Kako spojiti tranzistore (BJT) i MOSFET s Arduinom

Povezivanje uređaja napajanja poput BJT-a i MOSFET-a s Arduino izlazom presudna je konfiguracija koja omogućuje prebacivanje opterećenja velike snage kroz izlaze Arduina male snage.

U ovom članku detaljno raspravljamo o ispravnim metodama upotrebe ili povezivanja tranzistora poput BJT-a i MOSFET-a s bilo kojim mikrokontrolerom ili Arduinom.

Takve se faze nazivaju i 'Razmjenjivač razine' jer ovaj stupanj mijenja razinu napona iz niže u višu točku za odgovarajući izlazni parametar. Na primjer, ovdje se provodi pomak razine s Arduino 5V izlaza na MOSFET 12V izlaz za odabrano 12V opterećenje.

Bez obzira koliko dobro programiran ili kodiran vaš Arduino, ako nije pravilno integriran s tranzistorom ili vanjskim hardverom, može rezultirati neučinkovitim radom sustava ili čak oštećenjem komponenata uključenih u sustav.

Stoga postaje izuzetno važno razumjeti i naučiti prave metode korištenja vanjskih aktivnih komponenata poput MOSFET-ova i BJT-ova s ​​mikrokontrolerom, tako da konačni ishod bude učinkovit, gladak i učinkovit.

Prije nego što razgovaramo o metodama povezivanja tranzistora s Arduinom, bilo bi korisno naučiti osnovne karakteristike i rad BJT-ova i MOSFET-a.

Električne karakteristike tranzistora (bipolarne)

BJT je kratica za bipolarni spojni tranzistor.

Osnovna funkcija BJT-a je uključivanje priključenog opterećenja kao odgovor na vanjski okidač napona. Opterećenje bi trebalo biti uglavnom veće struje u usporedbi s ulaznim okidačem.

Stoga je osnovna funkcija BJT-a UKLJUČITI veće strujno opterećenje kao odgovor na niži ulazni okidač struje.

Tehnički se to također naziva pristranost tranzistora , što znači korištenje struje i napona za rad tranzistora za predviđenu funkciju, a to pristranjenje mora biti izvedeno na najoptimalniji način.

BJT imaju 3 izvoda ili 3 pina, i to bazu, emiter, kolektor.

Osnovni zatik služi za napajanje vanjskog ulaznog okidača, u obliku malog napona i struje.

Osovinski emiter je uvijek spojen na masu ili negativni dovodni vod.

Kolektorski zatik povezan je s opterećenjem preko pozitivnog napajanja.

BJT se mogu naći s dvije vrste polariteta, NPN i PNP. Osnovna konfiguracija pina je ista za NPN i PNP kako je gore objašnjeno, osim polariteta istosmjernog napajanja koji postaje upravo suprotan.

The pinouti BJT-a mogli bi se razumjeti kroz slijedeću sliku:

Na gornjoj slici možemo vidjeti osnovnu konfiguraciju pinouta NPN i PNP tranzistora (BJT). Za NPN emiter postaje uzemljenje i povezan je s negativnom opskrbom.

Kad se riječ 'uzemljenje' obično koristi u istosmjernom krugu, pretpostavljamo da je to negativni vod napajanja.
Međutim, za tranzistor je linija uzemljenja povezana s emitorom u odnosu na njegovu bazu i napone kolektora, a emiter 'uzemljenje' ne mora nužno značiti negativni vod napajanja.

Da, za NPN BJT tlo bi moglo biti negativni vod napajanja, ali za PNP tranzistor 'tlo' se uvijek odnosi na pozitivnu liniju opskrbe, kao što je prikazano na gornjoj slici.

Funkcija uključivanja / isključivanja oba BJT-a u osnovi je ista, ali polaritet se mijenja.

Budući da je emiter BJT 'izlazni' prolaz za struju koja ulazi kroz i kroz bazu i kolektor, on mora biti 'uzemljen' na opskrbnom vodu koji bi trebao biti suprotan naponu koji se koristi na ulazima baze / kolektora. Inače se krug neće dovršiti.

Za NPN BJT, ulazi baze i kolektora povezani su s pozitivnim okidačem ili preklopnim naponom, stoga se emiter mora odnositi na negativnu liniju.

To osigurava da pozitivni naponi koji ulaze u bazu i kolektor mogu doseći negativni vod kroz emiter i dovršiti krug.

Za PNP BJT, baza i kolektor povezani su s negativnim ulazom napona, stoga se prirodno emiter PNP-a mora odnositi na pozitivnu crtu, tako da pozitivna opskrba može ući kroz emiter i završiti put od baze i igle kolektora.

Imajte na umu da protok struje za NPN teče od baze / kolektora prema emiteru, dok je za PNP protok od emitora prema bazi / kolektoru.

U oba slučaja, cilj je uključiti kolektorsko opterećenje kroz mali napon na dnu BJT-a, mijenja se samo polaritet.

Sljedeća simulacija prikazuje osnovnu operaciju:

U gornjoj simulaciji, čim se pritisne tipka, vanjski ulaz napona ulazi u bazu BJT-a i preko emitera dolazi do uzemljenja.

Dok se to događa, prolaz kolektora / emitora unutar BJT otvara se i dopušta pozitivnom napajanju od vrha da uđe u žarulju i prođe kroz emiter na zemlju, UKLJUČUJUĆI žarulju (opterećenje).

Oba prebacivanja događaju se gotovo istodobno kao odgovor na pritiskanje tipke.

Osovinski emiter ovdje postaje uobičajeni 'izlazni' pinout za oba ulaza (bazu i kolektor).

A opskrbni vod emitera postaje uobičajeni uzemljeni vod okidača ulaznog napajanja, a također i opterećenja.

Što znači da opskrbni vod koji se povezuje s BJT odašiljačem mora biti strogo povezan sa masom vanjskog izvora okidača i opterećenjem.

Zašto koristimo otpornik u bazi BJT-a

Baza BJT-a dizajnirana je za rad s ulazima male snage, a ovaj pin ne može primiti velike strujne ulaze, pa stoga koristimo otpornik samo kako bismo bili sigurni da u bazu ne smije ući velika struja.

Osnovna funkcija otpornika je ograničiti struju na točno određenu vrijednost, prema specifikaciji opterećenja.

Molim Zabilježite da se za BJT ovaj otpor mora dimenzionirati prema struji opterećenja bočne strane kolektora.

Zašto?

Budući da su BJT strujno ovisni 'prekidači'.

Znači, osnovnu struju treba povećati ili smanjiti ili prilagoditi u skladu sa specifikacijama struje opterećenja na strani kolektora.

No potreban je sklopni napon na bazi BJT-a od 0,6 V ili 0,7 V. Znači, BJT opterećenje kolektora moglo bi se uključiti naponom od 1 V na bazi / emiteru BJT-a.
Evo osnovne formule za izračunavanje osnovnog otpora:

R = (Us - 0,6) Hfe / struja opterećenja,

Gdje je R = osnovni otpor tranzistora,

Us = Izvor ili napon okidača na osnovnom otporu,

Hfe = Naponsko pojačanje tranzistora (može se naći u tehničkom listu BJT-a).

Iako formula izgleda uredno, nije apsolutno nužno uvijek tako precizno konfigurirati osnovni otpornik.

To je jednostavno zato što BJT osnovne specifikacije imaju širok raspon tolerancije i mogu lako tolerirati velike razlike u vrijednostima otpornika.

Na primjer, za spajanje releja s otporom zavojnice od 30 mA, formula može otprilike pružiti vrijednost otpora od 56K za BC547 na 12V ulazu ...., ali ja obično više volim 10K i to besprijekorno.

Međutim, ako se ne pridržavate optimalnih pravila, moglo bi biti i nešto loše u rezultatima, zar ne?

Tehnički to ima smisla, ali opet je gubitak toliko mali u usporedbi s naporom utrošenim za izračune, da se može zanemariti.

Na primjer, upotreba 10K umjesto 56K može prisiliti tranzistor da radi s malo više bazne struje, uzrokujući njegovo malo veće zagrijavanje, možda nekoliko stupnjeva više ... što uopće nije važno.

Kako povezati BJT s Arduinom

U redu, sad ćemo prijeći na stvarnu stvar.

Budući da smo do sada sveobuhvatno naučili kako BJT treba biti pristran i konfiguriran na njegova 3 pinouta, možemo brzo shvatiti detalje u vezi s njegovim međusobnim povezivanjem s bilo kojim mikrokontrolerom kao što je Arduino.

Glavna svrha povezivanja BJT-a s Arduinom obično je UKLJUČIVANJE opterećenja ili nekog parametra na strani kolektora, kao odgovor na programirani izlaz s jednog od Arduino izlaznih pinova.

Ovdje bi ulaz okidača za osnovni pin BJT trebao dolaziti iz Arduina. To znači da kraj osnovnog otpora jednostavno treba pričvrstiti odgovarajućim izlazom iz Arduina, a kolektor BJT s opterećenjem ili bilo kojim predviđenim vanjskim parametrom.

Budući da BJT zahtijeva jedva 0,7 V do 1 V za učinkovito prebacivanje, 5 V iz Arduino izlaznog pina postaje savršeno prikladno za vožnju BJT-a i rad razumnih opterećenja.
Primjer konfiguracije može se vidjeti na sljedećoj slici:

Na ovoj slici možemo vidjeti kako se programirani Arduino koristi za upravljanje malim opterećenjem u obliku releja putem BJT stupnja upravljačkog programa. Zavojnica releja postaje opterećenje kolektora, dok signal s odabranog Arduino izlaznog pina djeluje poput ulaznog preklopnog signala za BJT bazu.

Iako relej postaje najbolja opcija za upravljanje teškim opterećenjima preko tranzistorskog pokretača, kad mehaničko prebacivanje postane nepoželjni čimbenik, nadogradnja BJT-a postaje bolji izbor za upravljanje istosmjernim opterećenjima velike struje, kao što je prikazano u nastavku.

U gornjem primjeru može se vidjeti Darlingtonova tranzistorska mreža, konfigurirana za rukovanje naznačenim jakim strujnim opterećenjem od 100 vata, bez ovisnosti o releju. To omogućuje bešavno prebacivanje LED diode uz minimalne smetnje, osiguravajući dug radni vijek svih parametara.

Sada nastavimo dalje i vidjet ćemo kako se mosfet-ovi mogu konfigurirati s Arduinom

Električne značajke MOSFET-a

Svrha upotrebe mosfet-a s Arduinom obično je slična onoj BJT-a kao što je gore spomenuto.

Međutim, budući da normalno MOSFET-ovi su dizajnirani za učinkovitu obradu viših strujnih specifikacija u usporedbi s BJT-ovima, one se uglavnom koriste za prebacivanje opterećenja velike snage.

Prije nego što shvatimo međusobno povezivanje mosfet-a s Arduinom, bilo bi zanimljivo znati osnovno razlika između BJT-ova i MOSFET-a

U našoj prethodnoj raspravi to smo razumjeli BJT-ovi su trenutno ovisni uređaji , jer njihova osnovna preklopna struja ovisi o struji opterećenja kolektora. Veće struje opterećenja zahtijevat će veću struju baze, i obrnuto.

Za MOSFET-ove to nije istina, drugim riječima, MOSFET vrata koja su ekvivalentna BJT bazi, zahtijevaju minimalnu struju za UKLJUČENJE, bez obzira na odvodnu struju (odvodni pin MOSFET-a ekvivalentan je kolektorskom zatiču BJT-a).

Nakon ovoga, iako struja nije odlučujući faktor za prebacivanje mosfet vrata, napon je.

Stoga se mosfet-ovi smatraju uređajima koji ovise o naponu

Minimalni napon potreban za stvaranje zdrave pristranosti za MOSFet je 5 V ili 9 V, 12 V je najoptimalniji opseg za potpuno uključivanje MOSFET-a.

Stoga možemo pretpostaviti da se za uključivanje mosfet-a i opterećenja preko njegovog odvoda može koristiti napajanje od 10 V preko njegovog vrata za optimalan ishod.

Ekvivalentne igle Mosfeta i BJT-a

Sljedeća slika prikazuje dopunjavajuće igle MOSFET-a i BJT-ova.

Baza odgovara Gate-Collector odgovara Drain-Emitter odgovara Source.

Koji otpornik treba koristiti za Mosfet vrata

Iz naših ranijih vodiča shvatili smo da je otpor u osnovi BJT-a presudan, bez čega BJT može odmah oštetiti.

Za MOSFET ovo možda nije toliko relevantno, jer na MOSFET-ove ne utječu razlike u struji na njihovim vratima, već bi se veći napon mogao smatrati opasnim. Tipično sve iznad 20V može biti loše za MOSFET vrata, ali struja može biti nematerijalna.

Zbog toga otpor na vratima nije relevantan jer se otpornici koriste za ograničavanje struje, a mosfet vrata ne ovise o struji.

MOSFET-ovi jesu izuzetno ranjiv na nagle skokove i prolazne pojave pred njihovim vratima, u usporedbi s BJT-ima.

Iz tog se razloga na vratima MOSFET-ova općenito daje prednost otporu male vrijednosti, samo da bi se osiguralo da nijedan nagli skok napona ne može proći kroz MOSFET-ov ulaz i razdvojiti ga iznutra.

Tipično bilo koji otpor između 10 i 50 ohma mogu se koristiti na MOSFET vratima za zaštitu njihovih vrata od neočekivanih skokova napona.

Povezivanje MOSFET-a s Arduinom

Kao što je objašnjeno u gornjem odlomku, MOSFET-u će trebati oko 10 V do 12 V za pravilno UKLJUČIVANJE, ali budući da Arduinos radi s 5 V, njegov se izlaz ne može izravno konfigurirati s MOSFET-om.

Budući da Arduino radi s napajanjem od 5 V, i svi su njegovi izlazi dizajnirani da proizvode 5 V kao logički signal visokog napajanja. Iako ovaj 5V može imati mogućnost uključivanja MOSFET-a, to može rezultirati neučinkovitim uključivanjem uređaja i problemima zagrijavanja.

Za učinkovito prebacivanje MOSFET-a i za transformiranje 5V izlaza iz Arduina u 12V signal, međufazni stupanj međuspremnika može se konfigurirati kao što je prikazano na sljedećoj slici:

Na slici se vidi MOSFET konfiguriran s nekoliko BJT međuspremnika, što omogućava MOSFET-u da koristi 12 V iz napajanja i učinkovito uključuje sebe i opterećenje.

Ovdje se koriste dva BJT-a, jer bi jedan BJT uzrokovao da se MOSFET ponaša suprotno kao odgovor na svaki pozitivan Arduino signal.

Pretpostavimo da se koristi jedan BJT, a onda dok je BJT UKLJUČEN s pozitivnim Arduino signalom, mosfet bi bio isključen, jer bi njegova vrata bila uzemljena od BJT kolektora, a opterećenje bi bilo uključeno dok je Arduino ISKLJUČEN.

U osnovi, jedan BJT bi invertirao Arduino signal za mosfet vrata što bi rezultiralo suprotnim preklopnim odgovorom.

Da bi se ispravila ova situacija, koriste se dva BJT-a, tako da drugi BJT obrće odgovor natrag i omogućava MOSFET-u da se UKLJUČI za sve pozitivne signale samo s Arduina.

Završne misli

Do sada ste trebali sveobuhvatno razumjeti ispravnu metodu povezivanja BJT-ova i MOSFET-a s mikrokontrolerom ili Arduinom.

Možda ste primijetili da smo za integracije uglavnom koristili NPN BJT-ove i M-kanale N-kanala, a izbjegavali smo koristiti uređaje PNP i P-kanal. To je zato što NPN verzije rade idealno poput prekidača i lako ih je razumjeti tijekom konfiguriranja.

To je kao da normalno vozite automobil u smjeru prema naprijed, a ne da gledate pozadi i vozite ga u brzini za hod unatrag. Na oba načina automobil bi radio i kretao se, ali vožnja u stupnju za vožnju unatrag mnogo je neučinkovita i nema smisla. Ista analogija vrijedi i ovdje, a upotreba NPN ili N-kanalnih uređaja postaje bolja prednost u usporedbi s MOSFET-ima PNP-a ili P-kanala.

Ako sumnjate ili mislite da sam ovdje možda nešto propustio, upotrijebite polje za komentar u nastavku za daljnju raspravu.