Półprzewodnikowy przekaźnik NO-NC

W przekaźnikach elektromagnetycznych, styki NO i NC tworzą się niejako „z automatu”: NC zwiera ze stykiem wspólnym COM przy braku zasilania cewki elektromagnesu, zaś NO łączy się z COM po zasileniu tejże. Powodów do zastąpienia ich przez półprzewodnikowe odpowiedniki jest wiele, a do głównych można zaliczyć trwałość oraz brak emisji zakłóceń elektromagnetycznych, których źródłem jest iskrzenie przełączających się styków. Jednak dostępne na rynku rozwiązania dają użytkownikowi do dyspozycji jedynie „styk” NO, zaś przekaźników półprzewodnikowych o stykach normalnie zwartych ze świecą szukać.

Ten układ jest odpowiedzią na takie zapotrzebowanie. Dodatnia linia zasilająca jest przełączana między dwa wyjścia, zależnie od obecności napięcia na wejściu sterującym. Tak zrealizowany układ wymaga wprawdzie zasilania prądem o niewielkim natężeniu, lecz daje użytkownikowi funkcjonalność dotąd praktycznie niespotykaną. Pracą tranzystorów mocy zawiaduje prosty układ elektroniczny zrealizowany jedynie z podzespołów dyskretnych, przez co jest odporny na zakłócenia.

W przeciwieństwie do elementów stykowych, temu układowi nie jest wszystko jedno, w którą stronę płynie przez niego prąd. Rysunek 1 zawiera schemat podłączenia tego modułu do źródeł zasilania i obciążeń. Musi on pracować na dodatniej linii zasilającej, gdyby miał przełączać potencjał masy wówczas musiałby zostać inaczej zaprojektowany.

Rysunek 1. Schemat podłączenia układu

Budowa

Wejściem napięcia sterującego są zaciski złącza J1. To napięcie zasila diodę LED znajdującą się w strukturze transoptora OK1. Dioda D1 chroni tę diodę przed uszkodzeniem w razie odwrotnego podłączenia napięcia, zaś rezystor R2 ogranicza jej prąd. Z kolei rezystor R1 zwiera ewentualny prąd upływu, który mógłby spowodować zadziałanie diody LED. Zauważyłem w swojej praktyce, że w wielu systemach przemysłowych prądy upływu wyjść cyfrowych (o natężeniu kilku-kilkunastu mikroamperów) są bardzo często spotykane, a ich źródłem są diody zabezpieczające, wilgoć lub po prostu zabrudzenia złącz.

W tym układzie źródłem napięcia pomocniczego jest przewodząca w kierunku zaporowym dioda D4. Ponieważ zakres napięć zasilających ten układ może być bardzo szeroki, zdecydowano się na spolaryzowanie jej źródłem prądowym. Do jest zrealizowania użyte zostały dwa tranzystory bipolarne, T6 i T7 pracujące we wzajemnym sprzężeniu zwrotnym. W tym układzie T6 jest sterowany przez napięcie baza-emiter, odkładające się na rezystorze R11. Im niższe ono jest, tym mniej prądu swoim kolektorem „wciąga” T6, co z kolei prowadzi do wzrostu prądu bazy tranzystora T7, a to z kolei zwiększa prąd płynący przez R11, co powoduje odebranie części prądu z bazy T7. W ten sposób ten bardzo prosty i znany układ sam się stabilizuje i pracuje poprawnie w bardzo szerokim zakresie napięć zasilania oraz temperatur. W tym układzie nie ma istotnych wymagań co do stabilności ustalonego prądu, ważne jest jedynie, aby jego natężenie nie spadło poniżej 1 mA (nominalnie daje 2 mA), co jest niezbędne do zapewnienia prawidłowej pracy diody Zenera D4. Między jej zaciskami utrzymuje się napięcie stałe o wartości 7,5 V, co jest niezbędne do prawidłowej pracy pozostałej części układu – tym potencjałem polaryzowane są bazy tranzystorów T1 i T4

Kiedy pojawi się sygnał sterujący, tranzystor wyjściowy transoptora OK1 nasyca się. Spadek napięcia na nim wynosi około 0,3 V, przez co zatyka się tranzystor T3, bo jego napięcie baza-emiter spada do takiej właśnie wartości, zbyt niskiej by uzyskać przewodzenie tego złącza. Zatkany T3 nie przewodzi prądu emitera tranzystora T4, więc prąd w tej gałęzi jest zerowy. Przez to nie ma spadku napięcia na rezystorze R8, przez co tranzystor MOSFET T5 jest zatkany.

Za to pojawia się możliwość przepływu prądu przez tranzystor T1, ponieważ dolne wyprowadzenie rezystora R3 otrzymuje potencjał około 0,3 V. Uwzględniając spadek na złączu baza-emiter tranzystora T1, napięcie na tym rezystorze wynosi około 6,5 V, co wymusza przepływ prądu o natężeniu 3,25 mA. Prąd o niewiele mniejszym natężeniu (pomniejszony o prąd bazy T1) przepływa przez R4, wywołuje na nim spadek napięcia wynoszący około 14 V – w pełni wystarczający do całkowitego otwarcia. Jest to jednocześnie napięcie bramka-źródło tranzystora T2, przez co ten otwiera się, przewodząc prąd z dodatniego zacisku zasilającego do wyjścia NO. Dioda Zenera D2 chroni izolator podbramkowy tranzystora T2 przed przebiciem wywołanym zbyt wysokim napięciem bramka-źródło.

Odłączenie sygnału sterującego powoduje zamianę ról: tranzystor wyjściowy transoptora OK1 zatyka się, więc przez rezystor R3 nie może płynąć prąd do masy, a jedynie niewielki (ograniczony dodatkowo rezystorem R6 o wielokrotnie większej rezystancji) prąd bazy tranzystora T3. Przewodzący, a nawet nasycony T3 umożliwia przepływ prądu przez R7, co w analogiczny sposób – wymuszając spadek napięcia na R8 – otwiera tranzystor MOSFET T5. Przez R3 płynie wtedy prąd o natężeniu tak małym (około 0,2 mA), że nie jest w stanie wywołać spadku napięcia na R4 wystarczającego do otwarcia T2 (niecałe 0,9 V – poniżej napięcia progowego).

Bazując na trzech źródłach prądowych: jednym stałym, zasilającym diodę Zenera D4 i dwóch przełączanych, działających przy użyciu T1 i T4, układ ten jest niewrażliwy na napięcie zasilające. Musi ono być jedynie na tyle wysokie, by przy prawidłowej pracy diody Zenera D4 można było wymusić odpowiednio wysokie napięcie odkładające się na R4 lub R8. Naddatek napięcia odkłada się jako napięcie kolektor-emiter tranzystorów T1, T4 i T6.

Między dreny i źródła tranzystorów mocy T2 i T5 zostały włączone obwody gaszące RC, tzw. snubbery. Mają one ograniczać przepięcia powstające przy przełączaniu tranzystorów mocy, co minimalizuje ryzyko ich przebicia.