Kā savienot tranzistorus (BJT) un MOSFET ar Arduino

Barošanas ierīču, piemēram, BJT un MOSFET, saskarne ar Arduino izeju ir izšķiroša konfigurācija, kas ļauj pārslēgt lielas jaudas slodzes, izmantojot Arduino zemas jaudas izejas.

Šajā rakstā mēs detalizēti apspriežam pareizās metodes, kā izmantot vai savienot tranzistorus, piemēram, BJT un mosfetus, ar jebkuru mikrokontrolleru vai Arduino.

Šādus posmus sauc arī par 'Līmeņa pārslēdzējs' jo šis posms attiecīgajam izejas parametram maina sprieguma līmeni no zemāka punkta uz augstāku. Piemēram, šeit tiek īstenota līmeņa maiņa no Arduino 5V izejas uz MOSFET 12V izeju izvēlētajai 12V slodzei.

Neatkarīgi no tā, cik labi jūsu Arduino ir ieprogrammēts vai kodēts, ja tas nav pareizi integrēts ar tranzistoru vai ārēju aparatūru, tas var izraisīt neefektīvu sistēmas darbību vai pat sabojāt sistēmā iesaistītās sastāvdaļas.

Tāpēc kļūst ārkārtīgi svarīgi saprast un iemācīties pareizās ārējo aktīvo komponentu, piemēram, mosfeta un BJT, izmantošanas metodes ar mikrokontrolleru, lai gala rezultāts būtu efektīvs, vienmērīgs un efektīvs.

Pirms mēs apspriedīsim tranzistoru saskarsmes metodes ar Arduino, būtu lietderīgi uzzināt BJT un mosfetu pamatīpašības un darbību.

Tranzistoru elektriskās īpašības (bipolāri)

BJT nozīmē bipolārā savienojuma tranzistoru.

BJT pamatfunkcija ir ieslēgt pievienoto slodzi, reaģējot uz ārējo sprieguma sprūdu. Tiek uzskatīts, ka slodze strāvā pārsvarā ir lielāka, salīdzinot ar ieejas sprūdu.

Tādējādi BJT pamatfunkcija ir ieslēgt lielāku strāvas slodzi, reaģējot uz zemākas strāvas ieejas sprūdu.

Tehniski to sauc arī tranzistora novirze , kas nozīmē strāvas un sprieguma izmantošanu tranzistora darbībai paredzētajai funkcijai, un šī novirze ir jāveic visoptimālākajā veidā.

BJT ir 3 vadi vai 3 tapas, proti, pamatne, izstarotājs, kolektors.

Bāzes tapu izmanto ārējās ieejas sprūda padevei maza sprieguma un strāvas formā.

Emitera tapa vienmēr ir savienota ar zemi vai negatīvo padeves līniju.

Kolektora tapa ir pievienota slodzei, izmantojot pozitīvo padevi.

BJT var atrast ar divu veidu polaritātēm - NPN un PNP. Galvenā tapu konfigurācija gan NPN, gan PNP ir vienāda, kā paskaidrots iepriekš, izņemot līdzstrāvas padeves polaritāti, kas kļūst tieši pretēja.

The varēja saprast BJT tapas izmantojot šādu attēlu:

Augšējā attēlā mēs varam redzēt NPN un PNP tranzistoru (BJT) pamata pinout konfigurāciju. NPN gadījumā izstarotājs kļūst par zemes līniju un ir savienots ar negatīvo padevi.

Parasti, ja vārdu “zeme” lieto līdzstrāvas ķēdē, mēs pieņemam, ka tā ir negatīva padeves līnija.
Tomēr tranzistoram zemējuma līnija, kas saistīta ar izstarotāju, attiecas uz tā pamatu un kolektora spriegumu, un emitētāja “zeme” ne vienmēr nozīmē negatīvo padeves līniju.

Jā, NPN BJT zeme varētu būt negatīva piegādes līnija, bet PNP tranzistors “zeme” vienmēr attiecas uz pozitīvo padeves līniju, kā parādīts attēlā iepriekš.

Abu BJT ieslēgšanas / izslēgšanas funkcija būtībā ir vienāda, taču mainās polaritāte.

Tā kā BJT izstarotājs ir strāvas, kas ienāk caur cauruli un pamatni, un kolektora “izejas” eja, tam jābūt “iezemētam” pie barošanas līnijas, kurai jābūt pretēji spriegumam, ko izmanto bāzes / kolektora ieejās. Pretējā gadījumā ķēde netiks pabeigta.

NPN BJT gadījumā bāzes un kolektora ieejas ir saistītas ar pozitīvu sprūda vai komutācijas spriegumu, tāpēc izstarotājam jābūt atsaucei uz negatīvo līniju.

Tas nodrošina, ka pozitīvie spriegumi, kas nonāk pamatnē un kolektorā, spēj sasniegt emitētāja negatīvo līniju un pabeigt ķēdi.

PNP BJT gadījumā pamatne un kolektors ir saistīti ar negatīva sprieguma ievadi, tāpēc, protams, PNP izstarotājam ir jābūt saistītam ar pozitīvo līniju, lai pozitīvais avots varētu iekļūt caur izstarotāju un pabeigt savu ceļu no bāzes un kolektora tapas.

Ņemiet vērā, ka NPN strāvas plūsma notiek no bāzes / kolektora uz izstarotāju, savukārt PNP - no izstarotāja uz pamatni / kolektoru.

Abos gadījumos mērķis ir ieslēgt kolektora slodzi, izmantojot nelielu sprieguma ievadi BJT pamatnē, un tas ir tikai polaritātes izmaiņas.

Šī simulācija parāda pamata darbību:

Iepriekšminētajā simulācijā, tiklīdz tiek nospiesta poga, ārējā sprieguma ieeja nonāk BJT pamatnē un caur emitētāju sasniedz zemes līniju.

Kamēr tas notiek, kolektora / izstarotāja pāreja BJT iekšpusē atveras un ļauj pozitīvajai padevei no augšas iekļūt spuldzē un iziet caur emitētāju uz zemi, ieslēdzot spuldzi (slodzi).

Abas pārslēgšanās notiek gandrīz vienlaicīgi, reaģējot uz spiedpogas nospiešanu.

Emitera tapa šeit kļūst par kopēju “izejas” kontaktu gan ievades plūsmām (pamatnei, gan kolektoram).

Emitera padeves līnija kļūst par kopēju ieejas padeves sprūda un arī slodzes iezemējuma līniju.

Tas nozīmē, ka barošanas līnijai, kas savieno ar BJT izstarotāju, jābūt stingri savienotai arī ar ārējā sprūda avota zemi un slodzi.

Kāpēc mēs izmantojam rezistoru BJT pamatnē

BJT pamatne ir paredzēta darbam ar mazjaudas ieejām, un šī tapa nevar uzņemt lielas strāvas ieejas, un tāpēc mēs izmantojam rezistoru, tikai lai pārliecinātos, ka bāzē nav atļauts iekļūt lielai strāvai.

Rezistora pamatfunkcija ir ierobežot strāvu līdz pareizai norādītajai vērtībai, kā norādīts slodzes specifikācijā.

Lūdzu, ņemiet vērā BJT gadījumā šis rezistors ir jānosaka atbilstoši kolektora sānu slodzes strāvai.

Kāpēc?

Tā kā BJT ir no strāvas atkarīgi “slēdži”.

Tas nozīmē, ka bāzes strāva ir jāpalielina vai jāsamazina vai jāpielāgo atbilstoši slodzes strāvas parametriem kolektora pusē.

Bet nepieciešamais komutācijas spriegums BJT pamatnē var būt tik zems kā 0,6 V vai 0,7 V. Tas nozīmē, ka BJT kolektora slodzi varēja ieslēgt ar BJT bāzes / izstarotāja spriegumu tik zemu kā 1 V.
Šeit ir pamata formula, lai aprēķinātu bāzes rezistoru:

R = (mums - 0,6) Hfe / slodzes strāva,

Kur R = tranzistora bāzes rezistors,

Us = avots vai sprūda spriegums bāzes rezistoram,

Hfe = tranzistora straumes pieaugums uz priekšu (var atrast BJT datu lapā).

Lai gan formula izskatās kārtīga, nav vienmēr nepieciešams tik precīzi konfigurēt pamatrezistoru.

Tas ir vienkārši tāpēc, ka BJT bāzes specifikācijām ir plašs pielaides diapazons un tās var viegli panest plašas rezistora vērtību atšķirības.

Piemēram, lai pievienotu releju kam ir 30mA spoles pretestība, formula var aptuveni nodrošināt rezistora vērtību 56K BC547 pie 12V barošanas ieejas .... bet es parasti gribētu izmantot 10K, un tas darbojas nevainojami.

Tomēr, ja jūs neievērojat optimālos noteikumus, rezultāti var būt kaut kas slikts, vai ne?

Tehniski tam ir jēga, bet atkal zaudējums ir tik mazs, salīdzinot ar aprēķiniem iztērēto piepūli, to var atstāt novārtā.

Piemēram, izmantojot 10K, nevis 56K, tranzistoru var piespiest strādāt ar nedaudz lielāku bāzes strāvu, liekot tam nedaudz vairāk sasilt, tas var būt par pāris grādiem augstāks ... kas vispār nav svarīgi.

Kā savienot BJT ar Arduino

Labi, tagad nonāksim pie faktiskā punkta.

Tā kā mēs līdz šim esam visaptveroši uzzinājuši, kā BJT ir jābūt neobjektīvam un jākonfigurē visos 3 pinouts, mēs varam ātri saprast informāciju par tā saskarni ar jebkuru mikrokontrolleru, piemēram, Arduino.

BJT savienojuma ar Arduino galvenais mērķis parasti ir ieslēgt slodzi vai kādu parametru kolektora pusē, reaģējot uz ieprogrammētu izvadi no vienas no Arduino izejas tapām.

BJT bāzes tapas sprūda ievadei vajadzētu būt no Arduino. Tas nozīmē, ka pamata rezistora gals vienkārši jāpiestiprina ar attiecīgo Arduino izeju un BJT kolektoru ar slodzi vai jebkuru paredzēto ārējo parametru.

Tā kā BJT efektīvai pārslēgšanai ir vajadzīgs gandrīz no 0,7 V līdz 1 V, 5 V no Arduino izejas tapas kļūst pilnīgi piemērots, lai vadītu BJT un darbinātu saprātīgas slodzes.
Konfigurācijas piemērs var būt šāds attēls:

Šajā attēlā mēs varam redzēt, kā ieprogrammēts Arduino tiek izmantots nelielas slodzes darbināšanai releja veidā, izmantojot BJT draivera posmu. Releja spole kļūst par kolektora slodzi, savukārt signāls no izvēlētā Arduino izejas kontakta darbojas kā BJT bāzes ieejas komutācijas signāls.

Lai gan relejs kļūst par labāko iespēju lielu slodžu darbināšanai, izmantojot tranzistora draiveri, kad mehāniska pārslēgšanās kļūst par nevēlamu faktoru, BJT modernizēšana kļūst par labāku izvēli lielu strāvas līdzstrāvas slodžu darbināšanai, kā parādīts zemāk.

Iepriekš minētajā piemērā var redzēt Darlingtonas tranzistoru tīklu, kas konfigurēts, lai apstrādātu norādīto lielo strāvas 100 vatu slodzi, neatkarīgi no releja. Tas ļauj vienmērīgi pārslēgt gaismas diodi ar minimāliem traucējumiem, nodrošinot visu parametru ilgu darba mūžu.

Tagad turpināsim tālāk un redzēsim, kā mosfets var konfigurēt ar Arduino

MOSFET elektriskās īpašības

Mošfeta izmantošanas mērķis ar Arduino parasti ir līdzīgs BJT mērķim, kā apspriests iepriekš.

Tomēr, tā kā parasti MOSFET ir izstrādāti lai efektīvāk apstrādātu lielākas strāvas specifikācijas, salīdzinot ar BJT, tos galvenokārt izmanto lielu jaudas slodžu pārslēgšanai.

Pirms mēs saprotam mosfet saskarni ar Arduino, būtu interesanti uzzināt pamata atšķirība starp BJT un mosfets

Iepriekšējā diskusijā mēs to sapratām BJT ir no pašreizējām ierīcēm , jo to bāzes komutācijas strāva ir atkarīga no kolektora slodzes strāvas. Lielākas slodzes strāvas pieprasīs lielāku bāzes strāvu un otrādi.

Attiecībā uz mosfets tā nav taisnība, citiem vārdiem sakot, mosfets vārtiem, kas ir līdzvērtīgi BJT bāzei, ieslēgšanai ir nepieciešama minimāla strāva, neatkarīgi no drenāžas strāvas (mosfet iztukšošanas tapa ir līdzvērtīga BJT kolektora tapai).

To sakot, lai gan strāva nav izšķirošais faktors, lai pārslēgtu mosfet vārtu, spriegums ir.

Tāpēc mosfeti tiek uzskatīti par ierīcēm, kas atkarīgas no sprieguma

Minimālais spriegums, kas nepieciešams veselīgas novirzes radīšanai mosfet, ir 5V vai 9V, 12v ir optimālākais diapazons, lai pilnībā ieslēgtu mosfet.

Tāpēc mēs varam pieņemt, ka, lai ieslēgtu MOSFET un slodzi visā tā iztukšošanā, optimālam rezultātam pāri vārtiem var izmantot 10 V barošanu.

Ekvivalenti Mosfets un BJT tapas

Nākamajā attēlā ir parādīti mosfetu un BJT papildinošie tapas.

Bāze atbilst Gate-Collector atbilst Drain-Emitter atbilst Source.

Kāds rezistors jāizmanto Mosfet vārtiem

No mūsu iepriekšējām apmācībām mēs sapratām, ka rezistors BJT pamatnē ir izšķirošs, bez kura BJT var uzreiz sabojāt.

MOSFET tas var nebūt tik svarīgi, jo MOSFET uz to vārtiem neietekmē strāvas atšķirības, tā vietā augstāku spriegumu varētu uzskatīt par bīstamu. Parasti viss, kas pārsniedz 20 V, var būt slikts MOSFET vārtiem, taču strāva var nebūt nozīmīga.

Tāpēc vārtu rezistors nav būtisks, jo rezistori tiek izmantoti strāvas ierobežošanai, un mosfet vārti nav atkarīgi no strāvas.

Tas nozīmē, ka MOSFET ir ļoti neaizsargāti pret pēkšņām smailēm un pārejas gadījumiem pie viņu vārtiem, salīdzinot ar BJT.

Šī iemesla dēļ pie MOSFET vārtiem parasti dod priekšroku mazas vērtības rezistoram, tikai lai nodrošinātu, ka pēkšņa sprieguma smaile nespēj iziet caur MOSFET vārtiem un iekšēji to saplēst.

Parasti jebkurš rezistors starp 10 un 50 omiem varētu izmantot pie MOSFET vārtiem, lai aizsargātu savus vārtus no negaidītiem sprieguma triecieniem.

MOSFET saskarne ar Arduino

Kā paskaidrots iepriekšējā punktā, pareizai ieslēgšanai mosfet būs nepieciešams no 10 V līdz 12 V, taču, tā kā Arduinos strādā ar 5 V, tā izeju nevar tieši konfigurēt ar mosfet.

Tā kā Arduino darbojas ar 5V barošanu, un visi tā izvadi ir paredzēti, lai ražotu 5V kā loģiski augstu barošanas signālu. Lai gan šim 5V var būt iespēja ieslēgt MOSFET, tas var izraisīt neefektīvu ierīču pārslēgšanu un problēmas.

Efektīvai MOSFET pārslēgšanai un 5 V izejas pārveidošanai no Arduino 12 V signālā varētu konfigurēt starpposma bufera posmu, kā parādīts šajā attēlā:

Attēlā MOSFET var redzēt konfigurētu ar pāris BJT bufera posmiem, kas ļauj MOSFET izmantot 12 V no barošanas avota un efektīvi ieslēgt sevi un slodzi.

Šeit tiek izmantoti divi BJT, jo viens BJT izraisītu MOSFET pretēju rīcību, reaģējot uz visiem pozitīvajiem Arduino signāliem.

Pieņemsim, ka tiek izmantots viens BJT, tad, kamēr BJT ir IESLĒGTS ar pozitīvu Arduino signālu, mosfet būtu izslēgts, jo tā vārtus iezemētu BJT kolektors, un slodze tiktu ieslēgta, kamēr Arduino ir izslēgts.

Būtībā viens BJT apgrieztu Arduino signālu mosfet vārtiem, radot pretēju komutācijas reakciju.

Lai labotu šo situāciju, tiek izmantoti divi BJT, lai otrais BJT apgrieztu reakciju atpakaļ un ļautu mosfet ieslēgt katru pozitīvo signālu tikai no Arduino.

Pēdējās domas

Tagad jums jau bija visaptveroši jāsaprot pareizā metode, kā savienot BJT un mosfetus ar mikrokontrolleru vai Arduino.

Jūs, iespējams, pamanījāt, ka integrēšanai lielākoties esam izmantojuši NPN BJT un N-kanālu mosfetus un izvairījāmies no PNP un P kanālu ierīču izmantošanas. Tas ir tāpēc, ka NPN versijas darbojas ideāli kā slēdzis un konfigurēšanas laikā ir viegli uztveramas.

Tas ir tāpat kā normāli braukt ar automašīnu uz priekšu, nevis skatīties aizmugurē un braukt ar atpakaļgaitas pārnesumu. Abos veidos automašīna darbotos un pārvietotos, taču braukšana ar atpakaļgaitas pārnesumu ir daudz neefektīva un nav jēgas. Šī pati līdzība ir šeit, un NPN vai N kanālu ierīču izmantošana kļūst par labāku priekšroku salīdzinājumā ar PNP vai P kanālu mosfetiem.

Ja jums ir kādas šaubas vai ja domājat, ka es šeit kaut ko esmu palaidis garām, lūdzu, izmantojiet zemāk esošo komentāru lodziņu, lai turpinātu diskusiju.