Adam Cebula "Tranzystor, czyli elektroniczne wykluczenie"

Cintryjka

Umiesz liczyć? Licz na siebie. Umiesz myśleć? Zrób coś sam. Nie jest to trudne ani skomplikowane, choć trzeba się wcześniej nieźle nagłówkować. Adam Cebula dłubie w tranzystorach.

Do napisania tego tekstu natchnął mnie pewien incydent: ktoś usiłował mnie przekonać, ze jestem „elektronicznie wykluczony”. Bo nie używam karty płatniczej, czy jak jej tam. Wykluczony czy nie, stwierdziłem, że dobrze jest przypomnieć młodszym o możliwości używania elektroniki. Bo owszem, używają, ale gotowych urządzeń. Tymczasem elektronika daje genialne możliwości majstrowania czegoś, czego w sklepie nie uświadczysz. Proszę nie pytać, dlaczego nie ma, ktoś nie pomyślał, albo pomyślał, że to niepotrzebne - i nie ma.

O tym, że dzięki bardzo elementarnej znajomości elektroniki można sobie poradzić w wielu, często kłopotliwych, sytuacjach, przekonujemy się dopiero wówczas, gdy posiądziemy taką znajomość. Tu tkwi sedno problemu: współcześnie popularyzacja wiedzy typu „zrób to sam” stała się wręcz czymś podejrzanym. Dość powszechna jest pogarda dla „amatorki”, jak również przekonanie, że samodzielne majstrowanie nie może się dobrze zakończyć.

O tym, że: „co wychodzi z fabryki jest doskonałe, a to, co robi amator, musi być kiepskie, albo wręcz niebezpieczne” to mit, można się przekonać jak wyżej, po jakimś ogarnięciu zagadnienia elektroniki. Dodam jeszcze jedną rzecz: z pewnością się nie uda. Zabierzesz się za robotę, za pierwszym razem popsujesz wszystko, za drugim także, tylko nie od razu. Uda się za czwartym, piątym podejściem. Nie obiecuję, że - choć bardzo się staram - nie opiszę czegoś źle. To się także może zdarzyć.

Chodzi o to, by zacząć zadawać sobie pytania: „Jak to działa?”, „Co się z tym robi?”, samodzielnie zacząć szukać informacji. Kiedy się tak podejdzie do zagadnienia, to przychodzi dzień, gdy trafiamy na jakiś problem i w głowie rodzi się PROSTY POMYSŁ. To dość istotne: wiemy już, że coś można zrobić prosto, bez długich kombinacji, wielu tygodni dłubania, takie rozwiązania są najfajniejsze. Kiedyś w Internecie wygrzebałem poradę, jak zmienić konstrukcję elektronicznych świetlówek, zwanych żarówkami energooszczędnymi, aby nie padały tak szybko, jak mają w zwyczaju. Polegało to na dodaniu do układu, o ile mnie pamięć nie myśli, dwóch elementów. Operację można przeprowadzić dosłownie w kilka minut i takie właśnie rozwiązania są piękne.

Zaczynanie opowieści o elektronice jest takie trochę od środka. Zakładam jednak, że celuję na osobnika, który wie coś o prądzie i ma jakieś ciągoty w tym kierunku. Nie da się zainteresować tzw. humanisty, któremu włosy się jeżą na widok jakiegokolwiek schematu. A więc: tranzystor. Co to jest? Może spróbuję odpowiedzieć na to pytanie, tłumacząc, do czego to-to zastosować.

Załóżmy, że mamy taką sytuację: grzeje się nam stacjonarny komputer. Aby dało się coś zrobić praktycznie, to raczej nie może to być wynalazek typu nawet - dziś już także archaiczny - laptop, mówię o pececie w obudowie peceta, takiej, która jest duża i można ją łatwo rozkręcić. Powiedzmy, że przychodzi nam pomysł, by ciepłe powietrze z naszej maszyny w upalne dni wyprowadzić za okno za pomocą np. elastycznej rury, jaką się stosuje w wentylacji. Będzie chłodniej i komputerowi, i może nawet nam. Przydałby się mocny wentylator, który by to powietrze pociągnął.

Pomysł, by podłączyć nasz wiatrak bezpośrednio do zasilacza komputera, jest średnio mądry. O ile chodzi nam o obniżenie temperatury komputera, to, niestety, wentylator pociągnie z zasilacza najmniej jakieś kilkanaście watów. Ponieważ zasilacz impulsowy komputera jest tak sobie genialny i ma kiepską sprawność, spowoduje dodatkowe jego nagrzanie i efekt całej operacji zależy od sprawności naszego wiatraka i układu rur. Może się zdarzyć, że temperatura maszyny wzrośnie, zamiast zmaleć.

Jeśli zasilimy wentylator z zewnętrznego zasilacza, to, jakkolwiek będzie on ogrzewał pokój, niebezpieczeństwo, że w ten sposób zniweczy wysiłki w kierunku ochłodzenia komputera, jest już naprawdę małe. Przynajmniej mamy pewność, że nie popsujemy... bardzo.

Nie wiem, czy dodatkowy wentylator ma sens, natomiast chcę pokazać, że dzięki elementarnej wiedzy elektronicznej możemy przynajmniej łatwo sprawdzić, jak zadziała nasz pomysł. Do czego stosujemy tranzystor? Do sterowania przepływem prądu w jednym obwodzie za pomocą drugiego obwodu. Pomysł jest taki, że podłączymy się do jednego z wolnych złączy zasilacza, 5 lub 12 woltów. Jak pojawi się napięcie, na nim tranzystor włączy zewnętrzny wentylator. Ależ tak: nasz tranzystor zrobi to, co można zrobić ręcznie: wstając i sięgając po pstryczek od wentylatora. Dzięki niemu nie zapomnimy włączyć dodatkowego chłodzenia.

Schemat naszego urządzenia będzie zależał od tego, czy zastosujemy tranzystor bipolarny, czy tzw. polowy. Uczciwie mówiąc, tranzystor bipolarny i polowy, to zupełnie różne urządzenia, ale pełnią tę samą rolę i używa się ich prawie identycznie. Zajmiemy się tranzystorem bipolarnym z przyczyn, nazwijmy to, „dydaktycznych”. Omówienie projektowania takiego, powiedzmy szczerze, skrajnie prostego układu na tranzystorze polowym chyba by się nie obeszło bez sięgania do charakterystyk przedstawianych w postaci wykresów, a skutek byłby taki, że można, albo nie można.

Jak się, Drogi Czytelniku, na pewno nie raz naczytałeś, tranzystor bipolarny ma trzy elektrody. Jedna z nich, tzw. emiter, jest wspólna dla obwodu sterowanego i sterującego, do kolektora podłączamy w naszym przypadku jeden biegun silnika, do bazy - drugi biegun obwodu sterującego. Tak, masz rację, jeden z głównych problemów stanowi rozpoznanie, która elektroda (drucik), wystająca z obudowy, jest czym. W katalogach są zwykle rysunki, na których jest to przedstawione, ale trzeba mieć katalog...

Aby nie było tak prosto, dodajmy, że tranzystory bipolarne występują w dwóch różnych odmianach: tzw. p-n-p i n-p-n. My używamy n-p-n. Tranzystor może pracować tylko w obwodach prądu stałego. Typ p-n-p przewodzi wówczas, gdy do kolektora podłączymy minus, do emitera plus obwodu sterowanego, i na bazę minus, a odpowiednio plus na emiter obwodu sterującego. W naszym eksperymencie stosujemy „odwrotny” tranzystor n-p-n. Aby przewodził, podłączamy puls na kolektor i minus na emiter obwodu sterowanego, oraz odpowiednio - minus na emiter i plus na bazę obwodu sterującego.

Słowo objaśnienia do zawiłej terminologii: miesza się w głowach biednych, bojących się prądu ludzi, używając pojęć prądu stałego, zmiennego i przemiennego. Prąd stały, jak chcą niektórzy, ściśle jest prądem o stałym napięciu i stałym kierunku przepływu. Prąd zmienny zmienia swoją wartość. Prąd przemienny mamy w gniazdku sieciowym. Z częstotliwością - w tym wypadku 50 Hz - zmienia i napięcie, i kierunek przepływu. Jednak gdy napisałem, że „tranzystory mogą pracować tylko w obwodach prądu stałego”, miałem na myśli przypadek... także prądu zmiennego. Czyli takiego, który zmienia swoje napięcie. Ale by tranzystor działał, prąd nie może zmieniać kierunku przepływu, czyli nie można zasilać obwodu z tranzystorami bezpośrednio z transformatora.

Aby tranzystor sterował urządzeniami zasilanymi prądem przemiennym, trzeba stosować różne sztuczki, zaś na początek trzeba przyjąć: potrzebny jest zasilacz, który daje prąd stały, albo bateryjka. Do sztuczek kiedyś dojdziemy.

Teraz kolejny krok: schemat urządzenia. Schematy elektryczne, to rysunki, na których zaznaczono, co z czym łączymy, posługując się symbolami urządzeń. Na moim rysunku u góry mamy symbole i opis, co owe urządzenia, trudno inaczej powiedzieć, symbolizują na schemacie. Schemat informuje nas o tym, jak łączymy, od której do której końcówki biegnie przewodnik, ale nie mówi nam nic o konkretnym mechanicznym rozwiązaniu. Przyczyna jest między innymi taka, że bardzo często w elektronice tu mamy dowolność. Można zrobić różnie, działać będzie tak samo.

Na rysunku oddzieliłem kreskowaną linią obwód sterowany od sterującego. Kłopot się robi w okolicy emitera: można powiedzieć, że wewnątrz tranzystora prądy biegną razem. Jednak rzecz w tym, że faktycznie to są dwa różne obwody. Silnik jest zasilany z zasilacza, baza tranzystora w naszym przykładzie z komputera. Zasilacz silnika i „masa” komputera są podłączone do emitera razem, co niesie pewne konsekwencje: nierozsądnie byłoby zasilać silnik napięciami niebezpiecznymi dla człowieka, np. ponad 24 wolty, bo wówczas możemy, dotykając obudowy komputera i części silnika, zostać pokopani. Pomimo to, zakładając, że niczego nie popsujemy, możemy traktować oba obwody oddzielnie.

Obwód sterujący wpływa na sterowany poprzez tranzystor. Gdy pojawia się prąd w obwodzie sterującym, płynącym poprzez bazę emiter, z komputera płynie prąd w obwodzie kolektor emiter z zasilacza i silnik pracuje.

Wielkość prądu w obwodzie sterowanym zależy od prądu w obwodzie sterującym poprzez współczynnik wzmocnienia prądowego oznaczanego grecką literką „beta”. Wartość tego parametru zmienia w różnych konstrukcjach od kilku do okolic 400 jednostek.

Tu zaczyna się sedno dywagacji o elektronicznym wykluczeniu: aby zbudować taki układ, trzeba dobrać parametry elementów składowych. Powiedzmy, że kupiliśmy (znaleźliśmy w piwnicy) wentylator na napięcie 24 wolty, takie bywały w samochodach. Kolejny parametr, jaki musimy znać, to maksymalny prąd, jaki pobiera wentylator - dla ułatwienia przyjmijmy 1 amper. Niestety, w przypadku takich urządzeń jak wentylator, trzeba znać prąd MAKSYMALNY. Zazwyczaj jest tak, że w momencie włączenia, zanim silnik się rozkręci, przez ułamek sekundy płynie bardzo duży prąd, ograniczony tylko tzw. omowym oporem, i warto znać właśnie jego wielkość.

Na podstawie prądu maksymalnego zaczynamy dobierać tranzystor. Drugi parametr, o który trzeba zadbać, to maksymalne napięcie, bowiem nasz tranzystor musi wytrzymać maksymalne napięcie zasilania - w tym wypadku 24 wolty.

Jak zaczniemy grzebać w katalogach, to łatwo nie będzie, podaje się tam zwykle „UCE0”, czyli napięcie przebicia złącza, mierzone, gdy baza jest do niczego niepodłączona. Na szczęście, to napięcie jest zawsze niższe od tego, o jakie nam chodzi, i jak tranzystor ma je wyższe, niż wymagamy, jesteśmy w domu.

Trochę „na pałę” wymyśliłem tranzystor oznaczany BD354, który ma maksymalny prąd kolektora 3 ampery, to „UCE0” 60 woltów i współczynnik wzmocnienia, to „beta”, zawarty pomiędzy 30 a 90. Zauważmy, to jest liczba bezwymiarowa, zamienia bowiem ampery na ampery.

Jeśli chodzi o zapas prądu, jaki wytrzyma kolektor tranzystora, możemy założyć - dla celów dydaktycznych - że go mamy, pozostaje nam wyliczyć wartość opornika w obwodzie sterującym.

On MUSI tam być. Dlaczego? Bez niego w obwodzie bazy (mówimy często „do bazy”) popłynie prąd „ile fabryka dała”, jeśli podłączymy nasz obwód do zasilacza komputera. Warto tu dodać, że komputerowy zasilacz na złączu 5 woltów miewa możliwości w okolicach 20 amperów, tymczasem bazy tranzystorów zwykle wytrzymują wielokrotnie mniej, w naszym przypadku spodziewamy się, że gdzieś przy 0,5 ampera stanie się katastrofa. Jaką wartość powinien mieć opornik? Przyjmując najniższą wartość „bety” na 30 i prąd na 1 amper, stwierdzamy, że w obwodzie bazy popłynie 30 razy mniejszy prąd od 1 ampera, czyli 0,033 ampera. „Na oko” możemy oszacować wartość oporu, odejmując od napięcia, do jakiego podłączamy nasz tranzystor, 0,7 wolta i to, co zostało, traktujemy prawem Ohma: R=U/I Na przykład: podłączamy się do naszych 5 woltów. Zostaje nam po odjęciu 0,7 wolta 4,3 wolta. R=4,3/0.033=129 omów.

To, niestety, OSZACOWANIE. W praktyce wynika z niego tyle, że teraz wiemy, jaki opornik REGULOWANY wygrzebać z naszych skarbów i za jego pomocą dobrać właściwą wartość. To procedura, której w przypadku bardzo prostych układów z tranzystorami trudno uniknąć. W tym naszym konkretnym wypadku prawdopodobnie, jakkolwiek będzie trochę nieładnie, wszystko zadziała, ale dla porządku: nie wiemy „ile bety” ma nasz tranzystor. Faktycznie musimy wykonać pomiary. Włączamy w obwód amperomierz i zmieniamy wartość opornika tak, by płynął prąd o pożądanej wartości.

Tu może być miejsce na opowiedzenie o ciekawej właściwości tranzystorów: nie spełniają czasami prawa Ohma. W naszym wypadku sprawa wygląda tak: jeśli przy pełnym napięciu zasilania prąd płynący przez silnik będzie znacznie mniejszy, niż wynika to przemnożenia prawdziwej wartości wzmocnienia prądowego przez prąd bazy, to napięcie na tranzystorze (kolektor-emiter) spadnie do okolic 0,1 wolta i popłynie tylko ten prąd, jaki pobiera silnik. Jeśli jednak paluszkiem przytrzymamy oś silnika i prąd chciałby popłynąć znacznie większy, wzrośnie on tylko do wartości, jaka wynika z mnożenia „bety” przez prąd bazy. Wówczas napięcie pomiędzy kolektorem i emiterem wzrośnie do kilku kilkunastu woltów. Prąd w dużym zakresie napięcia kolektor-emiter nie będzie zależał od niego, będzie określony przez formułę „beta razy prąd bazy”.

Ten efekt można wykorzystać. Dobieramy opór w bazie tak, aby silnik pewnie ruszył, i w trakcie normalnej pracy napięcie na naszym tranzystorze było niskie. W trakcie startu silnika będzie on chronił go przez prądowym uderzeniem. Niestety, aby układ ochraniał wentylator przed zniszczeniem na skutek mechanicznego zatrzymania, musimy dobrać układ chłodzenia tranzystora tak, by w wypadku, gdyby coś wpadło w śmigło, nie „zagotował się”.

Na marginesie: gdy podłączamy zwykłe żarówki za pomocą tranzystora, w ten sam sposób możemy chronić włókno przed uderzeniem prądowym, które najmocniej je wykańcza, i kilkukrotnie przekroczyć czas eksploatacji przewidziany przez zmowę „planowego postarzania”.

Dobranie chłodzenia to „normalnie” obliczenie radiatora tranzystora. Czyli znalezienie rozmiaru znormalizowanej kształtki, z jakiej wykonuje się radiator, albo grubości i wymiarów blachy z aluminium lub miedzi, do jakiej go dokręcimy. Wymaga to znajomości dopuszczalnej mocy strat, jaka się na nim może wydzielić. Za tym terminem kryje się prosta operacja: mnożymy prąd kolektora przez napięcie kolektor - emiter. I otrzymujemy pożądane waty. Moc ta mówi nam, jak bardzo tranzystor się będzie grzał. Dopuszczalna moc strat mówi nam, że przy danej temperaturze obudowy temperatura złącza nie przekroczy katastrofalnej. Radiator musi odprowadzić tyle ciepła, by obudowa nie zagrzała się bardziej. Dla naszego BD 354 moc dopuszczalna wynosi 12,5 wata, przy temperaturze obudowy 45 stopni Celsjusza.

Tranzystorów „normalnie” używa się zupełnie inaczej, nie są one przełącznikami, ale takie zastosowanie nie jest grzechem. Mogę podpowiedzieć co najmniej jedną sytuację, gdy nie będzie to głupie: sterowanie za pomocą małych wyłączników dużymi prądami. Np. możemy sobie wymyślić oświetlenie wnętrza szafki, które się zapala w momencie otwarcia drzwi. Maleńki mikrowyłącznik, podłączony cieniutkimi przewodami, nie popsuje wyglądu mebla.

O elektronice i tranzystorach można naopowiadać mnóstwo rzeczy zapierających dech w piersiach. Ot, choćby to, że ogromnie ważnym parametrem tranzystorów jest możliwość pracy z wielkimi częstotliwościami. W przeciwieństwie do mechanicznych wyłączników, ilość „zapracowań” (bo to nie jest załączenie) nie wpływa na trwałość. Niezwykle trwałe przekaźniki, zwane kontaktronami, wytrzymują zwykle kilka miliardów włączeń, tranzystory potrafią w ciągu sekundy wykonać taką ilość cykli przejścia od pełnego przewodzenia do wyłączenia.

Natomiast nawiązując do owego elektronicznego wykluczenia, wróciłbym do potencjalnych możliwości, jakie ma się, gdy w głowie jest cokolwiek.

Gdybyśmy budowali nasz układ chłodzenia nie do celów dydaktycznych, to bez kłopotu dałoby się podłączyć go do automatu, który by go włączał i wyłączał, gdy temperatura przekroczy pewne wartości. Możemy zbudować układ, który będzie zasilał silnik impulsowym prądem tak, że częstość obrotów będzie rosła z temperaturą. We wszystkich przypadkach na końcu urządzenia znajdzie się nasz tranzystor, który trzeba będzie dobrać, jak opisaliśmy. Będzie on posiadał w obwodzie bazy opornik, który dobierzemy (obliczymy jego wartość) bardzo podobną procedurą.

Możliwość posłużenia się elektroniką to poznanie wielu takich tricków: „jak użyć tranzystora jako włącznika?”, „jak obliczyć opornik w obwodzie bazy?”, „ jak się zabrać za oszacowanie wielkości radiatora?”. Już przy rozwiązywaniu zagadnienia włączania i wyłączania czegoś za pomocą tranzystora musimy się zapoznać z pewnymi parametrami tranzystorów, sposobami posługiwania się nimi, okolicznościami, w jakich powstają wyniki pomiarów, Nie jest to wiedza trudna, natomiast musimy sobie uświadamiać sieć różnych powiązań między rozmaitymi danymi czy faktami. Np. że wspomniane napięcie przebicia kolektor - emiter, tj. „UCE0”, mierzy się przy odłączonej bazie. W układzie pomiarowym, w którym baza jest dołączona (poprzez odpowiedni opornik) do emitera, to napięcie jest wyższe. Gdyby napięcie pracy znajdowało się pobliżu maksymalnego, trzeba się zająć tym problemem. W naszym układzie baza przy wyłączeniu zasilacza będzie najpewniej połączona - poprzez resztę elementów przyłączonych do zasilacza komputera - do „masy”, albo inaczej minusa zasilacza, a przez to do emitera. Jeśli tak nie jest, możemy sami wykonać takie połączenie, by uzyskać pewne zachowanie się układu.

Jak widać bardzo (skrajnie) prosty układ, a zagadnień do rozwiązania całkiem sporo. Gdy rośnie liczba zagadnień z elektroniki, które poznaliśmy, rośnie liczba problemów, z jakimi możemy się mierzyć. Początkowo bardzo powoli. Po pokonaniu pewnego progu szybko. W końcu okazuje się, że trudno znaleźć realnie występujący problem, którego nie potrafimy rozwiązać.

Natomiast pokonanie bariery „wykluczenia elektronicznego” moim zdaniem następuje w momencie, gdy uświadamiamy sobie, że potrafimy cokolwiek zrobić z tranzystorem, że te problemy są w ogóle do ugryzienia. Myślę, że najważniejsza w tym wszystkim jest świadomość, iż to nie jest magia i ja potrafię zarówno zrozumieć, jak to działa, jak i posłużyć się tym. Ta wiedza powoduje, że gdy cię kto pomówi, żeś z braku karty płatniczej elektronicznie wykluczony, kiwniesz palcem w bucie.