Zaloguj
Przykład z życia wzięty: cewka przekaźnika sygnałowego HFD27/005-H ma rezystancję 167 Ω, zatem pobiera pobiera prąd o natężeniu 30 mA przy zasilaniu nominalnym napięciem o wartości 5 V. Czy można ją zasilać wprost z wyjścia układu ATtiny13A, skoro nota katalogowa zezwala na maksymalny pobór prądu wynoszący 40 mA (dowód na rysunku 1)?
Chcę możliwie ograniczyć liczbę elementów na płytce, więc pominięcie tranzystora wykonawczego to kuszący pomysł. Powiem więcej, w strukturę układu są przecież wbudowane diody zabezpieczające wejścia (rysunek 2), więc może i z nich dałoby się skorzystać? Niezależnie od tego, czy przekaźnik byłby podłączony między wyjście a masę, czy też między wyjście a linię zasilania +5 V, jedna z diod byłaby włączona do cewki antyrównolegle.
Pomysł w założeniach świetny, tylko jakoś nikt tego nie robi. Warto byłoby więc przyjrzeć się temu zagadnieniu nieco bliżej, bo być może przysłowiowy diabeł tkwi w szczegółach. A te można znaleźć, między innymi, na rysunku 3. Wczytując się w komentarze do tabeli można odkryć, że rzeczywistość wcale nie jest taka różowa, na jaką wskazywałaby (interpretowana pobieżnie) informacja z rysunku 1.
W telegraficznym skrócie:
- wyprowadzenia PB0 i PB1 mają większą wydajność niż PB2, PB3 i PB4,
- spadek napięcia na wyprowadzeniach PB0 i PB1 w stanie wysokim może wynosić nawet 1 V przy zasilaniu napięciem 5 V i prądzie 20 mA.
- analogiczny parametr przy zasilaniu napięciem 3 V i prądzie 10 mA wynosi 0,7 V (23% napięcia zasilania!).
- w niskim stanie logicznym jest nieco lepiej: 0,8 V przy zasilaniu 5 V i poborze prądu 20 mA oraz 0,6 V przy 3 V i poborze prądu 10 mA
- prąd wypływający jednocześnie z wszystkich wyjść nie powinien przekraczać 60 mA,
- to samo dotyczy prądu wpływającego do wyprowadzeń wyjściowych,
- układ nie zapewnia możliwości dostarczenia (lub przyjęcia) prądu o natężeniu większym od tego, który był użyty w testach.
Nie są to zachwycające dane, praktycznie jakikolwiek przekaźnik elektromagnetyczny nie nadaje się do zasilania wprost z tych wyjść. Przykre jest również to, że nawet diody LED przy napięciu 3 V nie mogą być zasilane prądem o natężeniu większym niż 10 mA, co niekiedy jest jednak potrzebne. W dalszej części noty katalogowej znajdują się jeszcze bardziej szczegółowe dane dotyczące charakterystyki napięciowo-prądowej. Jedna z nich (dla napięcia zasilającego 3 V) znajduje się na rysunku 4. Fakt, iż nie została wykreślona dla prądu większego niż wspominane w tabeli z rysunku 3 dziesięć miliamperów jednoznacznie potwierdza, że na większy prąd nie ma co liczyć. Nawet producenci tranzystorów (czy innych podzespołów dyskretnych) zamieszczają na wykresach informacje wykraczające poza dopuszczalny obszar ich pracy, lecz tutaj tego nie ma.
ATtiny13A jest już nieco starym układem, może z nowocześniejszym ATmega328PB (który bardzo lubię) będzie nieco lepiej? Dane widniejące na rysunku 5 rozwiewają wątpliwości – parametry są takie same lub gorsze. Wprawdzie ta tabela prezentuje tylko informacje dla wysokich temperatur, lecz producenci zwykli chwalić się tym, co najlepsze, zatem na nic więcej tego układu nie stać… 20 mA przy zasilaniu napięciem 5 V oraz 10 mA przy 3 V i koniec.
Moje pytanie, na które nie mogę znaleźć odpowiedzi, brzmi: co ze spadkiem napięcia na tranzystorach obsługujących stopień wyjściowy w przypadku prądu większego niż pokazane w tabelach, ale mniejszego niż dopuszczalne 40 mA? Jak mówi stare porzekadło: kto nie wierzy, niechaj zmierzy. W niektórych zastosowaniach tych kilka miliamperów więcej może uchronić płytkę przed rozbudowaniem o kolejne elementy, które zajmą – niekiedy bardzo potrzebną – powierzchnię.
Mając zmontowany układ według schematu z rysunku 6 utworzyłem tabelę 1. Podczas pomiarów starałem się nie przekroczyć dopuszczalnej wartości 40 mA, toteż ograniczyłem się do trzech punktów pomiarowych. Pomiary te miały na celu jedynie orientacyjne sprawdzenie, jak te układy się zachowują przy zasilaniu 5 V i prądach z przedziału 20…40 mA – nie chodziło o dokładne wyznaczenie charakterystyki. We wszystkich wypadkach układy znajdowały się w temperaturze pokojowej, zasilane napięciem o wartości 5,00 V pochodzącym z zasilacza laboratoryjnego.
We wszystkich wypadkach układ ATtiny13A wykazywał większy spadek napięcia na tranzystorach obsługujących wyjście mikrokontrolera niż ATmega328PB. Spadki napięcia były jednak znaczące – przy prądzie rzędu 35 mA w stanie wysokim na tranzystorach odkładało się napięcie o wartości ponad 1 V, co stanowiło ponad 20% wartości napięcia zasilającego. Nieco lepiej było w stanie niskim, napięcie nie przekraczało 0,9 V. Mimo wszystko zasilenie cewki typowego przekaźnika o nominalnym napięciu 5 V jest możliwe, ale tylko dla wersji wysokoczułych, chociażby takich jak wspomniany już HFD27/005-H. Model ten załącza się już przy napięciu 4 V, pobierając przy tym prąd 24 mA, więc – zgodnie z przeprowadzonymi pomiarami – może być zasilany zarówno w podłączeniu „low-side”, jak i „high-side”, bez jakichkolwiek tranzystorów wykonawczych. Jednak już standardowe wykonanie tego przekaźnika ma cewkę o rezystancji 90 Ω, więc jego podłączenie spowoduje przekroczenie dopuszczalnego prądu wyjściowego.
Z uwagi na moc traconą w tranzystorach wykonawczych stopnia wyjściowego mikrokontrolera, jeszcze lepsze mogłoby być zastosowanie przekaźników bistabilnych. Przykładowo, RSM850B-6112-85-1005 produkcji krajowej firmy Relpol, ma dwie cewki o rezystancji 250 Ω, które mogą być zasilane napięciem nie mniejszym niż 3,75 V. Daje to możliwość zasilania ich wprost z wyprowadzeń mikrokontrolera, nawet bez wykraczania poza obszar pracy objęty katalogowymi charakterystykami.
Michał Kurzela, EP
