הפעלת עומסים: טרנזיסטור, ממסר וממסר מצב מוצק

מדוע הדק אינו מפעיל עומס ישירות (Pin Current Limits)

הדק מוצא בבקר הוא מפסק אלקטרוני קטן בתוך השבב: הוא מחבר את ההדק למתח 5 V במצב HIGH ולאדמה במצב LOW. המפסק הזה בנוי לזרמים קטנים. גיליון הנתונים של הבקר ATmega328P שבלוח Uno קובע ערכים מרביים מוחלטים, וחריגה מהם הורסת את השבב:

נורה של 12 V צריכה מתח שההדק אינו נותן, וסליל של ממסר קטן מושך כ-71 mA (נחשב בהמשך), כלומר יותר מן הערך המרבי המוחלט. הפתרון תמיד זהה: ההדק נותן רק אות בקרה קטן, ומעגל הנעה (דרייבר) פותח וסוגר את הזרם הגדול של העומס, והעומס מקבל את הזרם שלו מספק נפרד:

נורית LED עם נגד טורי:

נורית LED היא עומס קטן שההדק יכול להפעיל ישירות, בתנאי שנגביל את הזרם שלה בנגד טורי. על נורית דולקת נשאר מתח כמעט קבוע שנקרא מתח קדמי V_F, והשאר, V_CC − V_F, נופל על הנגד. עבור זרם רצוי I_F, הנגד הטורי הוא:

טרנזיסטור כמפסק (BJT as a Switch)

בטרנזיסטור NPN נחבר את העומס בין הספק +12 V לבין הקולט, ונחבר את הפולט לאדמה. זה נקרא מיתוג בצד הנמוך: הטרנזיסטור מנתק או מחבר את הקצה התחתון של העומס לאדמה. ההדק נותן זרם קטן לבסיס דרך נגד בסיס R_B. זרם בסיס קטן שולט בזרם קולט גדול ממנו פי עשרות, ולכן מספיק שההדק ייתן כמה מיליאמפרים.

איך בוחרים ואיך מחברים?

• הטרנזיסטור: 2N2222A מתאים לעומסי זרם ישר של עד כמה מאות מיליאמפרים: נורה קטנה, סליל של ממסר, זמזם. לעומסים גדולים יותר נבחר טרנזיסטור MOSFET (סעיף 10.3).
• נגד הבסיס: לעולם לא מוותרים עליו, כי הוא מגביל את זרם הבסיס ומגן על ההדק ועל הטרנזיסטור. לעומס של עד כ-150 mA מספיק בדרך כלל R_B = 1 kΩ: ההדק נותן רק כ-4.3 mA, וזה מספיק כדי שהטרנזיסטור ייכנס לרוויה.
• העומס: בין +12 V לקולט, הפולט אל האדמה, והאדמה של ספק העומס משותפת עם האדמה של הבקר.
• עומס השראתי (סליל של ממסר, מנוע): מוסיפים דיודת חופש על העומס (סעיף 10.4).

נהפוך את המעגל למערכת בקרה שלמה: הנגד תלוי-האור מודד את האור, והבקר מדליק את הנורה בחושך. בחושך ההתנגדות של הנגד תלוי-האור גדלה, ולכן הערך הגולמי ב-A0 יורד. נשתמש בשני ספים: נדליק מתחת ל-300 ונכבה מעל 400. ההפרש ביניהם, היסטרזיס, מונע מן הנורה להבהב כשהאור מתנדנד סביב סף יחיד.

const int LDR_PIN = A0;
const int LAMP = 8;            // to R_B -> base of Q1
const int ON_LEVEL = 300;      // darker than this -> lamp ON
const int OFF_LEVEL = 400;     // brighter than this -> lamp OFF
bool lampOn = false;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LAMP, OUTPUT);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(LDR_PIN);
  if (!lampOn && raw < ON_LEVEL) lampOn = true;
  if (lampOn && raw > OFF_LEVEL) lampOn = false;
  digitalWrite(LAMP, lampOn ? HIGH : LOW);
  Serial.print("raw = "); Serial.print(raw);
  Serial.print("  lamp: "); Serial.println(lampOn ? "ON" : "OFF");
  delay(500);
}

raw = 450  lamp: OFF
raw = 350  lamp: OFF
raw = 290  lamp: ON
raw = 250  lamp: ON
raw = 330  lamp: ON
raw = 380  lamp: ON
raw = 420  lamp: OFF

בקריאות 330 ו-380 הנורה נשארה דולקת, כי הערך עוד לא עבר את 400: זה ההיסטרזיס.

MOSFET ברמה לוגית כמפסק (Logic-Level MOSFET)

הטרנזיסטור 2N2222A מצוין עד כמה מאות מיליאמפרים. לפס LED שמושך שני אמפרים או למשאבה צריך מפסק אחר: טרנזיסטור MOSFET מסוג N. ההדקים שלו: השער G, המרזב D והמקור S. השער מבודד, ולכן לא עובר בו זרם קבוע: הטרנזיסטור מונע במתח V_GS ולא בזרם.

מדוע הוא כמעט אינו מתחמם? כי ההתנגדות שלו בהולכה קטנה מאוד. פס LED שכתוב עליו 12 V, 24 W מושך 2 A. עם IRLZ44N ב-V_GS = 5 V (25 mΩ) הופך בטרנזיסטור לחום רק כ-0.1 W, ולכן הוא אינו צריך גוף קירור. לעומת זאת, 2N2222A אינו מתאים כאן בכלל, כי זרם הקולט המרבי המותר לו הוא 600 mA.

נגד שער ונגד משיכה למטה:

השער מתנהג כמו קבל קטן, שההדק טוען בכל מיתוג בזרם רגעי. נגד השער R_G (בין 150 Ω ל-220 Ω) מגביל את הזרם הזה. ונגד משיכה למטה R_pd (כ-10 kΩ) בין השער לאדמה משאיר את השער ב-0 V כשההדק צף, בהדלקת הלוח או בזמן העלאת הסקיצה, ולכן העומס נשאר כבוי. נגד המשיכה למטה גדול בהרבה מנגד השער, ולכן במצב HIGH השער נשאר קרוב מאוד ל-5 V.

אפנון רוחב פולס: עמעום:

בלוח Uno הפקודה analogWrite() פועלת רק בהדקים המסומנים בסימן ~, כלומר 3, 5, 6, 9, 10, 11. התדר הוא כ-490 Hz בהדקים 3, 9, 10, 11 וכ-980 Hz בהדקים 5 ו-6 (לפי התיעוד של Arduino). נפעיל את הפס מן ההדק D9, ונקרא פוטנציומטר ב-A0 כדי לבחור את עוצמת התאורה:

const int POT = A0;
const int STRIP = 9;           // PWM pin (~490 Hz) -> gate resistor

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(STRIP, OUTPUT);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(POT);             // 0..1023
  int pwm = raw / 4;                     // 0..255
  analogWrite(STRIP, pwm);
  float duty = pwm * 100.0 / 255.0;      // [%]
  Serial.print("raw = "); Serial.print(raw);
  Serial.print("  pwm = "); Serial.print(pwm);
  Serial.print("  duty = "); Serial.print(duty, 1); Serial.println(" %");
  delay(300);
}

raw = 0  pwm = 0  duty = 0.0 %
raw = 256  pwm = 64  duty = 25.1 %
raw = 512  pwm = 128  duty = 50.2 %
raw = 768  pwm = 192  duty = 75.3 %
raw = 1023  pwm = 255  duty = 100.0 %

ממסר (Electromechanical Relay)

COM הוא המגע המשותף, NO הוא מגע פתוח במנוחה, ו-NC הוא מגע סגור במנוחה. בדרך כלל נחבר את העומס בין COM ל-NO, כך שהעומס פועל רק כשהסליל פועל. כדי לחשב את הזרם וההספק של הסליל נשתמש בחוק אום ובחוק ההספק עם המתח הנקוב של הסליל V_coil וההתנגדות שלו R_coil:

דירוג מגעים: המגעים של הממסר SRD-05VDC-SL-C מדורגים ל-10 A ב-250 V חילופין ול-10 A ב-30 V ישר (ערך טיפוסי לפי גיליון הנתונים). המתח הישר המותר קטן יותר, כי קשת של זרם ישר אינה כבה מעצמה. ומודול הממסר כולו עשוי להיות מדורג לערכים קטנים יותר: נקרא את גיליון הנתונים של המודול.

דיודת חופש:

הסליל הוא עומס השראתי: הוא אוגר אנרגיה בשדה המגנטי שלו ומתנגד לכל שינוי פתאומי בזרם שלו. כשהטרנזיסטור נפתח, הסליל מנסה להמשיך להעביר את הזרם, ולכן מקפיץ את מתח הקולט בקוץ מתח השראתי גדול בהרבה ממתח ההזנה, שעלול לפרוץ את הטרנזיסטור. דיודת חופש המחוברת על הסליל בכיוון ההפוך פותחת מסלול לזרם הזה, והוא מסתובב בסליל ובדיודה עד שהוא דועך, ומתח הקולט אינו עולה מעל V_CC + 0.7 V = 5.7 V.

מודול ממסר מוכן:

במעבדה משתמשים בדרך כלל במודול ממסר שיש בו הממסר, הטרנזיסטור, דיודת החופש ונורית חיווי, ולפעמים גם מצמד אופטי, עם הדקי בקרה VCC, GND ו-IN והדקי מגעים NO, COM ו-NC. במודולים רבים המבוא IN פעיל ב-LOW: הממסר פועל כשכותבים LOW. זה אינו כלל: בודקים את המודול בלי עומס לפני שמחברים משהו למגעים.

הסקיצה מחליפה את מצב הממסר בכל לחיצה. ההחלפה חייבת לקרות פעם אחת בכל לחיצה, ולכן נבצע סינון קפיצות מגע בכך שנחכה עד שקריאת הלחצן תישאר יציבה 50 ms, בעזרת millis() ובלי delay(). ואת רמת ה"כבוי" נכתוב בהדק לפני שנגדיר אותו כמוצא, כדי שהממסר לא יפעל לרגע בהדלקה.

const int BUTTON = 2, RELAY = 7;
const int RELAY_ON = LOW, RELAY_OFF = HIGH;   // active-LOW module: check yours!
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 50;
bool relayOn = false;
int lastReading = HIGH, stableState = HIGH, presses = 0;
unsigned long lastChange = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
  digitalWrite(RELAY, RELAY_OFF);     // set the level before enabling output
  pinMode(RELAY, OUTPUT);
}

void loop() {
  int reading = digitalRead(BUTTON);
  if (reading != lastReading) lastChange = millis();
  lastReading = reading;
  if (millis() - lastChange < DEBOUNCE_MS || reading == stableState) return;
  stableState = reading;
  if (stableState == HIGH) return;    // act on press only
  relayOn = !relayOn;
  presses++;
  digitalWrite(RELAY, relayOn ? RELAY_ON : RELAY_OFF);
  Serial.print("press "); Serial.print(presses);
  Serial.print("  relay: "); Serial.println(relayOn ? "ON" : "OFF");
}

press 1  relay: ON
press 2  relay: OFF
press 3  relay: ON
press 4  relay: OFF

ממסר מצב מוצק (Solid-State Relay, SSR)

• בידוד אופטי: רק האור מעביר את הפקודה מן הנורית אל המוצא, ולכן אין חיבור חשמלי בין הבקר למתח הרשת.
• מיתוג במעבר אפס: הממסר מתחיל להוליך ברגע שמתח הרשת קרוב לאפס, ולכן הזרם הפתאומי וההפרעות קטנים. מסיבה זו הוא אינו מתאים לאפנון רוחב פולס מהיר.
• זרם זליגה: גם כשהוא "פתוח", המוצא מעביר זרם קטן, ולכן עומס קטן מאוד עלול לזהור. מנתקים את העומס במפסק רגיל לפני כל עבודה עליו.
• החום: כשהוא מוליך, נשאר על המוצא מפל מתח כמעט קבוע, ולכן הממסר מתחמם עם זרם העומס, וצריך גוף קירור בזרמים גדולים.

השוואה ובחירת המפסק (Choosing a Switch)

הכלל המעשי: עומס זרם ישר קטן: טרנזיסטור NPN. עומס זרם ישר גדול או עמעום: MOSFET ברמה לוגית, ואיתו דיודת חופש אם העומס השראתי. עומס זרם חילופין שמוחלף לעתים רחוקות או שצריך בידוד מלא: ממסר. עומס זרם חילופין שמוחלף לעתים קרובות: ממסר מצב מוצק, כי אין בו בלאי.

סיכום נוסחאות הפרק:

מילון מונחים:

שאלות לתרגול: