Releele sunt dispozitive electromecanice care utilizează un electromagnet pentru a acționa o pereche de contacte mobile dintr-o poziție deschisă într-o poziție închisă. Avantajul releelor ​​este că necesită o cantitate relativ mică de energie pentru a acționa bobina releului, însă releul propriu-zis poate fi utilizat pentru a controla motoare, încălzitoare, lămpile sau circuite AC care pot consuma mult mai multă energie electrică.

Releul electromecanic este un dispozitiv de ieșire (actuator) care vine într-o gamă largă de forme, dimensiuni și scheme și are multe utilizări și aplicații în circuite electronice. Dar, în timp ce releele electrice pot fi utilizate pentru a permite circuitelor electronice sau tip computer de putere redusă să comute curenți sau tensiuni relativ ridicate, atât "ON", cât și "OFF", este necesară o anumită formă de circuit de comutare releu pentru a-l controla.

Designul și tipurile de circuite de comutare releu sunt uriașe, dar multe proiecte electronice mici folosesc tranzistoare și MOSFET-uri ca dispozitiv principal de comutare deoarece tranzistorul poate asigura comanda rapidă de comutare DC (ON-OFF) a bobinei releului de la o varietate de surse de intrare, dar aici este o mică colecție a unora dintre cele mai comune moduri de comutare a releelor.

Circuit NPN de comutare releu

Un circuit tipic de comutare al releului are bobina acționată de un întrerupător tranzistor NPN TR1, așa cum se arată, în funcție de nivelul tensiunii de intrare. Când tensiunea Bazei tranzistorului este zero (sau negativă), tranzistorul este cut-off și acționează ca un întrerupător deschis. Deci, nu circulă curent de Colector și bobina releului este dezactivată deoarece este dispozitiv de curent, dacă nu curge curent în Bază, atunci nu trece curent prin bobina releului.

Dacă un curent pozitiv suficient de mare este acum adus în Bază pentru a satura tranzistorul NPN, curentul care curge de la Bază la Emitor (B la E) controlează curentul mai mare al bobinei releului care trece prin tranzistor de la Colector la Emitor.

Pentru majoritatea tranzistoarelor de comutare bipolare, cantitatea de curent al bobinei releului care curge în Colector ar fi undeva între 50 și 800 de ori mai mare decât curentul de Bază necesar pentru a duce tranzistorul la saturație. Câștigul de curent sau valoarea beta (β) a lui BC109, de uz general, prezentat este în mod obișnuit de aproximativ 290 la 2 mA (fișă tehnică).

Rețineți că bobina releului nu este numai un electromagnet, ci și un inductor. Când energia este aplicată bobinei, datorită acțiunii de comutare a tranzistorului, un curent maxim va curge ca urmare a rezistenței DC a bobinei, așa cum este definită de Lgea lui Ohm (I = V/R). O parte din această energie electrică este stocată în câmpul magnetic al bobinei releului.

Când tranzistorul comută "OFF", curentul care trece prin bobina releului scade și câmpul magnetic se taie. Dar, energia stocată în câmpul magnetic trebuie să meargă undeva și o tensiune inversă se dezvoltă pe bobină în timp ce încearcă să mențină curentul în bobina releului. Această acțiune produce un vârf de înaltă tensiune în bobina releului ​​care poate deteriora tranzistorul NPN de comutare, dacă este permis să se acumuleze.

Deci, pentru a preveni deteriorarea tranzistorului semiconductor, o "diodă supresoare-flywheel" este conectată pe bobina releului. Această diodă fixează tensiunea inversă pe bobină la aproximativ 0,7 V disipând energia stocată și protejând tranzistorul de comutare. Diodele supresoare sunt aplicabile numai când alimentarea este o tensiune DC. O bobină de curent alternativ necesită o metodă de protecție diferită, iar pentru aceasta se utilizează un circuit de atenuare RC.

Circuit NPN Darlington de comutare releu

Circuitul anterior, de comutare a releului cu tranzitor NPN, este ideal pentru comutarea sarcinilor mici, cum ar fi LED și releu miniatură. Dar, uneori, este necesar să comutați bobine sau curenți mai mari de releu dincolo de intervalul unui tranzistor de uz general BC109 și acest lucru poate fi realizat utilizând tranzistoarele Darlington.

Sensibilitatea și câștigul de curent al unui circuit de comutare releu pot fi majorate considerabil prin utilizarea unei perechi de tranzistoare Darlington în locul unui singur tranzistor de comutare. Perechile de tranzistoare Darlington pot fi realizate din două tranzistoare bipolare conectate individual, așa cum este prezentat sau disponibil ca un singur dispozitiv cu terminale standard: Bază, Emitor și Colector.

Cele două tranzistoare NPN sunt conectate așa cum este arătat astfel încât curentul de Colector al primului tranzistor TR1 devine curentul de Bază al celui de-al doilea tranzistor TR2. Aplicarea unui curent de Bază pozitiv la TR1 comută automat "ON" tranzistorul TR2.

Dacă două tranzistoare individuale sunt configurate ca o pereche de comutare Darlington, atunci un rezistor de valoare mică (100-1000 Ω) este plasat de obicei între Baza și Emitorul tranzistorului principal de comutare TR2 pentru a se asigura că acesta este comutat complet OFF. Din nou, o diodă supresoare este utilizată pentru a proteja TR2 de emf inversă, generată atunci când bobina releului este deconectată.

Circuit repetor pe emitor de comutare releu

Pe lângă configurația standard cu emitor comun pentru un circuit de comutare releu, bobina releului poate fi conectată și la terminalul Emitor al tranzistorului pentru a forma un circuit de urmărire a emitorului. Semnalul de intrare este conectat direct la Bază, în timp ce ieșirea este preluată din sarcina emitorului, așa cum se arată.

Configurația Colector-comun, sau Repetor pe Emitor, este foarte utilă pentru aplicațiile de adaptare a impedanței datorită unei impedanței foarte mari de intrare, în regiunea a sute de mii de ohmi, având în același timp o impedanță relativ mică de ieșire pentru comutarea bobinei releelor. Ca și în cazul circuitului de comutatoare a releului NPN anterior, comutarea are loc prin aplicarea unui curent pozitiv pe baza tranzistorului.

Circuitul de comutare a releului cu emitor Darlington

Aceasta este versiunea tranzistorului Darlington a circuitului precedent de Repetor pe Emitor. Un curent de Bază pozitiv foarte mic aplicat la TR1 determină un curent de colector mult mai mare să curgă prin TR2 datorită multiplicării celor două valori beta.

Circuitul de comutare releu cu Darlington Emitor-comun este util pentru a asigura amplificarea de curent și câștigul de putere cu câștig de tensiune aproximativ egal cu unitatea. O altă caracteristică importantă a acestui tip de circuit repetor pe Emitor este faptul că are o impedanță de intrare ridicată și o impedanță scăzută de ieșire, ceea ce îl face ideal pentru adaptarea impedanței la bobinele de releu mari.

Circuit PNP de comutare releu ​​

Pe lângă comutarea bobinelor releelor ​​și a altor astfel de sarcini cu tranzistoare bipolare NPN, le putem comuta și utilizând tranzistoare bipolare PNP. Circuitul comutatorului releului PNP nu este diferit de circuitul de comutare a releului NPN în ceea ce privește capacitatea acestuia de a controla bobina releelor. Dar, acesta necesită polarități diferite ale tensiunilor de funcționare. De exemplu, tensiunea Colector-Emitor Vce trebuie să fie negativă pentru tipul PNP, pentru a determina curgerea curentului de la Emitor la Colector.

Circuitul cu tranzistor PNP funcționează opus circuitului de comutare a releului NPN. Curentul de sarcină circulă de la Emitor la Colector când Baza este polarizată direct cu o tensiune mai negativă decât cea a Emitorului. Pentru ca curentul de sarcină al releului ​​să circule prin Emitor la Colector, atât Baza, cât și Colectorul trebuie să fie negative în raport cu Emitorul.

Cu alte cuvinte, atunci când Vin este HIGH tranzistorul PNP este comutat "OFF" și așa este și bobina releului. Când Vin este LOW, tensiunea de Bază este mai mică decât tensiunea Emitorului (mai negativă) și tranzistorul PNP comută "ON". Valoarea rezistorului din Bază stabilește curentul de Bază, care stabilește curentul de Colector ce acționează bobina releului.

Comutările tranzistorului PNP pot fi utilizate atunci când semnalul de comutare este invers pentru un tranzistor NPN, de exemplu ieșirea unei porți NAND CMOS sau a altui astfel de dispozitiv logic. O ieșire logică CMOS are puterea de acționare la 0 logic pentru a absorbi curent suficient ca să comute tranzistorul PNP "ON". Atunci absorbțiile de curent pot fi transformate în surse de curent folosind tranzistoare PNP și o sursă de alimentare cu polaritate opusă.

Circuit PNP de comutare releu în colector

Funcționarea acestui circuit este aceeași cu cea a circuitului de comutare a releului anterior. În acest circuit, sarcina releului a fost conectată la colectorul tranzistorului PNP. Acțiunea de comutare ON-OFF a tranzistorului și a bobinei are loc când Vin este LOW, tranzistorul este "ON" și când Vin este HIGH, tranzistorul este "OFF".

Am văzut că fie un tranzistor bipolar NPN, fie un tranzistor bipolar PNP poate funcționa ca un comutator pentru comutarea releelor ​​sau orice altă sarcină pentru asta. Dar, există două condiții diferite care trebuie înțelese, deoarece curentul curge în două direcții diferite.

Astfel, într-un tranzistor NPN, se aplică o tensiune HIGH pe Bază în raport cu Emitorul, curentul curge de la Colector la Emitor și tranzistorul NPN comută "ON". Pentru un tranzistor PNP, se aplică o tensiune LOW la Bază în raport cu Emitorul, curentul curge de la Emitor la Colector și tranzistorul PNP comută "ON".

Circuit de comutare releu MOSFET cu canal-N

Operația de comutare a releului MOSFET este foarte similară cu cea a comutatorului Bipolar Junction Transistor (BJT), văzută mai sus, și oricare dintre circuitele anterioare poate fi implementat utilizând MOSFET-uri. Totuși, există unele diferențe majore în funcționarea circuitelor MOSFET cu cele principale fiind faptul că MOSFET-urile sunt dispozitive acționate în tensiune și, deoarece Poarta (gate) este izolată electric de canalul Drenă-Sursă, acestea au impedanțe de intrare foarte mari, astfel încât curentul Gate (poartă) pentru un MOSFET este zero, deci un rezistor de Bază nu este necesar.

MOSFET-urile conduc printr-un canal conductiv cu canalul inițial fiind închis, tranzistorul "OFF". Acest canal crește treptat în lățime conductivă, pe măsură ce tensiunea aplicată terminalului Gate crește încet. Cu alte cuvinte, tranzistorul funcționează prin creșterea canalului deoarece tensiunea Gate crește și din acest motiv acest tip de MOSFET se numește MOSFET de îmbunătățire, sau E-MOSFET.

MOSFET-urile de îmbunătățire canal-N (NMOS) sunt cel mai frecvent utilizate tipuri de MOSFET, deoarece o tensiune pozitivă pe terminalul Gate comută MOSFET-ul "ON" și zero sau o tensiune negativă pe poartă comută "OFF", făcându-l ideal ca comutator releu MOSFET. Sunt disponibile, de asemenea, MOSFET-uri de îmbunătățire canal-P, complementare, precum PNP BJT, care lucrează cu tensiuni opuse.

Circuitul de comutare releu MOSFET de mai sus este conectat într-o configurație de sursă-comună. Cu zero tensiune de intrare, condiție LOW, valoarea VGS, nu există o comandă Gate suficientă pentru a deschide canalul și tranzistorul este "OFF". Dar când VGS este crescută peste tensiune de prag VT inferioară a MOSFET, canalul se deschide, curentul circulă și bobina releului este acționată.

Deci, MOSFET, mod de îmbunătățire, funcționează ca un comutator normal deschis, fiind ideal pentru comutarea sarcinilor mici, cum ar fi relee. MOSFET-uri de tip E au o rezistență ridicată "OFF", dar rezistență moderată "ON" (OK pentru majoritatea aplicațiilor), deci atunci când selectați unul pentru o anumită aplicație de comutare, valoarea lui RDS trebuie luată în considerare.

Circuitul de comutare releu cu ​​MOSFET canal-P

MOSFET de îmbunătățire canal-P (PMOS) este construit la fel ca pentru NMOS cu excepția faptului că funcționează numai cu tensiuni Gate negative. Cu alte cuvinte, un MOSFET canal-P funcționează în același mod, dar cu polarități opuse, deoarece Poarta trebuie să fie mai negativă decât Sursa pentru a comuta tranzistorul "ON" prin polarizare directă, așa cum este arătat.

În această configurație, terminalul Sursă al canalelor P este conectat la + Vdd, iar terminalul Drenă este conectat la masă prin intermediul bobinei releului. Când se aplică un nivel de tensiune HIGH la Poartă, MOSFET-ul canal-P va fi comutat "OFF". E-MOSFET-ul comutat "OFF" va avea o rezistență foarte mare a canalului și va acționa aproape ca un circuit deschis.

Când se aplică un nivel de tensiune LOW la Poartă, MOSFET-ul canal-P va fi activat "ON". Acest lucru va determina curgerea curentului prin calea de rezistență scăzută a canalului e-MOSFET care operează bobina releului. Atât e-MOSFET-urile canal-N, cât și canal-P, fac circuite excelente de comutare a releului de joasă tensiune și pot fi ușor interfațate cu o mare varietate de aplicații cu porți logice digitale și micro-procesoare.

Circuit comutare releu controlat logic

MOSFET-ul tip îmbunătățit canal-N este extrem de util ca un comutator cu tranzistor, deoarece în starea sa "OFF" (cu zero polarizare a porții) canalul său are o rezistență foarte mare blocând circulația curentului. Dar, o parte relativ mică de tensiune pozitivă mai mare decât tensiunea de prag VT, pe impedanța sa mare de Poartă, produce începerea conducției de curent de la terminalul său Drenă la terminalul său Sursă.

Spre deosebire de tranzistorul bipolar care are nevoie de un curent de Bază pentru a-l activa "ON", e-MOSFET necesită numai o tensiune pe Poartă, datorită construcției sale de Poartă izolată, curent zero intră în poartă. Deci, acest lucru face e-MOSFET, fie canal-N, fie canal-P ideal să fie comandat direct de porți logice tipice TTL sau CMOS, după cum se arată.

Aici e-MOSFET canal-N este comandat de o poartă logică digitală. Pinii de ieșire ale celor mai multe porți logice pot furniza numai o cantitate limitată de curent, de obicei nu mai mult de aproximativ 20 mA. Deoarece e-MOSFET-urile sunt dispozitive acționate de tensiune și nu consumă nici un curent de Gate, putem folosi un circuit de comutare releu MOSFET pentru a controla sarcini de mare putere.

Circuit comutare releu cu micro-controler

Pe lângă porțile logice digitale, putem folosi și pinii de ieșire și canalele microcontrolerelor, PIC-urilor și procesoarelor pentru a controla lumea exterioară. Circuitul de mai jos arată cum se interfațează un releu utilizând un întrerupător MOSFET.

Rezumat Circuit de comutare a releelor

În acest tutorial am văzut cum putem folosi ambele tranzistoare bipolare, NPN sau PNP și MOSFET de îmbunutățire, fie canal-N sau canal-P ca circuit de comutare cu tranzistor.

Uneori, când construim circuite electronice sau microcontrolere, dorim să folosim un comutator cu tranzistor pentru a controla un dispozitiv de mare putere, cum ar fi motoare, lămpi, elemente de încălzire sau circuite AC. În general, aceste dispozitive necesită curenți sau tensiuni mai mari decât poate manevra un singur tranzistor de putere, atunci putem folosi un circuit de comutare releu pentru a face acest lucru.

Tranzistoarele bipolare (BJT) fac circuite foarte bune și ieftine de comutare a releelor, dar BJT-urile sunt dispozitive acționate în curent, deoarece convertesc un mic curent de Bază într-un curent de sarcină mai mare pentru a acționa bobina releului.

Comutatorul MOSFET este ideal ca un întrerupător electric, deoarece nu are nevoie de nici un curent Gate pentru a comuta "ON", transformând o tensiune Gate într-un curent de sarcină. Prin urmare, un MOSFET poate fi utilizat ca un comutator cu tensiune controlată.

În multe aplicații, tranzistoarele bipolare pot fi înlocuite cu MOSFET tip îmbunătățire, care oferă o acțiune de comutare mai rapidă, impedanță de intrare mult mai mare și, probabil, mai puțină disipare de putere. Combinația între impedanța de Poartă foarte mare, consum foarte redus de energie în starea "OFF" și o capacitate de comutare foarte rapidă fac ca MOSFET-ul să fie adecvat pentru multe aplicații de comutare digitală. In plus, cu curent zero de Poartă, acțiunea de comutare nu poate suprasolicita circuitul de ieșire al unei porți digitale sau al unui microcontroler.

Totuși, deoarece poarta unui E-MOSFET este izolată de restul componentei, este deosebit de sensibilă la electricitatea statică, care ar putea distruge stratul de oxid subțire de pe poartă. Deci, trebuie acordată o atenție deosebită atât la manevrarea componentelor, cât și la utilizarea lor și că orice circuit care utilizează e-MOSFET-uri include o protecție adecvată împotriva tensiunilor statice și a vârfurilor de tensiune.

Pentru protecția suplimentară a BJT-urilor sau a MOSFET-urilor, utilizați întotdeauna o diodă supresoare (flywheel) pe bobina releului pentru a disipa în siguranță emf inversă generată de acțiunea de comutare a tranzistoarelor.