Jak połączyć tranzystory (BJT) i MOSFET z Arduino

Połączenie urządzeń zasilających, takich jak BJT i ​​MOSFET z wyjściem Arduino, jest kluczową konfiguracją, która umożliwia przełączanie obciążeń o dużej mocy przez wyjścia o niskiej mocy Arduino.

W tym artykule szczegółowo omawiamy poprawne metody używania lub łączenia tranzystorów, takich jak BJT i ​​mosfety, z dowolnym mikrokontrolerem lub Arduino.

Takie etapy są również nazywane „Level Shifter” ponieważ ten etap zmienia poziom napięcia z niższego punktu na wyższy dla odpowiedniego parametru wyjściowego. Na przykład tutaj realizowane jest przesunięcie poziomu z wyjścia Arduino 5V na wyjście MOSFET 12V dla wybranego obciążenia 12V.

Bez względu na to, jak dobrze zaprogramowane lub zakodowane może być Twoje Arduino, jeśli nie jest poprawnie zintegrowane z tranzystorem lub zewnętrznym sprzętem, może spowodować nieefektywne działanie systemu lub nawet uszkodzenie komponentów zaangażowanych w system.

Dlatego niezwykle ważne staje się zrozumienie i nauczenie się właściwych metod korzystania z zewnętrznych komponentów aktywnych, takich jak mosfety i BJT z mikrokontrolerem, aby efekt końcowy był skuteczny, płynny i wydajny.

Zanim omówimy metody łączenia tranzystorów z Arduino, warto byłoby poznać podstawowe cechy i działanie BJT i ​​mosfetów.

Charakterystyka elektryczna tranzystorów (bipolarne)

BJT oznacza bipolarny tranzystor złączowy.

Podstawową funkcją BJT jest włączanie podłączonego obciążenia w odpowiedzi na zewnętrzne wyzwalanie napięcia. Obciążenie powinno być przeważnie większe w porównaniu do wyzwalacza wejściowego.

Zatem podstawową funkcją BJT jest włączanie większego obciążenia prądowego w odpowiedzi na wyzwalanie niższego prądu wejściowego.

Technicznie nazywa się to również polaryzacja tranzystora , co oznacza użycie prądu i napięcia do obsługi tranzystora zgodnie z zamierzoną funkcją, a to polaryzowanie musi być wykonane w najbardziej optymalny sposób.

BJT mają 3 przewody lub 3 piny, a mianowicie podstawę, emiter, kolektor.

Kołek bazowy służy do zasilania zewnętrznego wyzwalacza wejściowego w postaci małego napięcia i prądu.

Styk nadajnika jest zawsze podłączony do masy lub ujemnej linii zasilającej.

Kołek kolektora jest podłączony do obciążenia poprzez dodatnie zasilanie.

BJT można znaleźć z dwoma typami polaryzacji, NPN i PNP. Podstawowa konfiguracja pinów jest taka sama dla NPN i PNP, jak wyjaśniono powyżej, z wyjątkiem biegunowości zasilania DC, która jest odwrotna.

Plik można było zrozumieć pinezki BJT poprzez następujący obraz:

Na powyższym obrazku możemy zobaczyć podstawową konfigurację wyprowadzeń tranzystorów NPN i PNP (BJT). W przypadku NPN emiter staje się linią masową i jest połączony z ujemnym zasilaniem.

Zwykle, gdy słowo „masa” jest używane w obwodzie prądu stałego, zakładamy, że jest to ujemna linia zasilająca.
Jednak w przypadku tranzystora linia uziemienia związana z emiterem odnosi się do jego podstawy i napięć kolektora, a „masa” emitera nie musi koniecznie oznaczać ujemnej linii zasilającej.

Tak, w przypadku NPN BJT uziemienie może być ujemną linią zasilania, ale w przypadku Tranzystor PNP „uziemienie” odnosi się zawsze do dodatniego przewodu zasilającego, jak pokazano na powyższym rysunku.

Funkcja włączania / wyłączania obu BJT jest zasadniczo taka sama, ale zmienia się polaryzacja.

Ponieważ emiter BJT jest kanałem „wyjściowym” dla prądu wchodzącego przez niego, podstawy i kolektora, musi być „uziemiony” do linii zasilającej, która powinna być przeciwna do napięcia używanego na wejściach podstawa / kolektor. W przeciwnym razie obwód nie zostanie zamknięty.

W przypadku NPN BJT wejścia podstawy i kolektora są powiązane z dodatnim napięciem wyzwalającym lub przełączającym, dlatego emiter musi być odniesiony do linii ujemnej.

Zapewnia to, że dodatnie napięcia wchodzące do podstawy i kolektora są w stanie dotrzeć do linii ujemnej przez emiter i zakończyć obwód.

W przypadku PNP BJT baza i kolektor są powiązane z ujemnym napięciem wejściowym, dlatego naturalnie emiter PNP musi być odniesiony do linii dodatniej, aby dodatnie zasilanie mogło wejść przez emiter i zakończyć swoją podróż od podstawy i kołki kolektora.

Zauważ, że przepływ prądu dla NPN przebiega od bazy / kolektora do emitera, podczas gdy dla PNP płynie od emitera do bazy / kolektora.

W obu przypadkach celem jest włączenie obciążenia kolektora przez małe napięcie wejściowe u podstawy BJT, tylko zmienia się polaryzacja i to wszystko.

Poniższa symulacja przedstawia podstawową operację:

W powyższej symulacji, po naciśnięciu przycisku zewnętrzne wejście napięciowe wchodzi do podstawy BJT i ​​dochodzi do linii uziemienia przez emiter.

Kiedy to się dzieje, kanał kolektor / emiter wewnątrz BJT otwiera się i pozwala dodatniemu zasilaniu z góry wejść do żarówki i przejść przez emiter do masy, włączając żarówkę (obciążenie).

Oba przełączenia następują prawie jednocześnie w odpowiedzi na naciśnięcie przycisku.

Styk emitera staje się tutaj wspólnym układem „wyjściowym” dla obu źródeł wejściowych (podstawy i kolektora).

Linia zasilająca emiter staje się wspólną linią masy dla wyzwalania zasilania wejściowego, a także obciążenia.

Oznacza to, że linia zasilająca łącząca się z emiterem BJT musi być również ściśle połączona z masą zewnętrznego źródła wyzwalania i obciążeniem.

Dlaczego używamy rezystora u podstawy BJT

Podstawa BJT jest zaprojektowana do pracy z wejściami o małej mocy, a ten pin nie może przyjmować dużych wejść prądowych, dlatego stosujemy rezystor, aby upewnić się, że żaden duży prąd nie może wpłynąć do bazy.

Podstawową funkcją rezystora jest ograniczenie prądu do prawidłowej określonej wartości, zgodnie ze specyfikacją obciążenia.

Proszę zanotować że w przypadku BJT ten rezystor musi być zwymiarowany zgodnie z prądem obciążenia po stronie kolektora.

Dlaczego?

Ponieważ BJT są „przełącznikami” zależnymi od prądu.

Oznacza to, że prąd bazowy należy zwiększyć, zmniejszyć lub wyregulować zgodnie ze specyfikacją prądu obciążenia po stronie kolektora.

Ale napięcie przełączania wymagane u podstawy BJT może wynosić zaledwie 0,6 V lub 0,7 V. Oznacza to, że obciążenie kolektora BJT można włączyć przy napięciu tak niskim jak 1 V na podstawie / emiterze BJT.
Oto podstawowy wzór do obliczenia rezystora podstawowego:

R = (Us - 0,6) Hfe / prąd obciążenia,

Gdzie R = rezystor bazowy tranzystora,

Us = źródło lub napięcie wyzwalające do rezystora podstawowego,

Hfe = Wzmocnienie prądu tranzystora w kierunku przewodzenia (można go znaleźć w arkuszu danych BJT).

Chociaż wzór wygląda zgrabnie, nie zawsze jest absolutnie konieczne, aby tak dokładnie skonfigurować rezystor bazowy.

Dzieje się tak po prostu dlatego, że specyfikacje bazowe BJT mają szeroki zakres tolerancji i mogą z łatwością tolerować duże różnice w wartościach rezystorów.

Na przykład, podłączyć przekaźnik mając rezystancję cewki 30mA, wzór może z grubsza zapewnić wartość rezystora 56K dla BC547 przy wejściu zasilania 12V .... ale zwykle wolę używać 10K i działa bezbłędnie.

Jeśli jednak nie przestrzegasz optymalnych zasad, może być coś nie tak z wynikami, prawda?

Technicznie ma to sens, ale znowu strata jest tak mała w porównaniu z wysiłkiem włożonym w obliczenia, że ​​można ją pominąć.

Na przykład użycie 10K zamiast 56K może zmusić tranzystor do pracy z nieco większym prądem bazowym, powodując jego nieco większe rozgrzanie, może być o kilka stopni wyższy ... co w ogóle nie ma znaczenia.

Jak połączyć BJT z Arduino

OK, teraz przejdźmy do faktycznego punktu.

Ponieważ do tej pory kompleksowo dowiedzieliśmy się, w jaki sposób BJT musi być obciążony i skonfigurowany w jego 3 pinoutach, możemy szybko uchwycić szczegóły dotyczące jego połączenia z dowolnym mikrokontrolerem, takim jak Arduino.

Głównym celem połączenia BJT z Arduino jest zwykle włączenie obciążenia lub jakiegoś parametru po stronie kolektora w odpowiedzi na zaprogramowane wyjście z jednego z pinów wyjściowych Arduino.

Tutaj wejście wyzwalające dla pinu bazowego BJT ma pochodzić z Arduino. Oznacza to, że koniec rezystora podstawowego musi być po prostu podłączony z odpowiednim wyjściem z Arduino, a kolektor BJT z obciążeniem lub dowolnym zamierzonym parametrem zewnętrznym.

Ponieważ BJT wymaga zaledwie 0,7 V do 1 V do skutecznego przełączania, 5 V z pinu wyjściowego Arduino staje się całkowicie wystarczające do napędzania BJT i ​​obsługi rozsądnych obciążeń.
Przykładową konfigurację można zobaczyć na poniższym obrazku:

Na tym obrazku możemy zobaczyć, jak zaprogramowane Arduino jest wykorzystywane do obsługi małego obciążenia w postaci przekaźnika poprzez stopień sterownika BJT. Cewka przekaźnika staje się obciążeniem kolektora, natomiast sygnał z wybranego pinu wyjściowego Arduino działa jak wejściowy sygnał przełączający dla bazy BJT.

Chociaż przekaźnik staje się najlepszą opcją do obsługi dużych obciążeń za pośrednictwem sterownika tranzystora, gdy przełączanie mechaniczne staje się niepożądanym czynnikiem, modernizacja BJT staje się lepszym wyborem do obsługi dużych obciążeń prądem stałym, jak pokazano poniżej.

W powyższym przykładzie można zobaczyć sieć tranzystorową Darlington, skonfigurowaną do obsługi wskazanego obciążenia o dużym natężeniu 100 watów bez uzależnienia od przekaźnika. Umożliwia to płynne przełączanie diody LED przy minimalnych zakłóceniach, zapewniając długą żywotność dla wszystkich parametrów.

Przejdźmy teraz dalej i zobaczmy, jak można skonfigurować mosfety za pomocą Arduino

Charakterystyka elektryczna MOSFET

Cel użycia mosfetu z Arduino jest zwykle podobny do celu BJT, jak omówiono powyżej.

Jednak od normalnie Projektowane są tranzystory MOSFET Aby wydajnie obsługiwać wyższe parametry prądowe w porównaniu do BJT, są one głównie używane do przełączania obciążeń o dużej mocy.

Zanim zrozumiemy połączenie mosfetu z Arduino, warto poznać podstawy różnica między BJT i ​​mosfetami

Zrozumieliśmy to w naszej poprzedniej dyskusji BJT są urządzeniami zależnymi od prądu , ponieważ ich podstawowy prąd przełączania zależy od prądu obciążenia kolektora. Wyższe prądy obciążenia będą wymagały wyższego prądu podstawowego i odwrotnie.

W przypadku mosfetów nie jest to prawdą, innymi słowy bramka mosfetów, która jest odpowiednikiem podstawy BJT, wymaga minimalnego prądu do włączenia, niezależnie od prądu drenu (pin spustowy mosfetu jest równoważny pinowi kolektora BJT).

Powiedziawszy to, chociaż prąd nie jest decydującym czynnikiem przy przełączaniu bramki mosfet, napięcie jest.

Dlatego mosfety są uważane za urządzenia zależne od napięcia

Minimalne napięcie wymagane do stworzenia zdrowego odchylenia dla mosfetu wynosi 5 V lub 9 V, przy czym 12 V to najbardziej optymalny zakres do pełnego włączenia mosfetu.

Dlatego możemy założyć, że aby włączyć mosfet i obciążenie w jego odpływie, można użyć zasilania 10 V na jego bramce, aby uzyskać optymalny wynik.

Równoważne piny mosfetów i BJT

Poniższy obraz przedstawia dopełniające szpilki mosfetów i BJT.

Podstawa odpowiada bramce-kolektorowi odpowiada dren-emiter odpowiada źródłu.

Jakiego rezystora należy użyć w bramce Mosfet

Z naszych wcześniejszych samouczków zrozumieliśmy, że rezystor w podstawie BJT jest kluczowy, bez którego BJT może natychmiast ulec uszkodzeniu.

W przypadku tranzystora MOSFET może to nie być tak istotne, ponieważ na tranzystory MOSFET nie mają wpływu różnice prądu na ich bramkach, zamiast tego wyższe napięcie można uznać za niebezpieczne. Zwykle wszystko powyżej 20 V może być złe dla bramki MOSFET, ale prąd może być nieistotny.

Z tego powodu rezystor na bramce nie jest istotny, ponieważ rezystory są używane do ograniczania prądu, a bramka mosfet nie jest zależna od prądu.

To powiedziawszy, MOSFETy są niezwykle podatny na nagłe skoki i stany przejściowe u ich bram, w porównaniu do BJT.

Z tego powodu rezystor o niskiej wartości jest generalnie preferowany na bramkach tranzystorów MOSFET, aby zapewnić, że żaden nagły skok napięcia nie będzie w stanie przejść przez bramkę MOSFET i rozerwać ją wewnętrznie.

Zwykle dowolny rezystor między 10 a 50 omów może być stosowany w bramkach MOSFET do ochrony ich bramek przed nieoczekiwanymi skokami napięcia.

Połączenie MOSFET z Arduino

Jak wyjaśniono w powyższym akapicie, mosfet będzie potrzebował około 10 V do 12 V do prawidłowego włączenia, ale ponieważ Arduino działa z 5 V, jego wyjście nie może być bezpośrednio skonfigurowane z mosfetem.

Ponieważ Arduino działa z zasilaniem 5 V, a wszystkie jego wyjścia są zaprojektowane tak, aby wytwarzać 5 V jako logiczny sygnał wysokiego zasilania. Chociaż to 5 V może mieć zdolność włączania tranzystora MOSFET, może powodować nieefektywne przełączanie urządzeń i problemy z nagrzewaniem.

Aby zapewnić efektywne przełączanie MOSFET i przekształcić wyjście 5 V z Arduino na sygnał 12 V, można skonfigurować pośredni stopień buforowania, jak pokazano na poniższym obrazku:

Na rysunku można zobaczyć, że tranzystor MOSFET jest skonfigurowany z kilkoma stopniami buforowymi BJT, co pozwala tranzystorowi MOSFET na wykorzystanie napięcia 12 V z zasilacza i skuteczne włączenie samego siebie i obciążenia.

Używane są tutaj dwa BJT, ponieważ pojedynczy BJT spowodowałby, że MOSFET przewodziłby przeciwnie w odpowiedzi na każdy dodatni sygnał Arduino.

Załóżmy, że używany jest jeden BJT, a gdy BJT jest WŁĄCZONY z dodatnim sygnałem Arduino, mosfet zostałby wyłączony, ponieważ jego bramka byłaby uziemiona przez kolektor BJT, a obciążenie byłoby włączone, gdy Arduino jest wyłączone.

Zasadniczo jeden BJT odwróciłby sygnał Arduino dla bramki mosfet, powodując odwrotną odpowiedź przełączania.

Aby naprawić tę sytuację, stosuje się dwa BJT, tak że drugi BJT odwraca odpowiedź i pozwala mosfetowi na włączenie dla każdego dodatniego sygnału tylko z Arduino.

Końcowe przemyślenia

Do tej pory powinieneś już kompleksowo zrozumieć prawidłową metodę łączenia BJT i ​​mosfetów z mikrokontrolerem lub Arduino.

Być może zauważyłeś, że do integracji używaliśmy głównie NPN BJT i ​​mosfetów z kanałem N i unikaliśmy używania urządzeń PNP i P. Dzieje się tak, ponieważ wersje NPN działają idealnie jak przełącznik i są łatwe do zrozumienia podczas konfiguracji.

To tak, jakby normalnie jechać samochodem do przodu, zamiast patrzeć za siebie i jechać na wstecznym biegu. W obu przypadkach samochód działałby i poruszał się, ale jazda na wstecznym biegu jest dużo nieefektywna i nie ma sensu. Ta sama analogia ma zastosowanie tutaj, a używanie NPN lub urządzeń z kanałem N staje się lepszą preferencją w porównaniu z mosfetami z kanałem PNP lub P.

Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości lub uważasz, że mogłem coś tutaj przeoczyć, skorzystaj z pola komentarza poniżej, aby kontynuować dyskusję.