Açık Kollektör Çıkışı / Open Collector Outputs

Açık kollektör çıkışları, dijital çip tasarımı, operasyonel amplifikatörler ve mikro denetleyici (Arduino) tipi uygulamalarda, diğer devrelerle arayüz oluşturmak veya gösterge lambaları ve röleler gibi yüksek akım yüklerini sürmek için giderek daha yaygınlaşmaktadır.

Önceki eğitimlerimizden, bir NPN tipi veya PNP tipi olsun, bir bipolar bağlantı transistörünün 3 terminalli bir cihaz olduğunu biliyoruz. Bu üç Terminal, emitter, base ve kollektör olarak tanımlanır. Bipolar transistörleri bir amplifikatör olarak çalışmak için kullanabiliriz, yani çıkış sinyali giriş sinyalinden daha büyük bir genliğe sahiptir. Daha yaygın olarak katı hal “açma/kapama” tipi bir elektronik anahtar olarak kullanılmaktadır.

Bipolar bağlantı transistörü (Bjt) 3 terminalli bir cihaz olduğundan, üç farklı anahtarlama modundan birinde yapılandırılabilir ve çalıştırılabilir. Bunlar ortak base (CB), ortak emitter (CE) ve ortak kollektör (CC) olup, “ortak emitter” konfigürasyonu amplifikasyon (aktif bölge) veya anahtarlama (kesme veya doygunluk bölgeleri) için kullanıldığında en yaygın transistör işlemidir. Yani bu açık kollektör çıkışları hakkında bu eğitimde bakacağımız transistör konfigürasyonudur.

Aşağıda gösterilen standart ortak emitter amplifikatör konfigürasyonu verilmektedir.

Ortak Emitter Yapılandırması

Açık Kollektör
Ortak Emitter Yapılandırması

Bu tek kademeli ortak emitter konfigürasyonunda, transistörün kollektör terminali ile pozitif besleme rayı VCC arasında bir direnç bağlanır. Giriş sinyali, transistörlerin base ve emitter bağlantısı arasında uygulanır ve emitter’inin terminali doğrudan toprağa bağlanır. Bu nedenle tanımlayıcı terim “ortak emitter”dir (CE).

Transistörü “açmak” için gerekli olan IB biasing akımı, kollektör ve emitter terminalleri arasında alınan giriş sinyaline göre 180o-faz ters çevrilmiş bir çıkış sinyali ile rb base direnci üzerinden doğrudan NPN transistörünün base’ine beslenir. Bu transistörlerin kollektör akımının sıfır (kesme) ve bir miktar maksimum değer (doygunluk) arasında kontrol edilmesini sağlar. Bu A sınıfı bir amplifikatör olarak veya mantıksal bir Açma/Kapama düğmesi olarak çalışmak üzere biasing olan ortak emitter konfigürasyonu için standart düzenlemedir.

Buradaki sorun, hem transistörün hem de kollektör yük direncinin ortak bir besleme voltajına bağlı olmasıdır. Kollektör direnci, RC burada kollektör voltajının, VC’NİN transistörlerin base terminaline uygulanan bir giriş sinyaline yanıt olarak değeri değiştirmesine izin vermek için kullanılır. Böylece transistörün güçlendirilmiş bir çıkış sinyali üretmesine izin verir. RC olmadan olduğu gibi, kollektör terminalindeki voltaj her zaman besleme voltajına eşit olacaktır.

Daha önce de belirtildiği gibi, bir bipolar bağlantı transistörü, VBE 0.7 volttan (sıfır base akımı) çok daha az olduğunda veya sırasıyla 0.7 volttan (maksimum base akımı) çok daha büyük olduğunda, kesme ve doygunluk bölgeleri arasında çalıştırılabilir. Bu şekilde PNP bipolar transistör transitör KAPALI “olduğunda, kollektör terminal ve böylece ücretsiz eğitim, VCC düzeyinde” YÜKSEK “olduğu için ters çevirme işlemi gerçekleştirmeden elektronik anahtar olarak kullanılabilir.

Transistörlerin anahtarlama durumunun bu inversiyonunun üstesinden gelmenin bir yolu, kollektör direncini, RC’Yİ tamamen çıkarmak ve base harici yüklere bağlanmak için transistör kolektör terminaline sahip olmaktır. Bu tür bir kurulum, genellikle açık kollektör çıkış yapılandırması olarak adlandırılan şeyi üretir.

NPN Açık Kollektör Çıkışı

Bir NPN bipolar transistör açık kollektör (OC veya o/c) konfigürasyonunda çalıştırıldığında, tamamen açık veya tamamen kapalı arasında çalıştırılır, böylece elektronik bir katı hal anahtarı olarak işlev görür. Yani, base biasing voltajı uygulanmadığında, transistör tamamen kapalı olacak ve uygun bir base biasing voltajı uygulandığında, transistör tamamen açık olacaktır. Bu nedenle, transistör kesme (kapalı) ve doygunluk bölgeleri (açık) arasında çalıştırıldığında, aktif bölgesinde kontrol edildiğinde olduğu gibi bir amplifikasyon cihazı olarak çalışmaz.

Transistörün kesme ve doygunluk arasında değiştirilmesi, açık kollektör çıkışının, önceki ortak emitter konfigürasyonunun izin verdiğinden daha yüksek voltajlar ve/veya akımlar gerektiren harici bağlı yükleri sürmesini sağlar. Tek sınır, gerçek anahtarlama transistörünün izin verilen maksimum voltaj ve/veya akım değerleridir.

Daha sonra açık kollektör çıkışının avantajı, herhangi bir çıkış anahtarlama voltajının, kollektör terminalini daha önce olduğu gibi tek bir pozitif beslemeye çekerek veya yükü ayrı bir besleme rayından besleyerek elde edilebilmesidir. Örneğin, +5 voltluk bir mantık kapısı veya Arduino, Raspberry-Pi çıkış pininin çıkışından +12 voltluk bir besleme gerektiren düşük akımlı bir lamba veya röle kullanmak isteyebilirsiniz.

Bununla birlikte dezavantaj, dijital sinyalleri, kapıları veya elektronik devrelerin girişlerini değiştirmek için açık kollektör çıkışını kullanırken, transistörün kollektör terminalinin çıkış sürücü kapasitesine sahip olmaması nedeniyle harici olarak bağlı bir çekme direncinin genellikle gerekli olmasıdır. Bunun nedeni, bir NPN transistörü için sadece enerji verildiğinde çıkışı düşük toprağa (0V) çekebilir. Kapalı durumda olduğunda geri dönemez veya tekrar yüksek geri itemez.

Güç kesildiğinde, transistör kapalıyken açık kollektör terminalinin yüksek (+v) ve düşük (0V) arasında yüzmesini durdurmak için kollektör terminali ile besleme voltajı arasına bağlı harici bir “pull-up direnci” kullanılarak çıkış tekrar yüksek çekilmelidir. Bu pull-up direncinin değeri kritik değildir ve çıkışta gerekli olan yük akımı değerine biraz bağlı olacaktır.

Açık Kollektör Transistör Devresi

Açık Kollektör
Açık Kollektör Transistör Devresi

Yukarıdaki resim, elektromekanik tip cihazların yanı sıra diğer birçok anahtarlama uygulamasını sürmek için yararlı olan bir açık kollektör anahtarlama devresinin tipik düzenlemesini göstermektedir. NPN transistörlerinin temel tahrik devresi herhangi bir uygun analog veya dijital devre olabilir. Transistörün kollektörü, transistörlerin emitter terminali doğrudan toprağa bağlandığında, anahtarlanacak yüke bağlanır.

NPN tipi bir açık kollektör çıkışı için transistörün base’ine bir kontrol sinyali uygulandığında açılır ve kollektör terminaline bağlı olan çıkış, bağlı yüke enerji veren ve onu açan şimdi iletken transistör kavşakları vasıtasıyla toprak potansiyeline çekilir. Böylece transistör, Ohm Yasası kullanılarak belirlenen yük akımını değiştirir ve geçirir:

Açık Kollektör

Transistörlerin pozitif base tahriki çıkarıldığında (kapalı), NPN transistörü iletkenliği ve yükü durdurur, bu da röle bobini, solenoid, küçük dc motor, lamba vb.olabilir. enerjisiz ve aynı zamanda kapanır. Daha sonra Çıkış transistörü, harici olarak bağlı bir yükü kontrol etmek için kullanılabilir, çünkü NPN transistörlerinin açık kollektörünün akım emici anahtarlama hareketi açık devre (kapalı) veya kısa devre (açık) olarak işlev görür.

Buradaki avantaj, kollektör yükünün, transistörlerin sürücü devresi ile aynı voltaj potansiyeline bağlanması gerekmemesidir. Çünkü 12 volt veya 30 volt DC gibi daha düşük veya daha yüksek bir voltaj potansiyeli kullanabilir. Ayrıca aynı basit dijital veya analog devre, çıkış transistörünü değiştirerek birçok farklı yükü değiştirmek için kullanılabilir. Örneğin, 10ma’da 6 VDC (2n3904 transistör) veya 3 amperde 40 VDC (2n3506 transistör) veya hatta bir açık kollektör Darlington transistörü kullanın.

Açık Kollektör Çıkış Örneği

Bir okul projesinin bir parçası olarak bir elektromekanik röleyi sürmek için bir arduino kartından + 5 volt dijital çıkış pimi gereklidir. Röle bobini 12 VDC, 100Ω olarak derecelendirilmişse ve açık kollektör konfigürasyonunda kullanılan bir NPN transistörü 50 DC akım kazancı (Beta) değerine sahipse, röle bobinini çalıştırmak için gereken base direncini hesaplayın.

Bobin boyunca akım, Ohm Yasası kullanılarak şu şekilde hesaplanabilir: I = V / R

Açık Kollektör

Bu nedenle, 50 DC akım kazancı olan bir NPN transistörü için yaklaşık 0.2 voltluk kollektör-emitter doygunluk voltajını (VCE(sat)) göz ardı ederek 2.4 ma’lık bir base akımı gereklidir. Bir transistör DC akım kazancının, elde edilen kollektör akımını üretmek için ne kadar base akımın gerekli olduğunun spesifikasyonu olduğunu hatırlayın.

Transistör tamamen açıkken base-emitter kavşağı (VBE) boyunca Voltaj Düşüşü 0.7 volt olacaktır. Böylece, gerekli olan RB base direncinin değeri aşağıdaki gibi hesaplanır:

Açık Kollektör

Açık Kollektör Devresi

Açık Kollektör

NPN açık kollektör transistör devresi bir “akım emici” çıkış üretirken, NPN transistörlerinin açık kollektör terminali akımı toprağa (0V) batırırken, PNP tipi transistör, “akım kaynağı” çıkışı olarak adlandırılan şeyi üretmek için açık kollektör konfigürasyonunda da kullanılabilir.

PNP Açık Kollektör Çıkışı

Yukarıda, bir açık kollektör çıkışının ana karakteristiğinin, yük sinyalinin, tamamen açıkken NPN bipolar transistörün anahtarlama hareketi ile zemin seviyesine aktif olarak “aşağı çekilmesi” ve bir akım lavabo çıkışı üretirken pasif olarak tekrar yukarı çekilmesi olduğunu gördük. Ancak çıkışını bir voltaj besleme rayına doğru aktif olarak değiştirmek için bir PNP bipolar transistörün açık kollektör çıkışını kullanarak karşıt anahtarlama koşulunu oluşturabiliriz ve çıkışı pasif olarak çekmek için harici olarak bağlı bir “aşağı çekme” direnci kullanabiliriz.

PNP tipi bir açık kollektör çıkışı için, transistörün çıkışı besleme rayına yüksek olarak değiştirmesi mümkündür. Bu nedenle çıkış terminali, gösterildiği gibi harici olarak bağlı bir “aşağı çekme” direnci ile tekrar pasif olarak “düşük” çekilmelidir.

Açık Kollektör PNP Transistör Devresi

Açık Kollektör
Açık Kollektör PNP Transistör Devresi

Transistörü DÜŞÜK yada YÜKSEK duruma çekme, transistörün tipine bağlı olduğunu görebiliriz. Kullanılan çıkış transistörünün tipi ve dolayısıyla anahtarlama eylemi, bir akım emici veya bir akım kaynağı koşulu üretir.

Bipolar transistörleri açık kollektör konfigürasyonlarında kullanmanın yanı sıra, açık kaynak konfigürasyonlarında n-kanal ve p-kanal geliştirme modu Mosfet’leri veya Igbt’leri kullanmak da mümkündür. Transistörü doygunluğa sürmek için bir base akımı gerektiren bipolar bağlantı transistörünün (bjt) aksine, normalde açık (geliştirme) MOSFET, gate (G) terminaline uygulanan uygun bir voltaj gerektirir. MOSFET’İN kaynak (lar) terminali doğrudan toprağa veya besleme rayına bağlanırken, drain (D) terminali harici yüke bağlanır.

Mosfet’lerin (veya Igbt’lerin) drain, (OD) cihazları olarak kullanılması, açık kollektör çıkışları, (OC) güç yükleri veya daha yüksek bir voltaj kaynağına bağlı yükler için olduğu gibi aynı gereksinimleri takip eder. Tek fark, MOSFET kanalının nominal termal gücü ve statik voltaj korumasıdır.

Açık Drain Geliştirme MOSFET Yapılandırması

Açık Kollektör
Açık Drain Geliştirme MOSFET Yapılandırması