Jak připojit tranzistory (BJT) a MOSFET k Arduinu

Propojení výkonových zařízení, jako jsou BJT a MOSFET s výstupem Arduino, je zásadní konfigurací, která umožňuje přepínání vysokých výkonových zátěží přes nízké výkonové výstupy Arduina.

V tomto článku podrobně diskutujeme o správných metodách použití nebo připojení tranzistorů, jako jsou BJT a mosfety, s jakýmkoli mikrokontrolérem nebo Arduino.

Takové fáze se také označují jako 'Level Shifter' protože tento stupeň mění úroveň napětí pro příslušný výstupní parametr z nižšího bodu na vyšší. Například zde je implementován posun úrovně z výstupu Arduino 5V na výstup MOSFET 12V pro vybranou zátěž 12V.

Bez ohledu na to, jak dobře může být vaše Arduino naprogramováno nebo kódováno, pokud není správně integrováno s tranzistorem nebo externím hardwarem, může to mít za následek neefektivní provoz systému nebo dokonce poškození komponent zapojených do systému.

Proto je nesmírně důležité pochopit a naučit se správné metody používání externích aktivních komponent, jako jsou mosfety a BJT, s mikrokontrolérem, aby byl konečný výsledek efektivní, plynulý a efektivní.

Než budeme diskutovat o metodách propojení tranzistorů s Arduino, bylo by užitečné se naučit základní charakteristiky a fungování BJT a mosfetů.

Elektrické charakteristiky tranzistorů (bipolární)

BJT znamená bipolární spojovací tranzistor.

Základní funkcí BJT je zapnout připojenou zátěž v reakci na externí napěťový spouštěč. Předpokládá se, že zátěž bude v porovnání se vstupním spouštěčem většinou silnější.

Základní funkcí BJT je tedy zapnutí vyšší proudové zátěže v reakci na spouštěcí proud nižšího proudu.

Technicky se tomu také říká předpětí tranzistoru , což znamená použití proudu a napětí k ovládání tranzistoru pro zamýšlenou funkci, a toto předpětí musí být provedeno nejoptimálnějším způsobem.

BJT mají 3 vodiče nebo 3 piny, jmenovitě základnu, vysílač, sběrač.

Základní kolík se používá k napájení externího vstupního spouštěče ve formě malého napětí a proudu.

Pin vysílače je vždy připojen k zemi nebo zápornému napájecímu vedení.

Kolík kolektoru je připojen k zátěži prostřednictvím kladného napájení.

BJT lze nalézt se dvěma typy polarit, NPN a PNP. Základní konfigurace kolíků je stejná pro NPN i PNP, jak je vysvětleno výše, s výjimkou polarity stejnosměrného napájení, která se stává právě opačnou.

The pinoutům BJT bylo možné rozumět prostřednictvím následujícího obrázku:

Na obrázku výše vidíme základní konfiguraci vývodů tranzistorů NPN a PNP (BJT). U NPN se emitor stává uzemněním a je spojen se záporným napájením.

Normálně, když se v obvodu stejnosměrného proudu používá slovo „zem“, předpokládáme, že jde o záporné napájecí vedení.
U tranzistoru je však zemnící vedení spojené s emitorem s odkazem na jeho základnu a napětí kolektoru a „zem“ emitoru nemusí nutně znamenat záporné napájecí vedení.

Ano, pro NPN BJT může být zem záporným napájecím vedením, ale pro PNP tranzistor „zem“ vždy odkazuje na kladné napájecí vedení, jak je znázorněno na obrázku výše.

Funkce zapnutí / vypnutí obou BJT je v zásadě stejná, ale polarita se mění.

Vzhledem k tomu, že emitor BJT je „výstupním“ průchodem proudu procházejícího skrz a základnu a kolektor, musí být „uzemněn“ k napájecímu vedení, které by mělo být naproti napětí použitému na vstupech základna / kolektor. Jinak se obvod nedokončí.

U NPN BJT jsou vstupy základny a kolektoru spojeny s pozitivním spouštěcím nebo spínacím napětím, proto musí být emitor odkazován na zápornou linku.

Tím je zajištěno, že kladná napětí vstupující do základny a kolektoru jsou schopna dosáhnout záporného vedení emitorem a dokončit obvod.

U PNP BJT jsou základna a kolektor spojeny se záporným napěťovým vstupem, proto musí být emitor PNP přirozeně odkazován na kladnou linku, aby mohl pozitivní zdroj vstupovat přes emitor a dokončit jeho cestu ze základny a sběrné kolíky.

Všimněte si, že tok proudu pro NPN je ze základny / kolektoru směrem k emitoru, zatímco pro PNP je to z emitoru směrem k základně / kolektoru.

V obou případech je cílem zapnout zátěž kolektoru malým vstupem napětí na základně BJT, změní se pouze polarita.

Následující simulace ukazuje základní operace:

Ve výše uvedené simulaci, jakmile je tlačítko stisknuto, vstup externího napětí vstupuje do základny BJT a dosahuje emitoru k uzemnění.

I když k tomu dojde, průchod kolektoru / emitoru uvnitř BJT se otevře a umožní kladnému napájení shora vstoupit do žárovky a projít emitorem k zemi a zapnout žárovku (zátěž).

K přepínání dochází téměř současně v reakci na stisknutí tlačítka.

Pin vysílače se zde stává běžným výstupem pro oba vstupní kanály (základna a kolektor).

A napájecí vedení emitoru se stává společným zemním vedením pro spouštěcí zdroj napájení a také zátěž.

To znamená, že napájecí vedení připojené k vysílači BJT musí být také striktně spojeno se zemí externího zdroje spouštění a zátěží.

Proč používáme rezistor na základně BJT

Základna BJT je navržena pro práci s nízkoenergetickými vstupy a tento kolík nemůže přijímat velké proudové vstupy, a proto používáme rezistor, abychom se ujistili, že do základny nesmí vstupovat žádný velký proud.

Základní funkcí odporu je omezit proud na správnou specifikovanou hodnotu podle specifikace zátěže.

Mějte prosím na paměti že pro BJT musí být tento odpor dimenzován podle zatěžovacího proudu na straně kolektoru.

Proč?

Protože BJT jsou proudově závislé „přepínače“.

To znamená, že základní proud je třeba zvýšit nebo snížit nebo upravit podle specifikací zátěžového proudu na straně kolektoru.

Spínací napětí požadované na základně BJT však může být až 0,6 V nebo 0,7 V. To znamená, že zátěž kolektoru BJT by mohla být zapnuta s napětím tak nízkým jako 1V přes základnu / emitor BJT.
Zde je základní vzorec pro výpočet základního odporu:

R = (Us - 0,6) Hfe / zatěžovací proud,

Kde R = základní rezistor tranzistoru,

Us = zdroj nebo spouštěcí napětí do základního odporu,

Hfe = dopředný proudový zisk tranzistoru (lze najít v datovém listu BJT).

Přestože vzorec vypadá úhledně, není absolutně nutné vždy přesně nakonfigurovat základní rezistor.

Je to jednoduše proto, že základní specifikace BJT mají široký rozsah tolerance a mohou snadno tolerovat velké rozdíly v hodnotách odporu.

Například, k připojení relé s odporem cívky 30mA může vzorec zhruba poskytnout hodnotu odporu 56K pro BC547 na 12V napájecím vstupu .... ale obvykle dávám přednost použití 10K a funguje to bezchybně.

Pokud však nedodržujete optimální pravidla, s výsledky by mohlo být něco špatného, ​​že?

Technicky to dává smysl, ale opět je ztráta ve srovnání s úsilím vynaloženým na výpočty tak malá, že ji lze zanedbávat.

Například použití 10K místo 56K může přinutit tranzistor k práci s mírně větším základním proudem, což způsobí, že se o něco více zahřeje, může být o pár stupňů vyšší ... což vůbec nevadí.

Jak připojit BJT k Arduinu

Dobře, pojďme ke skutečnému bodu.

Vzhledem k tomu, že jsme se dosud komplexně naučili, jak je třeba BJT zaujat a konfigurovat ve svých 3 pinoutech, můžeme rychle pochopit podrobnosti týkající se jeho propojení s jakýmkoli mikrokontrolérem, jako je Arduino.

Hlavním účelem připojení BJT s Arduino je obvykle zapnutí zátěže nebo některého parametru na straně kolektoru v reakci na naprogramovaný výstup z jednoho z výstupních pinů Arduino.

Zde má vstup spouštění pro základní kolík BJT pocházet z Arduina. To znamená, že konec základního odporu musí být jednoduše připojen k příslušnému výstupu z Arduina a kolektor BJT se zátěží nebo jakýmkoli zamýšleným externím parametrem.

Vzhledem k tomu, že BJT vyžaduje pro efektivní přepínání téměř 0,7 V až 1 V, stane se 5 V z výstupního kolíku Arduino naprosto adekvátní pro řízení BJT a provozování přiměřeného zatížení.
Ukázkovou konfiguraci najdete na následujícím obrázku:

Na tomto obrázku vidíme, jak se naprogramované Arduino používá k ovládání malé zátěže ve formě relé přes fázi ovladače BJT. Reléová cívka se stává zátěží kolektoru, zatímco signál z vybraného výstupního kolíku Arduino funguje jako vstupní spínací signál pro základnu BJT.

I když se relé stává nejlepší volbou pro provozování velkých zátěží pomocí budiče tranzistoru, když se mechanické přepínání stane nežádoucím faktorem, stává se upgrade BJT lepší volbou pro provozování stejnosměrných zátěží s vysokým proudem, jak je uvedeno níže.

Ve výše uvedeném příkladu lze vidět Darlingtonovu tranzistorovou síť nakonfigurovanou pro zpracování indikovaného vysokého proudu 100 wattů bez závislosti na relé. To umožňuje plynulé přepínání LED s minimálním rušením a zajišťuje dlouhou životnost všech parametrů.

Nyní pojďme dále a podívejme se, jak lze mosfety konfigurovat pomocí Arduina

Elektrické charakteristiky MOSFET

Účel použití MOSFET s Arduinem je obvykle podobný účelu BJT, jak je popsáno výše.

Nicméně, protože normálně MOSFETy jsou navrženy pro efektivní zpracování vyšších proudových specifikací ve srovnání s BJT se většinou používají pro přepínání zátěží s vysokým výkonem.

Než pochopíme propojení mosfetu s Arduinem, bylo by zajímavé znát základy rozdíl mezi BJT a mosfety

V naší předchozí diskusi jsme tomu porozuměli BJT jsou zařízení závislá na proudu , protože jejich základní spínací proud je závislý na zatěžovacím proudu kolektoru. Vyšší zatěžovací proudy budou vyžadovat vyšší základní proud a naopak.

U mosfetů to není pravda, jinými slovy brána mosfetů, která je ekvivalentní základně BJT, vyžaduje minimální proud pro zapnutí, bez ohledu na odtokový proud (odtokový kolík mosfetu je ekvivalentní sběracímu kolíku BJT).

Přestože proud není rozhodujícím faktorem pro přepnutí brány MOSFET, napětí je.

Mosfety jsou proto považovány za zařízení závislá na napětí

Minimální napětí potřebné pro vytvoření zdravého předpětí pro MOSFET je 5 V nebo 9 V, přičemž 12 V je nejoptimálnějším rozsahem pro úplné zapnutí MOSFETu.

Proto můžeme předpokládat, že za účelem zapnutí MOSFETu a zátěže přes jeho odtok lze použít 10V napájení přes jeho bránu pro optimální výsledek.

Ekvivalentní piny Mosfetů a BJT

Následující obrázek ukazuje komplementární piny mosfetů a BJT.

Base odpovídá Gate-Collector odpovídá Drain-Emitter odpovídá Source.

Jaký rezistor by měl být použit pro bránu Mosfet

Z našich dřívějších tutoriálů jsme pochopili, že rezistor na základně BJT je zásadní, bez kterého se BJT může okamžitě poškodit.

Pro MOSFET to nemusí být tak relevantní, protože MOSFETy nejsou ovlivněny proudovými rozdíly u jejich bran, místo toho by mohlo být vyšší napětí považováno za nebezpečné. Typicky cokoli nad 20 V může být pro bránu MOSFET špatné, ale proud může být nepodstatný.

Z tohoto důvodu není rezistor u brány relevantní, protože pro omezení proudu se používají rezistory a brána MOSFET není závislá na proudu.

To znamená, že MOSFETy jsou velmi náchylné k náhlým výkyvům a přechodům u jejich bran, ve srovnání s BJT.

Z tohoto důvodu je u bran MOSFET obecně upřednostňován odpor s nízkou hodnotou, jen aby bylo zajištěno, že žádný náhlý napěťový hrot není schopen projít bránou MOSFET a interně jej roztrhnout.

Typicky jakýkoli odpor mezi 10 a 50 ohmy by mohly být použity u bran MOSFET k ochraně jejich bran před neočekávanými napěťovými hroty.

Propojení MOSFET s Arduino

Jak je vysvětleno v předchozím odstavci, mosfet bude pro správné zapnutí potřebovat přibližně 10V až 12V, ale protože Arduinos pracuje s 5V, jeho výstup nelze přímo nakonfigurovat pomocí mosfetu.

Vzhledem k tomu, že Arduino běží s napájením 5 V a všechny jeho výstupy jsou navrženy tak, aby produkovaly 5 V jako logický signál vysokého napájení. Ačkoli toto 5V může mít schopnost zapnout MOSFET, může to mít za následek neefektivní přepínání zařízení a problémy s zahříváním.

Pro efektivní přepínání MOSFET a pro transformaci 5V výstupu z Arduina na 12V signál lze nakonfigurovat mezilehlý vyrovnávací stupeň, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Na obrázku je MOSFET vidět konfigurován s několika fázemi vyrovnávací paměti BJT, což umožňuje MOSFETu používat 12V z napájecího zdroje a účinně zapínat sám a zátěž.

Zde se používají dva BJT, protože jediný BJT by způsobil, že MOSFET bude fungovat opačně v reakci na všechny pozitivní signály Arduina.

Předpokládejme, že je použit jeden BJT, pak zatímco je BJT ZAPNUTÝ s pozitivním signálem Arduino, mosfet by byl vypnutý, protože jeho brána by byla uzemněna kolektorem BJT a zátěž by byla zapnutá, zatímco Arduino je vypnuté.

V podstatě by jeden BJT invertoval signál Arduino pro bránu mosfet, což by vedlo k opačné odezvě spínání.

K nápravě této situace se používají dva BJT, takže druhá BJT invertuje zpětnou odezvu a umožňuje mosfetu zapnout pro všechny pozitivní signály pouze z Arduina.

Závěrečné myšlenky

Nyní byste měli komplexně porozumět správné metodě propojení BJT a mosfetů s mikrokontrolérem nebo Arduinem.

Možná jste si všimli, že jsme pro integraci většinou používali NPN BJT a M-kanály M-kanálu a vyhnuli jsme se použití zařízení PNP a P-kanálu. Je to proto, že verze NPN fungují ideálně jako přepínač a je snadné je pochopit při konfiguraci.

Je to jako řídit auto normálně ve směru dopředu, než se dívat dozadu a řídit ho zpátečkou. V obou ohledech by auto fungovalo a pohybovalo se, ale jízda se zpátečkou je mnohem neefektivní a nedává smysl. Platí zde stejná analogie a používání zařízení NPN nebo N-kanálu se stává lepší preferencí ve srovnání s mosfety PNP nebo P-kanály.

Máte-li jakékoli pochybnosti nebo si myslíte, že mi zde něco mohlo uniknout, použijte pro další diskusi níže uvedené pole pro komentář.