Kako povezati tranzistorje (BJT) in MOSFET z Arduino

Povezava napajalnih naprav, kot so BJT in MOSFET-ji z ​​izhodom Arduino, je ključna konfiguracija, ki omogoča preklapljanje velikih moči skozi nizke izhodne moči Arduina.

V tem članku podrobno razpravljamo o pravilnih metodah uporabe ali povezovanja tranzistorjev, kot so BJT-ji in MOSFET-i, s katerim koli mikrokrmilnikom ali Arduinom.

Takšne stopnje se imenujejo tudi 'Level Shifter' ker ta stopnja spremeni nivo napetosti iz spodnje v višjo točko za ustrezni izhodni parameter. Tu je na primer izveden premik nivoja z izhoda Arduino 5V na izhod MOSFET 12V za izbrano obremenitev 12V.

Ne glede na to, kako dobro programiran ali kodiran je vaš Arduino, če ni pravilno integriran s tranzistorjem ali zunanjo strojno opremo, lahko povzroči neučinkovito delovanje sistema ali celo poškodbe komponent, ki so v sistemu.

Zato je izjemno pomembno razumeti in se naučiti pravih metod uporabe zunanjih aktivnih komponent, kot so MOSFET-ji in BJT-ji z ​​mikrokrmilnikom, tako da je končni rezultat učinkovit, gladek in učinkovit.

Preden se z Arduinom pogovorimo o metodah povezovanja tranzistorjev, bi bilo koristno spoznati osnovne značilnosti in delovanje BJT-jev in MOSFET-ov.

Električne značilnosti tranzistorjev (bipolarne)

BJT pomeni bipolarni križni tranzistor.

Osnovna funkcija BJT je vklop priklopljenega bremena kot odziv na zunanji napetostni sprožilec. Obremenitev naj bi bila večinoma težja po toku v primerjavi z vhodnim sprožilcem.

Tako je osnovna funkcija BJT vklop večje tokovne obremenitve kot odziv na nižji vhodni sprožilec toka.

Tehnično se temu tudi reče pristranskost tranzistorja , kar pomeni uporabo toka in napetosti za delovanje tranzistorja za predvideno funkcijo, in to pristranskost je treba izvesti na najbolj optimalen način.

BJT imajo 3 vodnike ali 3 nožice, in sicer bazo, oddajnik, kolektor.

Osnovni zatič se uporablja za napajanje zunanjega vhodnega sprožilca v obliki majhne napetosti in toka.

Zatič oddajnika je vedno povezan s tlemi ali negativnim napajalnim vodom.

Kolektorski zatič je povezan s tovorom prek pozitivnega napajanja.

BJT lahko najdemo z dvema vrstama polarnosti, NPN in PNP. Osnovna konfiguracija zatiča je enaka za NPN in PNP, kot je razloženo zgoraj, razen polarnosti napajanja enosmernega toka, ki postane ravno nasprotna.

The pinouts BJT je bilo mogoče razumeti skozi naslednjo sliko:

Na zgornji sliki lahko vidimo osnovno konfiguracijo pinout tranzistorjev NPN in PNP (BJT). Za NPN oddajnik postane ozemljitvena črta in je povezan z negativnim napajanjem.

Kadar se v enosmernem tokokrogu uporablja beseda 'ozemljitev', predpostavljamo, da gre za negativni napajalni vod.
Vendar je za tranzistor ozemljitvena linija, povezana z oddajnikom, odvisna od njegove osnove in napetosti kolektorja, oddajnik „ozemljitev“ pa ne pomeni nujno negativnega napajalnega voda.

Da, za NPN BJT bi lahko bila tla negativni napajalni vod, za PNP tranzistor „tla“ se vedno nanašajo na pozitivno dobavno črto, kot je prikazano na zgornji sliki.

Funkcija vklopa / izklopa obeh BJT je v bistvu enaka, vendar se polarnost spremeni.

Ker je oddajnik BJT 'izhodni' prehod za tok, ki vstopa skozi in skozi podnožje in kolektor, mora biti 'ozemljen' na napajalni vod, ki naj bo nasproti napetosti, ki se uporablja na vhodih baze / kolektorja. V nasprotnem primeru vezje ne bo zaključeno.

Pri NPN BJT so vhodi osnove in kolektorja povezani s pozitivno sprožilno ali preklopno napetostjo, zato mora biti oddajnik referenciran na negativno črto.

To zagotavlja, da lahko pozitivne napetosti, ki vstopajo v bazo in kolektor, dosežejo negativno črto skozi oddajnik in zaključijo vezje.

Pri PNP BJT sta osnova in kolektor povezana z vhodom negativne napetosti, zato mora biti oddajnik PNP seveda povezan s pozitivno črto, tako da lahko pozitivna dovod vstopi skozi oddajnik in zaključi pot od baze in kolektorski zatiči.

Upoštevajte, da tok NPN teče od baze / kolektorja proti oddajniku, medtem ko je za PNP tok od emitorja proti dnu / kolektorju.

V obeh primerih je cilj vklopiti kolektorsko obremenitev skozi majhen napetostni vhod na dnu BJT, spremeni se le polarnost.

Naslednja simulacija prikazuje osnovno operacijo:

V zgornji simulaciji, takoj ko pritisnete gumb, zunanji vhod napetosti vstopi v dno BJT in preko oddajnika doseže ozemljitveno črto.

Medtem ko se to zgodi, se prehod kolektorja / oddajnika znotraj BJT odpre in dovoli, da pozitivna dovodna napetost od zgoraj vstopi v žarnico in gre skozi oddajnik na tla, prižge žarnico (obremenitev).

Preklapljanje se zgodi skoraj istočasno kot odziv na pritisk na gumb.

Tu oddajniški zatič postane običajni izhodni izhod za vhodne podajalnike (osnova in zbiralnik).

In dovodna linija oddajnika postane skupna ozemljitvena črta za vhodni napajalni sprožilec in tudi obremenitev.

Kar pomeni, da mora biti tudi napajalni vod, ki se povezuje z oddajnikom BJT, strogo povezan s tlemi zunanjega vira sprožilca in obremenitvijo.

Zakaj uporabljamo upor na dnu BJT

Osnova BJT je zasnovana za delo z vhodi z nizko močjo in ta zatič ne more sprejeti velikih tokovnih vhodov, zato uporabljamo upor, samo da zagotovimo, da v bazo ne sme vstopiti velik tok.

Osnovna funkcija upora je omejiti tok na pravilno določeno vrednost, kot je določeno v obremenitvi.

Prosimo, upoštevajte da mora biti za BJT ta upor dimenzioniran glede na tok obremenitve na strani kolektorja.

Zakaj?

Ker so BJT trenutno odvisna 'stikala'.

To pomeni, da je treba osnovni tok povečati ali zmanjšati ali prilagoditi v skladu s specifikacijami toka obremenitve na strani kolektorja.

Toda preklopna napetost, potrebna na dnu BJT, je lahko 0,6 V ali 0,7 V. To pomeni, da bi lahko BJT obremenitev kolektorja vklopili z napetostjo do 1V na osnovi / oddajniku BJT.
Tu je osnovna formula za izračun osnovnega upora:

R = (Us - 0,6) Hfe / obremenitveni tok,

Kjer je R = osnovni upor tranzistorja,

Us = vir ali napetost sprožilca na osnovni upor,

Hfe = Naprej ojačanje tranzistorja (lahko ga najdete v obrazcu BJT).

Čeprav je formula videti lepo, ni nujno, da je osnovni upor vedno nastavljen tako natančno.

Preprosto zato, ker imajo osnovne specifikacije BJT široko tolerančno območje in lahko brez težav prenašajo velike razlike v vrednostih upora.

Na primer za priključitev releja z odpornostjo tuljave 30mA lahko formula približno zagotavlja vrednost upora 56K za BC547 pri 12V napajalnem vhodu .... vendar običajno raje uporabljam 10K in deluje brezhibno.

Če pa ne upoštevate optimalnih pravil, bi lahko bilo nekaj slabega pri rezultatih, kajne?

Tehnično je to smiselno, vendar je izguba spet tako majhna v primerjavi s trudom, porabljenim za izračune, da bi ga lahko zanemarili.

Na primer uporaba 10K namesto 56K lahko prisili tranzistor, da deluje z nekoliko več osnovnega toka, zaradi česar se nekoliko bolj ogreje, lahko za nekaj stopinj višje ... kar sploh ni pomembno.

Kako povezati BJT z Arduinom

V redu, zdaj pa pojdimo na dejansko točko.

Ker smo se doslej izčrpno naučili, kako je treba BJT pristransko in konfigurirati na njegovih treh izhodiščih, lahko hitro razumemo podrobnosti o njegovem povezovanju s katerim koli mikrokrmilnikom, kot je Arduino.

Glavni namen povezave BJT z Arduinom je običajno vklop tovora ali nekega parametra na strani kolektorja kot odziv na programiran izhod iz enega od izhodnih zatičev Arduino.

Tu naj bi vhod sprožilca za osnovni zatič BJT prihajal iz Arduina. To pomeni, da je treba konec osnovnega upora preprosto pritrditi z ustreznim izhodom iz Arduina, kolektor BJT pa z obremenitvijo ali katerim koli predvidenim zunanjim parametrom.

Ker BJT za učinkovito preklapljanje potrebuje komaj 0,7 V do 1 V, postane 5 V izhodnega zatiča Arduino popolnoma primerno za vožnjo BJT in obratovanje razumnih obremenitev.
Primer konfiguracije si lahko ogledate na naslednji sliki:

Na tej sliki lahko vidimo, kako se programirani Arduino uporablja za upravljanje majhne obremenitve v obliki releja prek stopnje gonilnika BJT. Relejska tuljava postane kolektorska obremenitev, signal izbranega izhodnega zatiča Arduino pa deluje kot vhodni preklopni signal za bazo BJT.

Čeprav rele postane najboljša možnost za upravljanje težkih bremen prek tranzistorskega gonilnika, ko mehansko preklapljanje postane nezaželen dejavnik, postane nadgradnja BJT boljša izbira za obratovanje močnostnih enosmernih obremenitev, kot je prikazano spodaj.

V zgornjem primeru je razvidno Darlingtonovo tranzistorsko omrežje, ki je konfigurirano za obdelavo označene visokotokovne 100-vatne obremenitve, ne glede na rele. To omogoča nemoteno preklapljanje LED z minimalnimi motnjami, kar zagotavlja dolgo življenjsko dobo vseh parametrov.

Zdaj pa nadaljujmo in poglejmo, kako je mogoče konfigurirati MOSFET-e z Arduinom

Električne značilnosti MOSFET-a

Namen uporabe MOSFET-a z Arduinom je ponavadi podoben namenu BJT, kot je razloženo zgoraj.

Ker pa običajno MOSFET-ji so zasnovani za učinkovito ravnanje z višjimi trenutnimi specifikacijami v primerjavi z BJT-ji se ti večinoma uporabljajo za preklapljanje moči z veliko močjo.

Preden razumemo povezovanje mosfet-a z Arduinom, bi bilo zanimivo vedeti osnovno razlika med BJT in MOSFET-i

V prejšnji razpravi smo to razumeli BJT so trenutno odvisne naprave , ker je njihov osnovni preklopni tok odvisen od toka obremenitve kolektorja. Višji tokovi obremenitve bodo zahtevali večji osnovni tok in obratno.

Za MOSFET-ove to ne drži, z drugimi besedami Vrata MOSFET-a, ki so enakovredna BJT podnožju, zahtevajo minimalni tok, da se vklopijo, ne glede na odtočni tok (odtočni zatič MOSFET-a je enakovreden kolektorskemu zatiču BJT).

Glede na to, čeprav tok ni odločilni dejavnik za preklop MOSFET vrat, napetost je.

Zato se mosfet-ovi štejejo za napetostno odvisne naprave

Najmanjša napetost, potrebna za ustvarjanje zdrave pristranskosti za MOSFET, je 5 V ali 9 V, 12 V je najbolj optimalno območje za popolno vklop MOSFET-a.

Zato lahko domnevamo, da je za vklop mossfet-a in obremenitve čez odtok mogoče uporabiti napajalno napetost 10 V, da se doseže optimalen rezultat.

Enakovredni zatiči Mosfeta in BJT

Naslednja slika prikazuje dopolnilne nožice MOSFET-ov in BJT-jev.

Osnova ustreza Gate-Collector ustreza Drain-Emitter ustreza Source.

Kateri upor je treba uporabiti za Mosfet vrata

Iz naših prejšnjih vadnic smo razumeli, da je upor na dnu BJT ključnega pomena, brez katerega se BJT lahko takoj poškoduje.

Za MOSFET to morda ni tako pomembno, ker na MOSFET-ove ne vplivajo trenutne razlike na njihovih vratih, namesto tega bi lahko bila višja napetost nevarna. Običajno je vse, kar je nad 20V, slabo za MOSFET vrata, tok pa je lahko nebistven.

Zaradi tega upor na vratih ni pomemben, saj se upora uporabljajo za omejevanje toka, vrata mosfet pa niso odvisna od toka.

Kljub temu MOSFET-i so zelo občutljiv na nenadne skoke in prehodne razmere pred njihovimi vrati, v primerjavi z BJT-ji.

Iz tega razloga je na vratih MOSFET-ov na splošno zaželen upor nizke vrednosti, samo da se zagotovi, da noben nenapeten skok napetosti ne bo šel skozi vrata MOSFET-a in ga notranje raztrgal.

Običajno kateri koli upor med 10 in 50 ohmi se lahko uporabljajo na vratih MOSFET za zaščito njihovih vrat pred nepričakovanimi napetostnimi skoki.

Povezava MOSFET-a z Arduinom

Kot je razloženo v zgornjem odstavku, bo MOSFET potreboval približno 10 V do 12 V za pravilno vklop, ker pa Arduinos deluje s 5 V, njegove moči ni mogoče neposredno konfigurirati z MOSFET-om.

Ker Arduino deluje z napajanjem 5 V in so vsi njegovi izhodi zasnovani tako, da proizvajajo 5 V kot logično visoko napajalni signal. Čeprav ima ta 5V možnost vklopiti MOSFET, lahko povzroči neučinkovito vklapljanje naprav in težave z ogrevanjem.

Za učinkovito preklapljanje MOSFET-a in pretvorbo izhodne napetosti 5V iz Arduina v signal 12V je mogoče konfigurirati vmesno stopnjo medpomnilnika, kot je prikazano na naslednji sliki:

Na sliki je razviden MOSFET, konfiguriran z nekaj stopnjami vmesnega pomnilnika BJT, ki MOSFET-u omogoča uporabo 12V iz napajalnika in učinkovito vklopi samega sebe in obremenitev.

Tu se uporabljata dva BJT-ja, saj bi en BJT povzročil, da MOSFET deluje nasprotno kot odziv na vsak pozitiven signal Arduino.

Recimo, da je uporabljen en BJT, medtem ko je BJT vklopljen s pozitivnim signalom Arduino, bi bil mosfet izklopljen, saj bi njegova vrata ozemljila kolektor BJT in bi bila obremenitev vklopljena, medtem ko je Arduino izklopljen.

V bistvu bi en BJT obrnil signal Arduino za mosfet vrata, kar bi povzročilo nasproten preklopni odziv.

Da bi to popravili, se uporabita dva BJT-ja, tako da drugi BJT obrne odziv nazaj in omogoči, da se MOSFET vklopi za vse pozitivne signale samo iz Arduina.

Končne misli

Do zdaj bi morali že dobro razumeti pravi način povezovanja BJT-jev in MOSFET-ov z mikrokrmilnikom ali Arduinom.

Morda ste opazili, da smo za integracije večinoma uporabljali NPN BJT-je in M-kanale N-kanalov ter se izognili uporabi naprav PNP in P-kanal. To je zato, ker različice NPN delujejo kot stikalo in jih je enostavno razumeti med konfiguriranjem.

To je tako, kot da običajno vozite avto v smeri naprej, ne pa da gledate zadaj in ga vozite v vzvratni prestavi. V obeh smereh bi avto deloval in se premikal, vendar je vožnja v vzvratni prestavi precej neučinkovita in nima smisla. Tu velja ista analogija in uporaba NPN ali N-kanalnih naprav postane boljša prednost v primerjavi z MOSFET-ji PNP ali P-kanala.

Če imate kakršne koli dvome ali če menite, da sem tukaj kaj zamudil, uporabite spodnje polje za komentar za nadaljnjo razpravo.