Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Н. — Теорема гласит, что когда ты роняешь бутерброд с маслом, он всегда падает намазанной стороной вниз и полностью опровергает любые расчеты, основанные на теории вероятностей.

Л. — На мой взгляд, дорогой Незнайкин, в твои объяснения вкралась небольшая неточность. Дело в том, что наличие масла несколько сместило центр тяжести бутерброда, и мне представляется, что для твоей знаменитой теоремы можно найти физическое, а не мистическое объяснение. Но оставим эти высокие рассуждения и вернемся к нашим реле. Мы должны констатировать, что значительные перенапряжения возможны и поэтому следует заняться поиском средства для защиты от них реле и управляющего им транзистора. Существует довольно простой метод, заключающийся в использовании полупроводников, сопротивление которых изменяется в зависимости от приложенного к ним напряжения, иначе говоря, речь идет об элементах, не подчиняющихся закону Ома. Такие приборы называют варисторами (резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения). Так, например, существует варистор, который при напряжении 12 в пропускает ток 5 ма, а при напряжении 24 в пропускает ток, в 15 раз больший 75 ма. Такой варистор можно включить параллельно катушке реле, рассчитанной на 12 в. При резком выключении проходящего по катушке тока, если этот ток не превышает 75 ма, он сначала пройдет по варистору и поднимет там напряжение всего лишь до 24 в, а оно быстро спадет. При обычных рабочих условиях напряжение на выводах варистора равно 12 в, и поэтому этот элемент потребляет только 5 ма, что практически ничтожно по сравнению с большим током, потребляемым реле.

Н. — А нельзя ли вместо такого странного элемента, как варистор, поставить простой резистор?

Л. — Да, в принципе это возможно, но представь себе, что мы пожелали ограничить перенапряжение 24 в, тогда понадобилось бы поставить резистор, который при напряжении 24 в мог пропустить ток 75 ма, — такой резистор должен иметь сопротивление 320 ом. Этот резистор, включенный параллельно катушке в нормальных рабочих условиях, потреблял бы около 37 ма, что далеко не ничтожно по сравнению с проходящим по реле током. Для нашей схемы потребовался бы транзистор, способный пропускать ток 37 ма + 75 ма — 112 ма, из которых только 75 ма с пользой используются реле.

Н. — О, теперь я прекрасно вижу, какой интерес представляют варисторы. Но, если подумать, они по сути дела выполняют примерно такую же роль, что и спусковые диоды мультивибратора, о котором мы уже говорили. В самом деле, при нормальном режиме работы они почти отключены от реле, а при повышении напряжения включаются.

Л. — Действительно, здесь есть определенная аналогия. Впрочем, для защиты реле можно также использовать диод; достаточно включить его, как я показал на рис. 95. Как ты видишь, при любом резком отключении коллекторного тока потенциал коллектора этого транзистора не может подняться выше 24 в.

Рис. 95. При резком запирании транзистора возникающая э. д. с. повышает потенциал коллектора до такой величины, что диод Д начинает проводить ток. Таким образом диод защищает транзистор.

Н. — Я предпочитаю схему с варистором, потому что она не требует вспомогательного источника напряжения 24 в. Но один момент меня серьезно беспокоит в твоем числовом примере. Ты говорил о реле, потребляющем ток 75 ма при напряжении 12 в, т. е. с мощностью в катушке 0,9 вт.

Л. — Но ведь это совершенно нормальная величина, Незнайкин, и, если ты помнишь, я тебе об этом недавно говорил.

Н. — Да, реле у меня не вызывает никакого сомнения, но я полагаю, что транзистор должен быть довольно мощным, потому что ему приходится рассеивать 1 вт.

Л. — Совсем нет, дорогой Незнайкин. Подумай сам, ведь при нормальных рабочих условиях транзистор находится в состоянии насыщения; коллекторный ток составляет 75 ма, но напряжение на его коллекторе почти равно нулю, так как 12 в почти полностью находятся на зажимах катушки реле. В этих условиях на коллекторе транзистора рассеивается чрезвычайно небольшая мощность.

Н. — Значит, я могу обойтись совсем маломощным транзистором при условии, если он выдерживает коллекторный ток 75 ма и 24 в в запертом состоянии?

Л. — Несомненно, если ты уверен, что транзистор используется либо в запертом состоянии, либо в состоянии насыщения. Но если транзистор также используется в состоянии между насыщением и запиранием, то на коллекторе будет рассеиваться определенная мощность. Несложно рассчитать, что здесь, как и для любого транзистора с напряжением питания +Е, поступающим через резистор R, максимальная рассеиваемая на коллекторе мощность составляет E2/4R или равна четверти максимальной мощности, рассеиваемой на резисторе, когда транзистор находится в состоянии насыщения. Эта максимальная рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность соответствует режиму, когда напряжение на выводах транзистора равно напряжению на выводах нагрузки (оба эти напряжения равны Е/2). В интересующем нас случае наибольшая мощность на коллекторе транзистора будет рассеиваться, когда напряжение на выводах нагрузки составит 6 в (и, следовательно, на выводах транзистора будет тоже 6 в). Как я уже сказал, она соответствует четверти максимальной мощности рассеяния в катушке реле или несколько превышает 0,22 вт. Такую мощность свободно выдерживают многие даже очень маломощные транзисторы.

Н. — Итак, подведем итоги. Если я правильно тебя понял, имеются две возможности: 1) транзистор работает только в запертом состоянии и в состоянии насыщения, и тогда на коллекторе рассеивается незначительная мощность; 2) транзистор постепенно переходит от запертого состояния к состоянию насыщения, и тогда он должен обладать способностью рассеивать 0,22 вт. Но в таком состоянии, когда он рассеивает 0,22 вт, транзистор находится очень короткое время (напряжение на выводах катушки составляет всего лишь половину номинального, и вполне вероятно, что в этих условиях реле не сработает). Поэтому можно взять транзистор, рассчитанный на 150 мвт или даже на еще меньшую мощность.

Л. — Нет, Незнайкин, при работе с транзисторами нельзя рассуждать так же, как при работе с лампами. Даже на очень короткое время нельзя допускать превышения теоретических пределов рассеяния. Транзисторный переход обладает очень небольшой термической инерцией, иначе говоря, его температура поднимается очень быстро вслед за изменением рассеиваемой мощности. Лампы отличаются большим запасом прочности, например, лампа, предназначенная для рассеяния на ее аноде не более одного ватта, может в течение нескольких секунд выдержать 4 или даже 5 вт при условии, что она не очень часто будет подвергаться такому испытанию. Установленные для транзистора, пределы необходимо выдерживать значительно строже. Кроме того, анод лампы разогревается довольно долго, тогда как нагревание перехода в транзисторе продолжается всего лишь несколько миллисекунд. И, наконец, следует сказать, что нет абсолютно никаких доказательств, что в один прекрасный день система не окажется в таком состоянии, когда транзистор рассеивает 0,22 вт (т. е. в самом неблагоприятном режиме).

Н. — Так, значит, использовать транзистор меньшей мощности невозможно?

Л. — Вполне возможно, но для этого необходимо управлять транзистором, например, с помощью триггера Шмитта, чтобы транзистор всегда был заперт или насыщен и никогда не мог оказаться в промежуточном состоянии. Но тогда вновь придется столкнуться с неприятностями, уже упоминавшимися в связи со слишком быстрыми изменениями коллекторного тока. Возникает опасность появления значительных перенапряжений, от которых в качестве защиты придется использовать диод или варистор.

Н. — А нельзя ли в этом случае между триггером Шмитта и базой транзистора включить небольшой фильтр низких частот такого типа, который ты называешь интегрирующей схемой. Тогда переход от насыщения к запиранию все равно происходил бы достаточно быстро и транзистор очень небольшое время пребывал в неблагоприятном состоянии, рассеивая 0,22 вт, но в то же время переход был бы не настолько быстрым, чтобы вызвать значительное перенапряжение.

Л. — Превосходно рассудил, Незнайкин, но может случиться, что приемлемый компромисс будет трудно найти. Во всяком случае, при передаче импульса с крутым фронтом на базу транзистора, в Цепь коллектора которого включена катушка, настоятельно рекомендуется снизить крутизну фронта с помощью интегрирующей схемы. А теперь, если у тебя есть желание, мы рассмотрим другую категорию исполнительных элементов, какими являются двигатели.