Ieșirile open-collector sunt din ce în ce mai frecvente în proiectarea cipurilor digitale, amplificatoare operaționale și aplicații de tip micro-controller (Arduino), fie pentru interfața cu alte circuite, fie pentru comanda sarcinilor de curent ridicat, cum ar fi lămpile indicatoare și releele care pot fi incompatibile cu caracteristicile electrice ale circuitul de control. Dar ce înseamnă „open-collector” și cum îl putem folosi în proiectarea circuitelor noastre.

Știm din tutorialele noastre anterioare că un tranzistor cu joncțiuni bipolar, indiferent dacă este de tip NPN sau de tip PNP, este un dispozitiv cu 3 terminale. Aceste trei terminale sunt identificate ca fiind Emitor, Bază și Colector. Putem folosi tranzistoare bipolare pentru a funcționa fie ca un amplificator, adică semnalul de ieșire are o amplitudine mai mare decât semnalul de intrare, sau mai frecvent, ca un comutator electronic solid state de tip „ON/OFF”.

Deoarece tranzistorul cu joncțiuni bipolar (BJT) este un dispozitiv cu 3 terminale, acesta poate fi configurat și operat în unul dintre cele trei moduri de comutare diferite. Acestea sunt bază comună (CB), emițător comun (CE) și colector comun (CC), configurația „emitor comun” fiind cea mai comună operațiune a tranzistorului atunci când este utilizat pentru amplificare (regiune activă) sau comutare (regiunile cut-off sau saturație). Deci, aceasta este configurația tranzistorului pe care o vom analiza aici în acest tutorial despre ieșirile open-collector .

Considerați configurația standard de amplificator cu emitor comun prezentată mai jos.

Configurație emitor comun

Problema aici este că atât tranzistorul, cât și rezistența de sarcină din colectorul său sunt legate împreună la o tensiune de alimentare comună. Rezistorul din colector, R_C este folosit aici pentru a permite tensiunii de colector, V_C să schimbe valoarea ca răspuns la un semnal de intrare aplicat terminalului bază al tranzistorului, permițând astfel tranzistorului să producă un semnal de ieșire amplificat. Fără R_C, tensiunea la terminalul colector ar fi întotdeauna egală cu tensiunea de alimentare.

După cum s-a menționat mai devreme, un tranzistor cu joncțiuni bipolar poate fi operat între regiunile de tăiere (cut-off) și de saturație atunci când V_BE este mult mai mic de 0,7 volți (curent de bază zero), sau atunci când este mult mai mare de 0,7 volți (curent de bază maxim). În acest fel, tranzistorul bipolar NPN poate fi folosit ca un comutator electronic care efectuează operația de inversare, deoarece atunci când tranzistorul este „OFF”, terminalul său colector, și deci V_CE , este „HIGH” la nivelul V_CC, iar când acesta este „ON”, (conductiv) ieșirea luată V_CE va fi „LOW”, adică condițiile de comutare opuse dacă vrem să controlăm un releu, un solenoid sau o lampă, de exemplu.

O modalitate de a depăși această inversare a stării de comutare a tranzistoarelor este de a îndepărta complet rezistorul colectorului, R_C și de a avea la dispoziție terminalul de colector al tranzistoarelor pentru a fi conectat la o sarcină externă. Acest tip de configurare produce ceea ce se numește în mod obișnuit o configurație de ieșire cu colector deschis (open-collector).

Ieșire Open Collector NPN

Când un tranzistor bipolar NPN este operat într-o configurație Open Collector (OC sau o/c), acesta este operat între a fi complet pornit (ON) sau complet oprit (OFF), acționând astfel ca un comutator electronic solid-state. Adică fără tensiune de polarizare aplicată pe bază, tranzistorul va fi complet oprit, iar atunci când este aplicată o tensiune de polarizare de bază adecvată, tranzistorul va fi complet pornit. Deci, atunci când tranzistorul este operat între regiunile de tăiere (OFF) și de saturație (ON), nu funcționează ca un dispozitiv de amplificare așa cum ar proceda dacă ar fi controlat în regiunea sa activă.

Comutarea tranzistorului între cut-off (tăiere) și saturație permite ieșirilor open collector capacitatea de a comanda sarcini externe conectate care necesită tensiuni și/sau curenți mai mari decât cele permise de configurația anterioară cu emitor comun. Singura limită este valoarea maximă admisă a tensiunii și/sau a curentului pentru tranzistorul de comutare real.

Atunci, avantajul ieșirilor open collector este că orice tensiune de comutare a ieșirii poate fi obținută pur și simplu prin tragerea în sus (pulling up) a terminalului colector la sursa pozitivă unică ca înainte sau prin alimentarea sarcinii de la o șină de alimentare separată. De exemplu, ați putea dori să comandați o lampă sau un releu cu curent scăzut care necesită o sursă de +12 volți de la ieșirea unei porți logice de +5 volți sau un pin de ieșire Arduino, Raspberry-Pi.

Dar, dezavantajul este că atunci când se utilizează ieșiri open collector pentru a comuta semnale digitale, porți sau intrări ale circuitelor electronice, este, în general, necesar un rezistor pull-up conectat extern, deoarece terminalul colector al tranzistorului nu are capacitate de comandă a ieșirii. Acest lucru se datorează faptului că, pentru un tranzistor NPN, poate trage numai ieșirea LOW la masă (0V) atunci când este alimentat, nu poate reveni sau împinge înapoi în HIGH din nou când este în starea OFF.

Când este deconectată, ieșirea trebuie să fie trasă din nou HIGH prin utilizarea unui „rezistor de tragere pull-up” extern conectat între terminalul colectorului său și tensiunea de alimentare pentru a opri terminalul open collector deschis să floteze între HIGH (+V) și LOW ( 0V) când tranzistorul este OPRIT. Valoarea acestui rezistor pull-up nu este critică și va depinde oarecum de valoarea curentului de sarcină necesară la ieșire, cu valorile rezistive variind de la câteva sute la câteva mii de ohmi fiind tipice. Astfel, pentru un tranzistor bipolar NPN, ieșirile sale open-collector sunt numai ieșiri de absorbție (sinking) a curentului.

Circuitul tranzistorului Open collector

Imaginea de mai sus arată aranjamentul tipic al unui circuit de comutare cu colector deschis, care este util pentru acționarea dispozitivelor de tip electromecanic, precum și pentru multe alte aplicații de comutare. Circuitul de comandă al bazei tranzistoarelor NPN ar putea fi orice circuit analogic sau digital adecvat. Colectorul tranzistorului este conectat la sarcina care trebuie comutată, cu terminalul emitor al tranzistorului conectat direct la masă.

Pentru o ieșire open-collector de tip-NPN, atunci când un semnal de control este aplicat la baza tranzistorului, acesta comută ON, iar ieșirea, care este conectată la terminalul colector, este trasă în jos la potențialul de masă prin joncțiunile conductoare ale tranzistorului activând sarcina conectată și comutarea ON a acesteia. Astfel, tranzistorul comută și trece curentul de sarcină, I_L, care este determinat folosind legea lui Ohm ca:

Curent de sarcină, I_load = Tensiune pe sarcină/Rezistența sarcinii

Când comanda pozitivă a bazei tranzistorului este îndepărtată (OFF), tranzistorul NPN încetează să conducă și sarcina, care ar putea fi o bobină de releu, solenoid, motor de curent continuu mic, lampă etc. este dezactivată și, de asemenea, comută OFF. Atunci, tranzistorul de ieșire poate fi utilizat pentru a controla o sarcină conectată extern, deoarece acțiunea de comutare a absorbției de curent a tranzistoarelor NPN cu open-collector acționează fie ca un circuit deschis (OFF), fie ca un scurtcircuit (ON).

Avantajul aici este că sarcina colectorului nu trebuie să fie conectată la același potențial de tensiune ca și circuitul de comandă a tranzistorilor, deoarece ar putea folosi un potențial de tensiune mai mic sau mai mare, de exemplu 12 volți sau 30 volți DC. De asemenea, același circuit digital sau analogic simplu poate fi folosit pentru a comuta multe sarcini diferite prin simpla schimbare a tranzistorului de ieșire. De exemplu, 6 VDC la 10mA (tranzistor 2N3904) sau 40 VDC la 3 amperi (tranzistor 2N3506) sau chiar folosiți un tranzistor Darlington cu open-collector.

Exemplu nr. 1 de ieșire Open collector

Un pin de ieșire digitală de +5 volți de la o placă Arduino este necesar pentru a comanda un releu electromecanic, ca parte a unui proiect școlar. Dacă bobina releului este evaluată la 12 VDC, 100Ω și un tranzistor NPN utilizat în configurația sa de open-collector are o valoare a câștigului de curent continuu (Beta) de 50, calculați rezistorul de bază necesar pentru a opera bobina releului.

Curentul prin bobină poate fi calculat folosind legea lui Ohm ca: I = V/R

Astfel, pentru un tranzistor NPN cu un câștig de curent continuu de 50, este necesar un curent de bază de 2,4 mA, ignorând tensiunea de saturație colector-emitor, (V_CE(sat) ) de aproximativ 0,2 volți. Amintiți-vă că un câștig de curent continuu al tranzistoarelor este specificația sa privind cât de mult curent de bază este necesar pentru a produce curentul de colector rezultat.

Căderea de tensiune pe joncțiunea bază-emitor (V_BE) atunci când tranzistorul este complet ON va fi de 0,7 volți. Astfel, valoarea rezistorului de bază, R_B necesară este calculată ca:

Atunci circuitul tranzistorului cu colector deschis ar fi:

Circuitul open-collector

În timp ce circuitul tranzistorului NPN cu open-collector produce o ieșire de „curent sinking”, adică terminalul open-collector al tranzistorului NPN va absorbi curentul la masă (0V), un tranzistor de tip PNP poate fi, de asemenea, utilizat într-o configurație open-collector pentru a produce ceea ce se numește o ieșire de „curent-sourcing”.

Ieșire PNP Open Collector

Am văzut mai sus că principala caracteristică a unei ieșiri open-collector este că semnalul de sarcină este „tras în jos” în mod activ la nivelul masei prin acțiunea de comutare a tranzistorului bipolar NPN atunci când este complet ON și este tras pasiv înapoi în sus când este OFF, producând o ieșire de absorbție a curentului. Dar putem crea condiția de comutare opusă utilizând ieșirea open-collector a unui tranzistor bipolar PNP pentru a comuta activ ieșirea sa către o șină de alimentare cu tensiune și folosim un rezistor „pull-down” conectat extern pentru a trage pasiv ieșirea în jos din nou când este OFF.

Pentru o ieșire open-collector de tip PNP, este posibil doar ca tranzistorul să comute ieșirea HIGH la șina de alimentare, astfel încât terminalul său de ieșire trebuie tras din nou pasiv „LOW” de un rezistor „pull-down” conectat extern, așa cum se arată.

Circuit de tranzistor PNP open-collector

Atunci putem vedea că o configurație de ieșire open-collector de tip NPN sau de tip PNP își poate trage în mod activ ieșirea LOW la masă sau HIGH la o șină de alimentare (în funcție de tipul tranzistorului) atunci când este ON, dar terminalul său colector trebuie tras sus sau jos pasiv prin utilizarea unui rezistor pull-up sau pull-down conectat la terminalul său de ieșire, dacă sarcina conectată nu este capabilă să facă acest lucru. Tipul tranzistorului de ieșire utilizat și, prin urmare, acțiunea sa de comutare, produce fie o stare de absorbție a curentului, fie o stare de sursă de curent.

Pe lângă utilizarea tranzistoarelor bipolare în configurația lor open-collector, este, de asemenea, posibil să se utilizeze MOSFET-uri în mod de îmbunătățire canal-n și canal-p sau IGBT-uri, în configurația lor open source. Spre deosebire de tranzistorul bipolar cu joncțiuni (BJT), care necesită un curent de bază pentru a comanda tranzistorul în saturație, MOSFET-ul normal deschis (îmbunătățire) necesită o tensiune adecvată aplicată la terminalul său de poartă (G). Terminalul sursă (S) al MOSFET-ului este conectat direct la masă sau la șina de alimentare, în timp ce terminalul open-drain (D) este conectat la sarcina externă.

Utilizarea MOSFET-urilor (sau IGBT-urilor) ca dispozitive cu drenă deschisă (open-drain = OD) respectă aceleași cerințe ca și pentru ieșirile open-collector (OC) atunci când comandă sarcini de putere sau sarcini conectate la o sursă de tensiune mai mare, prin aceea că se aplică utilizarea de rezistoare pull-up sau pull-down. Singura diferență este puterea termică nominală a canalului MOSFET și protecția la tensiune statică.

Configurația MOSFET îmbunătățit cu Open-drain

Rezumatul tutorialului

Am văzut în acest tutorial despre ieșirea open-collector că poate furniza o ieșire de absorbție de curent sau sursă de curent în funcție de tipul tranzistorului bipolar, de tip NPN sau de tip PNP, utilizat.

Când un tranzistor tip NPN este în starea sa „ON”, acesta va furniza sau „absorbi” o cale către masă. Când se află în starea „OFF”, terminalul său de ieșire poate flota, cu excepția cazului în care ieșirea open-collector este conectată printr-un rezistor pull-up la tensiunea de alimentare pozitivă. Reversul este valabil pentru un tranzistor tip PNP. Când se află în starea „ON”, va furniza sau „alimenta” o cale de la șina de alimentare. Când se află în starea „OFF”, terminalul său de ieșire poate flota, cu excepția cazului în care ieșirea open-collector este conectată printr-un rezistor pull-down la masă (0V).

Avantajul ieșirilor open-collector sau ieșirilor open-drain este că sarcina care urmează să fie comutată sau controlată poate fi conectată la o sursă de tensiune care este independentă și/sau diferită de tensiunea de alimentare utilizată de circuitul de control și că acestea pot „absorbi” sau „furniza” o tensiune de alimentare externă, în funcție de faptul că este la masă sau la sursă. Singura limită este valoarea maximă admisă de tensiune și curent pentru tranzistorul de comutare de ieșire sau e-MOSFET.