Πώς να συνδέσετε τα τρανζίστορ (BJT) και το MOSFET με το Arduino

Η διασύνδεση συσκευών ισχύος όπως BJT και MOSFET με έξοδο Arduino είναι μια κρίσιμη διαμόρφωση που επιτρέπει την εναλλαγή φορτίων υψηλής ισχύος μέσω εξόδων χαμηλής ισχύος ενός Arduino.

Σε αυτό το άρθρο συζητάμε λεπτομερώς τις σωστές μεθόδους χρήσης ή σύνδεσης τρανζίστορ όπως BJTs και mosfets με οποιονδήποτε μικροελεγκτή ή Arduino.

Τέτοια στάδια αναφέρονται επίσης ως «Επίπεδο μετατόπισης» επειδή αυτό το στάδιο αλλάζει το επίπεδο τάσης από χαμηλότερο σε υψηλότερο σημείο για τη σχετική παράμετρο εξόδου. Για παράδειγμα, εδώ η αλλαγή στάθμης εφαρμόζεται από την έξοδο Arduino 5V στην έξοδο MOSFET 12V για το επιλεγμένο φορτίο 12V.

Ανεξάρτητα από το πόσο καλά προγραμματισμένος ή κωδικοποιημένος μπορεί να είναι το Arduino σας, εάν δεν είναι σωστά ενσωματωμένο με τρανζίστορ ή εξωτερικό υλικό, θα μπορούσε να οδηγήσει σε αναποτελεσματική λειτουργία του συστήματος ή ακόμη και ζημιά στα εξαρτήματα που εμπλέκονται στο σύστημα.

Ως εκ τούτου, καθίσταται εξαιρετικά σημαντικό να κατανοήσετε και να μάθετε τις σωστές μεθόδους χρήσης εξωτερικών ενεργών συστατικών όπως mosfets και BJTs με έναν μικροελεγκτή, έτσι ώστε το τελικό αποτέλεσμα να είναι αποτελεσματικό, ομαλό και αποδοτικό.

Πριν συζητήσουμε τις μεθόδους διασύνδεσης των τρανζίστορ με το Arduino, θα ήταν χρήσιμο να μάθουμε τα βασικά χαρακτηριστικά και τη λειτουργία των BJT και των mosfets.

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των τρανζίστορ (διπολικό)

Το BJT σημαίνει διπολικό τρανζίστορ διασταύρωσης.

Η βασική λειτουργία ενός BJT είναι να ενεργοποιήσετε ένα συνδεδεμένο φορτίο ως απόκριση σε μια εξωτερική σκανδάλη τάσης. Το φορτίο υποτίθεται ότι είναι κυρίως βαρύτερο στο ρεύμα σε σύγκριση με τη σκανδάλη εισόδου.

Έτσι, η βασική λειτουργία ενός BJT είναι να ενεργοποιήσετε ένα υψηλότερο φορτίο ρεύματος σε απόκριση μιας σκανδάλης εισόδου χαμηλότερου ρεύματος.

Τεχνικά, αυτό ονομάζεται επίσης πόλωση του τρανζίστορ , που σημαίνει τη χρήση ρεύματος και τάσης για τη λειτουργία ενός τρανζίστορ για μια προβλεπόμενη λειτουργία και αυτή η πόλωση πρέπει να γίνει με τον βέλτιστο τρόπο.

Τα BJT έχουν 3 καλώδια ή 3 ακίδες, δηλαδή βάση, πομπό, συλλέκτη.

Ο πείρος βάσης χρησιμοποιείται για τροφοδοσία της εξωτερικής σκανδάλης εισόδου, με τη μορφή μικρής τάσης και ρεύματος.

Ο πείρος του πομπού είναι πάντα συνδεδεμένος στο έδαφος ή στην αρνητική γραμμή τροφοδοσίας.

Ο πείρος συλλέκτη συνδέεται στο φορτίο μέσω της θετικής παροχής.

Τα BJT μπορούν να βρεθούν με δύο τύπους πολικότητας, NPN και PNP. Η βασική διαμόρφωση ακίδων είναι η ίδια τόσο για το NPN όσο και για το PNP όπως εξηγείται παραπάνω, εκτός από την πολικότητα τροφοδοσίας DC που γίνεται ακριβώς το αντίθετο.

ο θα μπορούσαν να γίνουν κατανοητά τα pinouts ενός BJT μέσω της ακόλουθης εικόνας:

Στην παραπάνω εικόνα μπορούμε να δούμε τη βασική διαμόρφωση pinout ενός NPN και ενός PNP τρανζίστορ (BJTs). Για το NPN ο πομπός γίνεται η γραμμή εδάφους και συνδέεται με την αρνητική τροφοδοσία.

Κανονικά όταν η λέξη «γείωση» χρησιμοποιείται σε κύκλωμα DC, υποθέτουμε ότι είναι η αρνητική γραμμή τροφοδοσίας.
Ωστόσο, για ένα τρανζίστορ η γραμμή γείωσης που σχετίζεται με τον πομπό είναι σε σχέση με τη βάση του και τις τάσεις του συλλέκτη, και ο πομπός «γείωση» μπορεί να μην σημαίνει απαραίτητα την αρνητική γραμμή τροφοδοσίας.

Ναι, για ένα NPN BJT το έδαφος θα μπορούσε να είναι η αρνητική γραμμή τροφοδοσίας, αλλά για ένα Τρανζίστορ PNP το «έδαφος» αναφέρεται πάντα στη θετική γραμμή τροφοδοσίας, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.

Η λειτουργία ενεργοποίησης / απενεργοποίησης και των δύο BJT είναι βασικά η ίδια, αλλά αλλάζει η πολικότητα.

Δεδομένου ότι ο εκπομπός BJT είναι το πέρασμα «εξόδου» για το ρεύμα εισόδου και βάσης και του συλλέκτη, πρέπει να «γειωθεί» σε μια γραμμή τροφοδοσίας που θα πρέπει να είναι αντίθετη από την τάση που χρησιμοποιείται στις εισόδους βάσης / συλλέκτη. Διαφορετικά, το κύκλωμα δεν θα ολοκληρωθεί.

Για ένα NPN BJT, η είσοδος της βάσης και του συλλέκτη συνδέεται με μια θετική τάση ενεργοποίησης ή μεταγωγής, επομένως ο πομπός πρέπει να αναφέρεται στην αρνητική γραμμή.

Αυτό διασφαλίζει ότι οι θετικές τάσεις που εισέρχονται στη βάση και στον συλλέκτη μπορούν να φτάσουν στην αρνητική γραμμή μέσω του πομπού και να ολοκληρώσουν το κύκλωμα.

Για ένα PNP BJT, η βάση και ο συλλέκτης συνδέονται με μια αρνητική είσοδο τάσης, επομένως φυσικά ο πομπός ενός PNP πρέπει να αναφέρεται στη θετική γραμμή, έτσι ώστε η θετική τροφοδοσία να μπορεί να εισέλθει μέσω του πομπού και να ολοκληρώσει το ταξίδι της από τη βάση και οι καρφίτσες συλλέκτη.

Σημειώστε ότι η ροή ρεύματος για το NPN είναι από τη βάση / συλλέκτη προς τον πομπό, ενώ για το PNP, είναι από τον πομπό προς τη βάση / συλλέκτη.

Και στις δύο περιπτώσεις, ο στόχος είναι να ενεργοποιήσετε το φορτίο συλλέκτη μέσω μιας εισόδου μικρής τάσης στη βάση του BJT, αλλά μόνο η πολικότητα αλλάζει.

Η ακόλουθη προσομοίωση δείχνει τη βασική λειτουργία:

Στην παραπάνω προσομοίωση, μόλις πατηθεί το κουμπί, η εξωτερική είσοδος τάσης εισέρχεται στη βάση του BJT και φθάνει στη γραμμή εδάφους μέσω του πομπού.

Ενώ συμβαίνει αυτό, το πέρασμα συλλέκτη / πομπού μέσα στο BJT ανοίγει και επιτρέπει τη θετική τροφοδοσία από την κορυφή να εισέλθει στο λαμπτήρα και να περάσει μέσω του πομπού στη γείωση, ενεργοποιώντας τη λάμπα (φορτίο).

Και οι δύο εναλλαγές συμβαίνουν σχεδόν ταυτόχρονα ως απάντηση στο πάτημα του κουμπιού.

Ο πείρος πομπού εδώ γίνεται το κοινό pinout εξόδου και για τις δύο τροφοδοσίες εισόδου (βάση και συλλέκτη).

Και η γραμμή παροχής πομπού γίνεται η κοινή γραμμή εδάφους για τη σκανδάλη τροφοδοσίας εισόδου, καθώς και το φορτίο.

Αυτό σημαίνει ότι, η γραμμή τροφοδοσίας που συνδέεται με τον πομπό BJT πρέπει επίσης να είναι αυστηρά συνδεδεμένη με το έδαφος της εξωτερικής πηγής σκανδάλης και το φορτίο.

Γιατί χρησιμοποιούμε μια αντίσταση στη βάση ενός BJT

Η βάση ενός BJT έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί με εισόδους χαμηλής ισχύος και αυτός ο πείρος δεν μπορεί να λάβει μεγάλες εισόδους ρεύματος, και ως εκ τούτου χρησιμοποιούμε μια αντίσταση, για να βεβαιωθούμε ότι δεν επιτρέπεται να εισέλθει μεγάλο ρεύμα στη βάση.

Η βασική λειτουργία της αντίστασης είναι να περιορίσει το ρεύμα σε μια σωστή καθορισμένη τιμή, σύμφωνα με τις προδιαγραφές φορτίου.

Παρακαλώ σημειώστε ότι, για BJT, αυτή η αντίσταση πρέπει να έχει διαστάσεις σύμφωνα με το ρεύμα φορτίου πλευράς συλλέκτη.

Γιατί;

Επειδή οι BJTs εξαρτώνται από τους τρέχοντες «διακόπτες».

Δηλαδή, το ρεύμα βάσης πρέπει να αυξηθεί ή να μειωθεί ή να προσαρμοστεί σύμφωνα με τις προδιαγραφές ρεύματος φορτίου στην πλευρά του συλλέκτη.

Αλλά η τάση μεταγωγής που απαιτείται στη βάση ενός BJT μπορεί να είναι τόσο χαμηλή όσο 0,6V ή 0,7V. Δηλαδή, το φορτίο συλλέκτη BJT θα μπορούσε να ενεργοποιηθεί με τάση τόσο χαμηλή όσο 1V σε όλη τη βάση / εκπομπό ενός BJT.
Ακολουθεί ο βασικός τύπος για τον υπολογισμό της βασικής αντίστασης:

R = (Us - 0,6) Hfe / Φορτίο ρεύματος,

Όπου R = αντίσταση βάσης του τρανζίστορ,

Us = Πηγή ή τάση ενεργοποίησης στη βασική αντίσταση,

Hfe = Προώθηση τρέχον κέρδος του τρανζίστορ (μπορεί να βρεθεί από το φύλλο δεδομένων του BJT).

Παρόλο που η φόρμουλα φαίνεται τακτοποιημένη, δεν είναι απολύτως απαραίτητο να διαμορφώνετε την αντίσταση βάσης με τόσο ακριβή τρόπο.

Είναι απλώς επειδή, οι προδιαγραφές βάσης BJT έχουν ένα ευρύ εύρος ανοχής και μπορούν εύκολα να ανεχθούν μεγάλες διαφορές στις τιμές της αντίστασης.

Για παράδειγμα, για να συνδέσετε ένα ρελέ Έχοντας αντίσταση πηνίου 30mA, η φόρμουλα μπορεί να παρέχει περίπου μια αντίσταση 56K για ένα BC547 σε είσοδο τροφοδοσίας 12V .... αλλά συνήθως προτιμώ να χρησιμοποιώ 10K και λειτουργεί άψογα.

Ωστόσο, εάν δεν ακολουθείτε τους βέλτιστους κανόνες μπορεί να υπάρχει κάτι που δεν είναι καλό με τα αποτελέσματα, έτσι;

Τεχνικά αυτό έχει νόημα, αλλά και πάλι η απώλεια είναι τόσο μικρή σε σύγκριση με την προσπάθεια που καταβάλλεται για τους υπολογισμούς, μπορεί να αγνοηθεί.

Για παράδειγμα, η χρήση 10K αντί για 56K μπορεί να αναγκάσει το τρανζίστορ να λειτουργήσει με ελαφρώς περισσότερο ρεύμα βάσης, προκαλώντας τη θέρμανση λίγο περισσότερο, μπορεί να είναι δύο βαθμούς υψηλότερο ... κάτι που δεν έχει σημασία.

Πώς να συνδέσετε το BJT με το Arduino

Εντάξει, τώρα ας φτάσουμε στο πραγματικό σημείο.

Δεδομένου ότι έχουμε μάθει μέχρι τώρα εκτενώς σχετικά με το πώς ένα BJT πρέπει να μεροληπτεί και να διαμορφωθεί σε 3 pinouts, μπορούμε γρήγορα να κατανοήσουμε τις λεπτομέρειες σχετικά με τη διασύνδεσή του με οποιονδήποτε μικροελεγκτή όπως το Arduino.

Ο κύριος σκοπός της σύνδεσης ενός BJT με ένα Arduino είναι συνήθως να ενεργοποιήσετε ένα φορτίο ή κάποια παράμετρο στην πλευρά του συλλέκτη, ως απόκριση σε μια προγραμματισμένη έξοδο από μία από τις ακίδες εξόδου Arduino.

Εδώ, η είσοδος σκανδάλης για τον πείρο βάσης BJT υποτίθεται ότι προέρχεται από το Arduino. Αυτό σημαίνει ότι το άκρο της αντίστασης βάσης πρέπει απλά να συνδεθεί με τη σχετική έξοδο από το Arduino και τον συλλέκτη του BJT με το φορτίο ή οποιαδήποτε προβλεπόμενη εξωτερική παράμετρο.

Δεδομένου ότι ένα BJT απαιτεί μόλις 0,7V έως 1V για μια αποτελεσματική εναλλαγή, το 5V από τον πείρο εξόδου Arduino καθίσταται απολύτως επαρκές για την οδήγηση ενός BJT και τη λειτουργία λογικών φορτίων.
Ένα παράδειγμα διαμόρφωσης μπορεί να είναι η ακόλουθη εικόνα:

Σε αυτήν την εικόνα μπορούμε να δούμε πώς χρησιμοποιείται ένα προγραμματισμένο Arduino για τη λειτουργία ενός μικρού φορτίου με τη μορφή ρελέ μέσω του σταδίου οδήγησης BJT. Το πηνίο ρελέ γίνεται το φορτίο συλλέκτη, ενώ το σήμα από τον επιλεγμένο πείρο εξόδου Arduino λειτουργεί όπως το σήμα εναλλαγής εισόδου για τη βάση BJT.

Αν και, ένα ρελέ γίνεται η καλύτερη επιλογή για τη λειτουργία βαρέων φορτίων μέσω ενός προγράμματος οδήγησης τρανζίστορ, όταν η μηχανική μεταγωγή γίνεται ανεπιθύμητος παράγοντας, η αναβάθμιση των BJT γίνεται καλύτερη επιλογή για τη λειτουργία φορτίων συνεχούς ρεύματος υψηλής ροής, όπως φαίνεται παρακάτω.

Στο παραπάνω παράδειγμα μπορεί να δει κανείς ένα δίκτυο τρανζίστορ Darlington, διαμορφωμένο για χειρισμό του υποδεικνυόμενου φορτίου 100 watt υψηλού ρεύματος χωρίς να εξαρτάται από ένα ρελέ. Αυτό επιτρέπει την απρόσκοπτη εναλλαγή των LED με ελάχιστη διαταραχή, εξασφαλίζοντας μεγάλη διάρκεια ζωής για όλες τις παραμέτρους.

Τώρα ας προχωρήσουμε περαιτέρω και να δούμε πώς μπορούν να διαμορφωθούν τα mosfets με ένα Arduino

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του MOSFET

Ο σκοπός της χρήσης ενός mosfet με Arduino είναι συνήθως παρόμοιος με αυτόν του BJT όπως συζητήθηκε παραπάνω.

Ωστόσο, δεδομένου ότι συνήθως Τα MOSFET έχουν σχεδιαστεί Για να χειριστείτε υψηλότερες τρέχουσες προδιαγραφές αποτελεσματικά σε σύγκριση με τα BJT, αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως για την εναλλαγή φορτίων υψηλής ισχύος.

Πριν κατανοήσουμε τη διασύνδεση ενός mosfet με το Arduino θα ήταν ενδιαφέρον να γνωρίζουμε το βασικό διαφορά μεταξύ BJT και mosfets

Στην προηγούμενη συζήτησή μας, το καταλάβαμε αυτό Τα BJTs είναι εξαρτώμενες συσκευές , επειδή το ρεύμα μεταγωγής βάσης τους εξαρτάται από το ρεύμα φόρτωσης συλλεκτών. Τα υψηλότερα ρεύματα φορτίου απαιτούν υψηλότερο ρεύμα βάσης και το αντίστροφο.

Για τα mosfets αυτό δεν ισχύει, με άλλα λόγια η πύλη mosfets που είναι ισοδύναμη με τη βάση BJT, απαιτεί ελάχιστο ρεύμα για την ενεργοποίηση, ανεξάρτητα από το ρεύμα αποστράγγισης (ο πείρος αποστράγγισης του mosfet είναι ισοδύναμος με τον πείρο συλλογής του BJT).

Τούτου λεχθέντος, αν και το ρεύμα δεν είναι ο καθοριστικός παράγοντας για την αλλαγή μιας πύλης mosfet, η τάση είναι.

Ως εκ τούτου, τα mosfets θεωρούνται συσκευές που εξαρτώνται από την τάση

Η ελάχιστη απαιτούμενη τάση για τη δημιουργία υγιούς πόλωσης για ένα mosfet είναι 5V ή 9V, ενώ το 12v είναι το βέλτιστο εύρος για την πλήρη ενεργοποίηση ενός mosfet.

Επομένως, μπορούμε να υποθέσουμε ότι για να ενεργοποιήσετε ένα mosfet και ένα φορτίο σε όλη την αποχέτευσή του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί τροφοδοσία 10V κατά μήκος της πύλης του για βέλτιστο αποτέλεσμα.

Ισοδύναμες καρφίτσες Mosfets και BJTs

Η παρακάτω εικόνα δείχνει τις συμπληρωματικές καρφίτσες mosfets και BJTs.

Η βάση αντιστοιχεί στο Gate-Collector αντιστοιχεί στο Drain-Emitter αντιστοιχεί στην πηγή.

Τι αντίσταση πρέπει να χρησιμοποιηθεί για μια πύλη Mosfet

Από τα προηγούμενα μαθήματά μας καταλάβαμε ότι η αντίσταση στη βάση ενός BJT είναι ζωτικής σημασίας, χωρίς την οποία το BJT μπορεί αμέσως να καταστραφεί.

Για ένα MOSFET αυτό μπορεί να μην είναι τόσο σχετικό, επειδή τα MOSFET δεν επηρεάζονται με τις τρέχουσες διαφορές στις πύλες τους, αντίθετα μια υψηλότερη τάση θα μπορούσε να θεωρηθεί επικίνδυνη. Συνήθως οτιδήποτε πάνω από 20V μπορεί να είναι κακό για μια πύλη MOSFET, αλλά το ρεύμα μπορεί να είναι ασήμαντο.

Λόγω αυτού, μια αντίσταση στην πύλη δεν έχει σημασία, καθώς οι αντιστάσεις χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό του ρεύματος και η πύλη mosfet δεν εξαρτάται από το ρεύμα.

Ωστόσο, τα MOSFET είναι εξαιρετικά ευάλωτο σε ξαφνικές αιχμές και μεταβατικά στις πύλες τους, σε σύγκριση με τα BJT.

Γι 'αυτό το λόγο προτιμάται μια αντίσταση χαμηλής τιμής στις πύλες των MOSFETs, απλώς για να διασφαλιστεί ότι καμία απότομη ακίδα τάσης δεν μπορεί να περάσει από την πύλη MOSFET και να την διαλύσει εσωτερικά.

Τυπικά οποιαδήποτε αντίσταση μεταξύ 10 και 50 ohms θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στις πύλες MOSFET για την προστασία των πυλών τους από απροσδόκητες αιχμές τάσης.

Διασύνδεση ενός MOSFET με τον Arduino

Όπως εξηγείται στην παραπάνω παράγραφο, ένα mosfet θα χρειαστεί περίπου 10V έως 12V για να ενεργοποιηθεί σωστά, αλλά δεδομένου ότι το Arduinos λειτουργεί με 5V, η έξοδος του δεν μπορεί να ρυθμιστεί άμεσα με ένα mosfet.

Δεδομένου ότι ένα Arduino λειτουργεί με τροφοδοσία 5V, και όλες οι εξόδους του έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν 5V ως λογικό σήμα υψηλής τροφοδοσίας. Αν και αυτό το 5V μπορεί να έχει τη δυνατότητα ενεργοποίησης ενός MOSFET, μπορεί να οδηγήσει σε αναποτελεσματική εναλλαγή των συσκευών και προβλήματα θέρμανσης.

Για αποτελεσματική εναλλαγή MOSFET και για να μετατρέψετε την έξοδο 5V από το Arduino σε σήμα 12V, θα μπορούσε να διαμορφωθεί ένα ενδιάμεσο στάδιο buffer όπως φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα:

Στο σχήμα, το MOSFET μπορεί να διαμορφωθεί με μερικά στάδια buffer BJT που επιτρέπει στο MOSFET να χρησιμοποιεί το 12V από την τροφοδοσία και να ενεργοποιήσει το ίδιο και το φορτίο αποτελεσματικά.

Δύο BJT χρησιμοποιούνται εδώ, καθώς ένα μόνο BJT θα προκαλούσε το MOSFET να κάνει αντίθετη αντίδραση σε κάθε θετικό σήμα Arduino.

Ας υποθέσουμε ότι χρησιμοποιείται ένα BJT, τότε ενώ το BJT είναι ON με θετικό σήμα Arduino, το mosfet θα απενεργοποιηθεί, καθώς η πύλη του θα γειωθεί από τον συλλέκτη BJT και το φορτίο θα ενεργοποιηθεί ενώ το Arduino είναι OFF.

Βασικά, ένα BJT θα αντιστρέψει το σήμα Arduino για την πύλη mosfet με αποτέλεσμα μια αντίθετη απόκριση μεταγωγής.

Για τη διόρθωση αυτής της κατάστασης, χρησιμοποιούνται δύο BJT, έτσι ώστε το δεύτερο BJT να αντιστρέφει την απόκριση πίσω και επιτρέπει στο mosfet να ενεργοποιείται για κάθε θετικό σήμα μόνο από το Arduino.

Τελικές σκέψεις

Μέχρι τώρα θα πρέπει να έχετε κατανοήσει πλήρως τη σωστή μέθοδο σύνδεσης BJTs και mosfets με έναν μικροελεγκτή ή ένα Arduino.

Ίσως έχετε παρατηρήσει ότι χρησιμοποιήσαμε ως επί το πλείστον NPN BJTs και N-channel mosfets για τις ενσωματώσεις και αποφύγαμε τη χρήση συσκευών PNP και P-channel. Αυτό συμβαίνει επειδή οι εκδόσεις NPN λειτουργούν ιδανικά σαν διακόπτης και είναι εύκολο να κατανοηθεί κατά τη διαμόρφωση.

Είναι σαν να οδηγείς ένα αυτοκίνητο κανονικά προς τα εμπρός, παρά να κοιτάς πίσω και να το οδηγείς στην αντίστροφη ταχύτητα. Και με τους δύο τρόπους το αυτοκίνητο θα μπορούσε να λειτουργήσει και να κινείται, αλλά η οδήγηση με την όπισθεν είναι πολύ αναποτελεσματική και δεν έχει νόημα. Η ίδια αναλογία ισχύει εδώ και η χρήση συσκευών NPN ή N-channel γίνεται καλύτερη προτίμηση σε σύγκριση με τα mospets καναλιών PNP ή P.

Εάν έχετε οποιεσδήποτε αμφιβολίες ή αν νομίζετε ότι μπορεί να μου έλειπε κάτι εδώ, χρησιμοποιήστε το παρακάτω πλαίσιο σχολίων για περαιτέρω συζήτηση.