Kurs elektroniki – #9 – elementy stykowe, przekaźniki

[Agara7]

Nie, szczęśliwie udało mi się znaleźć rozwiązanie Przyczyny problemu: 1 błędne podłączenie tranzystorów 2 jak się okazuje płytka w pewnym miejscu nie przewodzi prądu, ale to udało się naprawić. Jeśli chodzi o przesłanie zdjęcia, kiedy próbowałam użyć skryptu zobaczyłam komunikat: Błąd, zbyt wielki plik!

[komaruss]

Kurs elektroniki wspomniany wcześniej, obecnie znajduje się tu: https://sklep.avt.pl/uploads/files/pke/pke03.pdf

[Treker (Damian Szymański)]

Agara7, cieszę się, że problem rozwiązany. Jeśli chodzi o płytkę to na przyszłość pomocny może być ten artykuł: Jak działa płytka stykowa? Zdjęcia, budowa, przykłady (był tam omówiony przypadek takiej płytki bez połączeń). Przy okazji kolejny dowód na to, że jednak warto wykonywać ćwiczenia na dokładnie takich elementach jak te znajdujące się w naszych zestawach

[BlackJack]

A ja zadam w sumie proste, ale praktycznie ważne pytanie.

Co się stanie w układzie sterowania przekaźnikiem za pomocą tranzystora NPN (z artykułu), jak wyląduje on w innym miejscu tzn. kolektor do +5V a emiter na cewkę przekaźnika ?

Dla czego takie pytanie ? Bo czasem się nie da inaczej wpiąć tranzystora, szczególnie jak jest to wyjście transoptora, którego kolektor fabrycznie jest wpięty do plusa i mamy wyjście tupu "Otwarty emiter". Jak ktoś sobie wymyśli taki oszczędnościowy układ.

[marek1707]

Odpowiedź jest prosta: w przypadku tranzystora transoptora, gdy nie masz dostępu do bazy a cały jej prąd pochodzi ze światła, nie ma znaczenia gdzie podłączysz przekaźnik: w kolektor czy w emiter. Jeśli tylko prąd wyjściowy tranzystora będzie wystarczający (czyli duży prąd wejściowy diody świecącej i/lub duży współczynnik CTR transoptora i oczywiście nieprzekroczone parametry maksymalne transoptora) to przekaźnik zadziała w obu przypadkach poprawnie.

Natomiast gdyby na Twoim pierwszym schemacie było coś jeszcze w bazie po lewej stronie (np sterowanie z wyjścia cyfrowego) to to zmienia układ zupełnie, bo inaczej wymuszasz prąd bazy i raz masz OC a raz OE.

[Treker (Damian Szymański)]

BlackJack, temat podłączenia "obciążenia" do emitera/kolektora przewijał się już tutaj kilka razy. Przygotujemy chyba o tym osobny artykuł, aby rozwiać wszystkie wątpliwości. Na ten moment podlinkuję materiał z Wikipedii, gdzie są dość dobrze opisane konfiguracje pracy tranzystora: układ wspólnego emitera/układ wspólnego kolektora. Jest tam też tabelka porównująca konfiguracje

[BlackJack]

Odpowiedź jest prosta: w przypadku tranzystora transoptora, gdy nie masz dostępu do bazy a cały jej prąd pochodzi ze światła, nie ma znaczenia gdzie podłączysz przekaźnik: w kolektor czy w emiter. Jeśli tylko prąd wyjściowy tranzystora będzie wystarczający (czyli duży prąd wejściowy diody świecącej i/lub duży współczynnik CTR transoptora i oczywiście nieprzekroczone parametry maksymalne transoptora) to przekaźnik zadziała w obu przypadkach poprawnie.

Natomiast gdyby na Twoim pierwszym schemacie było coś jeszcze w bazie po lewej stronie (np sterowanie z wyjścia cyfrowego) to to zmienia układ zupełnie, bo inaczej wymuszasz prąd bazy i raz masz OC a raz OE.

W sumie sprawa wyjaśniona. Zasugerowałem się schematem modułu z rysunku, gdzie są transoptory NPN, dopiero po wczytaniu się w instrukcję odkryłem że naprawdę są to wyjścia typu PNP o MAX prądzie 250mA i napięciu 55V. Rysunek który wstawiłem z instrukcji modułu I/O jest uproszczony i tak naprawdę pokazuje tylko że jest transoptor wyjściowy i jego tranzystor, ale nie budowę faktyczną wyjścia. Co gorsza na obudowie modułu jest to pokazane tak samo co wprowadza w błąd.

Narobiłem trochę zamieszania, ale w sumie może to i dobrze, bo przy okazji wyszło że należy dobrze i dokładnie czytać instrukcję a nie sugerować się tak w 100% tabliczką znamionową i schematem blokowym.

[marek1707]

Na obrazku kolektory są połączone razem więc i tak musisz z tych wyjść korzystać jak z typu PNP, czyli że podają napięcie od strony plusa a obciążenie (przekaźnik?) musi stać na masie. Mylące są symbole npn, choć w tym przypadku nie ma to dużego znaczenia, bo wyjścia modułu są wyciągnięte z ich emiterów. Nawet jeśli wewnętrzna struktura układu zawiera tranzystory pnp, to na zewnątrz jest to nie do odróżnienia.

Gorzej, jeśli ktoś zapamiętał tylko kierunki strzałek na symbolach npn-pnp i niezależnie od połączeń, wyłącznie po symbolach, jednoznacznie kojarzy wyjścia zwierające odpowiednio - do masy lub do plusa nie rozumiejąc prostego szkicu. Wtedy rzeczywiście, pokazany rysunek może wprowadzić w błąd.

[Majtas]

Siema, pytanie o przekaźnik bistabilny

Rozrysowałem sobie schemat (mam nadzieje, że czytelny) i wykonałem pomiary. Wszystko ok tylko, żeby w pełni zrozumieć działania tego układu nasuneły mi się pytania .

Oznaczenia: 

Indeks 1 (w przypadku napiec i pradow) - odnosi się do tranzystora po lewej stronie na rysunku 

Indeks 2 - analogicznie do trans. po prawej

Reszta zgodna z rysunkiem

1) Dlaczego zawsze po podlaczeniu zasilania do układu (przy rozwartych zaciskach p1 i p2) najmocniej swieci dioda po lewej stronie? 

Probowalem to sobie wyjasnic nastepujaco: Zgodnie z rysunkiem prad bedzie mial krotsza droge do tranzystora po prawej, wiec wiec szybciej przeplynie prad przez rezystor R4 i przez baze tranzystora po lewej (nr 1) wiec to tranzystor po lewej jako pierwszy wejdzie w stan aktywny a tranzystor po prawej z racji spoznienia sie pradu, bedzie w stanie zatkania bo jego prad bazy jest rowny 0.00mA co widac z pomiarow. Ale to jest teoria dla przedszkolaka, bo kazdy wie (z zdjecia 4 z zalacznikow) prad nie ma do przebycia zadnej drogi z ZASILANIA bo zasilanie to nie stajnia, ktora wypuszcza zwierzaki na pastwisko, tylko pojawia sie w obwodzie ( mozna rzec w kazdym miejscu) w momencie pojawienia sie sygnalu (czyli napiecia) (na rysunku jest to przedstawione za pomoca elektronow - tak wiem przeplyw pradu jest umowny)(lewy rysunek jest nieprawidlowy ze zdjecia 4). Wiec jak to sobie logicznie wytlumaczyc patrzac na skale mikro?

2) Czemu na tranzystorze nr 2 spadek napiecia jest tak duzy, a dokladniej napiecie Kolektor - Emiter? Czy to nie szkodzi tranzystorowi? Jak zachowuja sie wtedy warstwy zubozone w tranzystorze? Rozumiem, ze to jest stan zatkania tranzystora?

3) W momencie gdy zewre przelacznik p1 to dioda d1 przestaje mocno swiecic, a jej role "latarni" przejmuje dioda d2, czy dzieje sie tak dlatego poniewaz caly prad bazy tranzystora nr 1 (po lewej) przeplywa do nizszego potencjalu i pomija droge przez tranzystor nr 1 bo mu sie to nie oplaca? I wtedy to tranzystor nr 1 wchodzi w stan zatkania? Dlaczego ten prad jest taki maly? Zmierzylem prad przeplywajacy przez przelacznik w momencie zwarcia go i wyniosl ok 10uA (mikro), natomiast prad bazy przed zwarcie przelacznika nr 1 wynosil 0,56 mA , o co chodzi? 

Z gory dzieki za odpowiedz Mam nadzieje, ze jasno sie okreslilem

 

 

[Treker (Damian Szymański)]

@Majtas, przepraszam za późną reakcję, ale zupełnie umknęło mi Twoje pytanie. Minęło już trochę czasu - zapytam więc najpierw: czy pytania są nadal aktualne, czy może coś od tego czasu się zmieniło w tej kwestii?

[marek1707]

Faktycznie, trochę to wisiało.. Na wszystkie Twoje pytania możemy odpowiedzieć, ale może sam już doszedłeś do jakichś wniosków?

BTW: To jest przerzutnik bistabilny.

 

[Majtas]

Nic w tej kwestii sie nie wyjaśniło. Rozmawialem z moim wykladowca z ukladow elektronicznych co moze byc przyczyna takiego zachowania ukladu, odpowiedzial iz roznice w gabarytach elementow i polecil zebym pozamienilal miejscami tranzystory lub elementy bierne, ewentualnie diody. Ale najgorsze jest to ze efekt byl ten sam - za kazdym razem jako pierwsza w stan wysoki wchodzila dioda lewa. Tak wiec, tak pytania sa aktualne  , Marek dzieki za sprostowanie .

Edytowano Październik 24, 2018 przez Majtas

[marek1707]

Wykładowca miał rację. Układ jest teoretycznie symetryczny, ale ma dwa stany stabilne i któryś musi wybrać. Po włączeniu zasilania, mimo dobrej baterii napięcie (i prąd) nie pojawia się od razu. Gdybyś obejrzał to pod mikroskopem (no dobra, na ekranie oscyloskopu) to zauważysz, że narastanie zachodzi z pewną skończoną prędkością. Całość ma bowiem jakąś pojemność i indukcyjność (przewody, elementy półprzewodnikowe, oporniki, wszystko). Są to nieduże wartości, ale jednak niezerowe a to opóźnia stromość zbocza i to jest właśnie czas w którym następuje podjęcie "decyzji". Ponieważ masz tu silne sprzężenie zwrotne dodatnie, to każda niesymetria jest powielana do ostatecznego zwycięstwa którejś strony. A w tak prostym układzie każdy element się liczy. Na poziomie zasilania rzędu 0.5V, gdy tranzystory są jeszcze oba wyłączone, baza każdego z nich jest zasilana przez "przeciwną" diodę LED i jej opornik. Mamy więc aż cztery elementy wpływające na prąd bazy: dwa rezystory, LED i złącze BE tranzystora. Do tego dochodzi wzmocnienie samego tranzystora czyli to jak dobrze "spożytkuje" on prąd swojej bazy na prąd kolektora. Ponieważ nie jest możliwe, by ten zestaw był identyczny w obu gałęziach, któryś umożliwia przepływ większego prądu i ten tranazystor delikatnie zaczyna przewodzić lepiej. A wystarczy 0.1% różnicy gdzieś przy zasilaniu 1 czy 2V by dany tranzystor "popuścił" trochę prądu kolektora. Ten prąd "wysysa" dopływający z góry prąd z gałęzi LED i przydusza do masy (obniża) napięcie kolektora. To z kolei zmniejsza prąd bazy konkurenta i dalszy proces jest lawinowy - to właśnie jest to dodatnie sprzężenie zwrotne. Gdy raz układ wejdzie w tunel  niesymetrycznego rozpływu prądów, nie ma odwrotu, musi zapaść się w lewy lub prawy dołek.

Nie wiadomo który element jest kluczowy. Typowe oporniki mają tolerancje 1-5%, diody LED w ogóle nie są określane w ten sposób - tam raczej bazujesz na ogólnym wykresie prądu od napięcia, ale nikt nie podaje dokładnych napięć przewodzenia i zachowania się LEDa przy prądach np. 1uA, bo i tak sensownie świecić zaczyna dopiero przy setkach uA. Proces produkcji tranzystorów także ma jakieś rozrzuty: po pierwsze powstały z dwóch różnych kawałków monokryształu krzemu, po drugie domieszkowanie warstw może zachodzić różnie w różnych miejscach płytki, do tego dochodzi cięcie, bonding czyli lutowanie doprowadzeń, różnice w położeniui na elemencie nośnym, Twój montaż czyli kabelki, połączenia, fizyczna geometria układu, itd itp. Gdybyś chciał się dowiedzieć co determinuje zachowanie układu, musiałbyś kolejno zamieniać parami elementy z gałęzi tak jak sugerował prowadzący, ale nie tylko tranzystory - to dotyczy wszystkiego. Niestety być może jest tak, że to dany zestaw jest kluczowy bo tu liczy się suma parametrów jego elementów. Zamienianie części w łańcuszku zasilania bazy w końcu doprowadzi do odwrócenia, ale nie musi to być czarno-białe i możesz mieć sytuację, w której druga strona zacznie przeważać, ale nie w 100% przypadków.

Z punktu widzenia aplikacji - o ile nie robisz generatora szumu - układ zachowujący się losowo jest słaby. A przecież problem stanu początkowego dotyczy wszystkich układów dwustanowych. Przecież z takich 2- lub 4-tranzystorowych modułów zrobione są np. statyczne pamięci RAM czy przerzutniki będące elementami liczników, timerów czy rejestrów mikroprocesorów. Po włączeniu zasilania ich stan jest przypadkowy, ale o ile w pamięci śmieci nie przeszkadzają - program pobierany i wykonywany np. z FLASHa może po starcie RAM wyzerować, o tyle stan wewnętrzny procesora nie może być nieznany bo wszystko się posypie. Dlatego właśnie tak ważna jest generacja sygnału RESET. Wszystkie przerzutniki mają dodatkowe wejście zerowania wymuszające przejście do jednego, określonego stanu. Kiedyś musiałeś sam zadbać, by wygenerować sygnał zerowania procesora po włączeniu. Dziś takie układy nadzoru są wbudowywane w kostki i to własnie te bloczki produkują RESET zaraz po włączeniu Vcc. Dodatkowa nóżka umożliwia restart systemu na żądanie, ale podstawowe wyczyszczenie stanu wszystkich przerzutników i poprawny start programu od adresu zero odbywa się na żądanie jakiegoś niepozornego modułu ukrytego wewnątrz struktury mikrokontrolera. Wykrywa on narastanie zasilania i jego stabilizację na określonym poziomie i wysyła wszystkim wokół impuls/sygnał RESET. Po jego zakończeniu (trwa to zwykle kilka-naście-dziesiąt milisekund) procesor jest w stanie początkowym i może zacząć przewidywalne działanie. Ty możesz to samo wbudować w swój przerzutnik i cieszyć się jego wymuszonym determinizmem, bo to co masz teraz to czysta losowość. I nie polega ona na tym, że po włączeniu masz różne stany ale na tym, że budując układ nie jesteś w stanie przewidzieć która gałąź zwycięży. Zakładając, że konstruujesz np. licznik i chcesz 4 takie przerzutniki to chciałbyś pewnie, by po włączniu licznik był wyzerowany a tego nie zagwarantujesz wprost. Możesz żmudnie dobierać elementy co sprowadza się do wbudowania pewnej niesymetrii (która jest szkodliwa), ale możesz po prostu doprowadzić sygnał RESET z przycisku albo z układu RC i zerować licznik automatycznie bez oglądania się na to który przerzutnik woli który stan startowy.

 

Edytowano Październik 24, 2018 przez marek1707

[Elvis]

@Majtas wytłumaczenie podane przez Marka jest jak najbardziej poprawne, ja proponuję nieco uproszczoną wersję którą kiedyś słyszałem - wyobraź sobie że ustawiasz widelec "na sztorc", czyli pionowo, zębami na stole. Kiedy przestaniesz go przytrzymywać wywróci się w lewo lub w prawo, bo to są stabilne stany dla tego układu. To w którą stronę się wywróci zależy od mnóstwa czynników - wyważenia samego widelca, tego jak go trzymasz zanim powolisz działać swobodnie, nawet od kształtu stołu.

Natomiast wracając do "dochodzenia" dlaczego jedna strona jest preferowana, zastanów się jak połączyłeś sam układ. Na schemacie połączenia są idealne, ale w rzeczywistości przewody, czy płytki stykowe mają swoją indukcyjność, pojemność i rezystancję. To minimalne wartości, ale nawet najmniejsze różnice sprawiają że układ traci symetrię.

[Majtas]

Wyjasnione, dzieki bardzo