی ترانزیستور مناسب بررسی کنیم.

اگر بهره جریان DC در ترانزیستور، یعنی نسبت بین جریان کلکتور (خروجی) و بیس (ورودی) کهβ نام دارد، برابر با 100 باشد و نیز ولتاژ اشباع VCE هنگام روشن بودن کامل ترانزیستور برابر با 0٫3 ولت باشد، آن گاه مقدار مقاومت بیس RB مورد نیاز برای محدود کردن جریان کلکتور چقدر خواهد بود؟ توجه کنید که مقدار β یا hF E را می توان در دیتاشیت ترانزیستور به دست آورد.

مقدار جریان کلکتور ترانزیستورIC همان مقداری است که از رشته های لامپ عبور می کند. اگر نرخ توان مربوط به لامپ برابر با 5 وات باشد، آن گاه با توجه به فرمول توان داریم:

P=V×I

بنابراین مقدار جریان هنگام روشن بودن کامل ترانزیستور برابر است با:

همچنین مقدار ولتاژ اشباع ترانزیستور را از قبل داریم:

در نهایت جریان کلکتور به صورت زیر به دست می آید:

چون IC برابر با جریان بار یا لامپ است، در نتیجه مقدار جریان بیس ترانزیستور به صورت زیر با استفاده از نرخ جریان ترانزیستور به دست می آید:

همان طور که در ابتدا بیان شد، نرخ جریان برابر با 100 است، بنابراین کمینه جریان بیس IB(MIN) به صورت زیر محاسبه می شود:

پس از به دست آوردن مقدار جریان بیس ترانزیستور، حال لازم است که مقدار بیشینه مقاومت بیس RB(MAX) را محاسبه کنیم.

بر اساس اطلاعات داده شده می دانیم که مقدار جریان بیس ترانزیستور به وسیله ولتاژ 5 ولت خروجی یک گیت منطقی دیجیتال کنترل می شود.

اگر ولتاژ بایاس مستقیم پیوند بیس امیتر برابر با 0٫7 ولت باشد، آن گاه مقدار مقاومتRB به صورت زیر محاسبه می شود:

بنابراین هنگامی که سیگنال خروجی از گیت منطقی صفر ولت یا سطح Low باشد، هیچ جریانی بیسی از ترانزیستور عبور نخواهد کرد و ترانزیستور کاملا خاموش است.

واضح است که در این حالت هیچ جریانی از مقاومت 1 کیلو اهمی نیز نمی گذرد. اما زمانی که سیگنال خروجی از گیت منطقی در سطح 5 ولت یا High باشد، جریان بیس برابر با 4٫27 میلی آمپر است و ترانزیستور را روشن می کند و باعث به وجود آمدن ولتاژ 11٫7 ولت در طول رشته های لامپ می شود.

مقاومت بیس RB کمتر از 18 میلی وات را هنگام هدایت جریان 4٫27 میلی آمپر تلف می کند، بنابراین یک مقاومت 1٫4 وات وجود دارد.

به این نکته باید توجه کرد که هنگام به کار بردن یک ترانزیستور به عنوان کلید در یک مدار واسط خروجی، بر اساس یک قاعده ساده می توان مقدار مقاومت بیس RB را به صورتی انتخاب کرد که جریان بیس IB حدودا ٪5 یا ٪10 از کل جریان بار مورد نیاز IC باشد تا ترانزیستور را به خوبی در ناحیه اشباع قرار دهد و مقدار VCE و اتلاف توان را کمتر کند.

همچنین برای محاسبه سریع تر مقدار مقاومت، می توان از افت ولتاژ 0٫1 یا 0٫5 ولت در طول پیوند کلکتور امیتر و افت ولتاژ 0٫7 ولت در پیوند بیس امیتر صرف نظر کرد. مقدار به دست آمده در این شرایط نیز دارای دقت کافی خواهد بود.

مدار کلید ترانزیستوری برای کنترل ادوات توان پایین مانند لامپ های رشته ای یا رله های کلیدی مفید است که این ادوات خود برای کنترل توان وسایل با توان بالاتر مانند موتورها و سلونوئیدها می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

اما رله ها ادوات الکترومکانیکی بزرگ و جاگیری هستند که قیمت نسبتا بالایی نیز دارند و قسمت عمده از فضای یک برد مداری را مثلا هنگام استفاده به عنوان مدار واسط خروجی یک میکروکنترلر 8 بیتی اشغال می کنند.

یک راه برای رفع این مشکل و کلیدزنی ادوات جریان بالا به صورت مستقیم از پین های خروجی میکروکنترلر، PIC و یا مدارات دیجیتال، استفاده از پیکربندی زوج دارلینگتون است که از دو ترانزیستور تشکیل شده است.

یکی از بزرگ ترین معایب ترانزیستورهای قدرت هنگام استفاده به عنوان مدار واسط خروجی، این است که بهره جریان β آن ها مخصوصا در کلیدزنی بارهای جریان بالا، بسیار پایین و حتی در حدود 10 است.

برای حل این مشکل و کاهش مقدار جریان بیس مورد نیاز، مجددا استفاده از زوج ترانزیستوری دارلینگتون ست. نمایی از آرایش زوج ترانزیستوری دارلینگتون در تصویر زیر نشان داده شده است.

آرایش زوج دارلینگتون، از دو ترانزیستور PNP و یا دو ترانزیستور NPN تشکیل شده است که مطابق تصویر بالا به یکدیگر متصل شده اند.

این آرایش در آی سی هایی مانند 2N6045 یا TIP100 برای استفاده به صورت آماده وجود دارد که شامل دو ترانزیستور و مقاومت های مورد نیاز برای خاموش شدن سریع هستند و در کاربردهای سوئیچینگ مورد استفاده قرار می گیرند.

در آرایش دارلینگتون تصویر بالا، ترانزیستور TR1 برای کنترل ترانزیستور قدرت کلیدزنی TR2 مورد استفاده قرار می گیرد.

سیگنال ورودی اعمال شده به بیس ترانزیستور TR1 می تواند جریان بیس ترانزیستور TR2 را نیز کنترل کند. آرایش دارلینگتون هم به صورت ترانزیستوری و هم به صورت آی سی، دارای سه پایه امیتر، بیس و کلکتور است.

بسته به ترانزیستور مورد استفاده، بهره جریان DC زوج دارلینگتون می تواند از چند صد تا چند هزار تغییر کند. در نتیجه این امکان وجود دارد که بتوان مثلا یک لامپ رشته ای را با جریان بیس در حدود چند میکرو آمپر کنترل کرد؛ زیرا جریان کلکتور β1IB1 اولین ترانزیستور، برابر با جریان بیس دومین ترانزیستور خواهد بود.

بنابراین بهره جریان TR2 برابر باβ1β2IB1 می شود و بهره جریان نهایی از حاص ضرب بهره جریان دو ترانزیستور به دست می آید.

به عبارت دیگر دو ترانزیستور دو قطبی تکی به یکدیگر متصل می شوند و یک ترانزیستور دارلینگتون را به وجود می آورند که بهره جریان آن از حاصل ضرب بهره جریان ترانزیستورهای تکی به دست می آید.

بنابراین با انتخاب ترانزیستورهای دو قطبی مناسب و بایاس صحیح آن ها، می توان آرایش زوج دارلینگتون تعقیب کننده امیتر (Emitter Follower) را به عنوان یک ترانزیستور با بهره جریان بالا و در نتیجه امپدانس ورودی بسیار بزرگ در حدود چند هزار اهم در نظر گرفت.

خوشبختانه امروزه استفاده از زوج دارلینگتون در پکیج آی سی های متنوع با 16 پین به عنوان مدار واسط خروجی بسیار ساده است.