Како повезати транзисторе (БЈТ) и МОСФЕТ са Ардуином

Повезивање уређаја напајања попут БЈТ-а и МОСФЕТ-а са Ардуино излазом је пресудна конфигурација која омогућава пребацивање оптерећења велике снаге кроз излазе Ардуиноа мале снаге.

У овом чланку детаљно расправљамо о исправним методама употребе или повезивања транзистора попут БЈТ-а и МОСФЕТ-а са било којим микроконтролером или Ардуином.

Такве фазе се такође називају 'Левел Схифтер' јер овај степен мења ниво напона из доње у вишу тачку за одговарајући излазни параметар. На пример, овде се примењује померање нивоа са Ардуино 5В излаза на МОСФЕТ 12В излаз за изабрано оптерећење од 12В.

Без обзира колико добро програмиран или кодиран ваш Ардуино, ако није правилно интегрисан са транзистором или спољним хардвером, може довести до неефикасног рада система или чак оштећења компонената укључених у систем.

Због тога постаје изузетно важно разумети и научити праве методе коришћења спољних активних компоненти као што су МОСФЕТ-ови и БЈТ-ови са микроконтролером, тако да крајњи исход буде ефикасан, гладак и ефикасан.

Пре него што разговарамо о методама повезивања транзистора са Ардуином, било би корисно научити основне карактеристике и рад БЈТ-ова и МОСФЕТ-а.

Електричне карактеристике транзистора (биполарни)

БЈТ је скраћеница за биполарни спојни транзистор.

Основна функција БЈТ је да укључи прикључено оптерећење као одговор на спољни окидач напона. Оптерећење би требало да буде углавном веће струје у односу на улазни окидач.

Дакле, основна функција БЈТ је да укључи веће струјно оптерећење као одговор на нижи улазни окидач.

Технички се ово такође назива пристрасност транзистора , што значи коришћење струје и напона за управљање транзистором за предвиђену функцију, а ово одступање мора бити изведено на најоптималнији начин.

БЈТ имају 3 одвода или 3 пина, и то базу, емитер, колектор.

Основни клин се користи за напајање спољног улазног окидача, у облику малог напона и струје.

Осовински емитер је увек повезан са земљом или негативном линијом напајања.

Колекторски затик је повезан са оптерећењем преко позитивног напајања.

БЈТ се могу наћи са две врсте поларитета, НПН и ПНП. Основна конфигурација пина је иста и за НПН и за ПНП како је горе објашњено, осим поларитета напајања једносмерном струјом који постаје управо супротан.

Тхе могли се разумети пиноути БЈТ-а кроз следећу слику:

На горњој слици можемо видети основну пиноут конфигурацију НПН и ПНП транзистора (БЈТ). За НПН емитер постаје уземљење и повезан је са негативним напајањем.

Обично када се реч „уземљење“ користи у једносмерном колу, претпостављамо да је то негативни вод напајања.
Међутим, за транзистор линија уземљења повезана са емитором односи се на његову базу и напоне колектора, а емитер 'уземљење' не мора нужно значити негативни вод напајања.

Да, за НПН БЈТ тло би могло бити негативна линија напајања, али за ПНП транзистор „тло“ се увек односи на позитивну линију снабдевања, као што је приказано на горњој слици.

Функција укључивања / искључивања оба БЈТ-а је у основи иста, али се поларитет мења.

Будући да је емитер БЈТ „излазни“ пролаз за струју која улази кроз и кроз базу и колектор, он мора бити „уземљен“ на доводни вод који би требао бити супротан напону који се користи на улазима базе / колектора. У супротном круг се неће завршити.

За НПН БЈТ, улази базе и колектора повезани су са позитивним окидачем или преклопним напоном, стога се емитер мора односити на негативну линију.

Ово осигурава да позитивни напони који улазе у базу и колектор могу кроз емитер доћи до негативне линије и довршити коло.

За ПНП БЈТ, база и колектор су повезани са улазом негативног напона, стога се природно емитер ПНП-а мора односити на позитивну линију, тако да позитивно напајање може ући кроз емитер и завршити пут од базе и игле колектора.

Имајте на уму да проток струје за НПН иде од базе / колектора према емитеру, док је за ПНП проток од емитора према бази / колектору.

У оба случаја, циљ је укључити колекторско оптерећење кроз мали напон на дну БЈТ-а, само се поларитет мења и то је све.

Следећа симулација приказује основну операцију:

У горњој симулацији, чим се притисне дугме, спољни улаз напона улази у базу БЈТ-а и преко емитора долази до уземљења.

Док се то догађа, пролаз колектора / емитора унутар БЈТ се отвара и омогућава позитивном напајању од врха да уђе у сијалицу и прође кроз емитер на земљу, УКЉУЧУЈУЋИ жаруљу (оптерећење).

Оба пребацивања се дешавају готово истовремено као одговор на притискање тастера.

Пин емитора овде постаје уобичајени „излазни“ пиноут за оба улаза (базу и колектор).

А опскрбни вод емитора постаје уобичајени уземљени вод окидача улазног напајања, а такође и оптерећења.

Што значи да доводни вод који се повезује са БЈТ емитером мора такође бити строго повезан са масом спољног извора окидача и оптерећењем.

Зашто користимо отпорник у основи БЈТ-а

База БЈТ-а је дизајнирана за рад са улазима мале снаге и овај пин не може да прими велике струјне улазе, те стога користимо отпорник, само да бисмо били сигурни да у базу не сме да уђе велика струја.

Основна функција отпорника је ограничавање струје на тачно одређену вредност, према спецификацији оптерећења.

Молим обратите пажњу да за БЈТ овај отпорник мора бити димензионисан према струји оптерећења бочне стране колектора.

Зашто?

Будући да су БЈТ тренутно зависни „прекидачи“.

Значи, основну струју треба повећати или смањити или прилагодити у складу са спецификацијама струје оптерећења на страни колектора.

Али прекидачки напон потребан у основи БЈТ-а може бити само 0,6 В или 0,7 В. Значи, оптерећење колектора БЈТ могло би се укључити напоном од 1В на бази / емитеру БЈТ-а.
Ево основне формуле за израчунавање основног отпорника:

Р = (Ус - 0,6) Хфе / струја оптерећења,

Где је Р = основни отпорник транзистора,

Ус = Извор или напон окидача на основном отпору,

Хфе = Напонско појачање транзистора (може се наћи из техничког листа БЈТ).

Иако формула изгледа уредно, није апсолутно неопходно увек тако прецизно конфигурисати основни отпорник.

То је једноставно зато што БЈТ основне спецификације имају широк опсег толеранције и могу лако толерисати велике разлике у вредностима отпорника.

На пример, за повезивање релеја са отпором завојнице од 30 мА, формула може отприлике пружити вредност отпорника од 56К за БЦ547 на 12В улазу .... али обично више волим да користим 10К и то делује беспрекорно.

Међутим, ако се не придржавате оптималних правила, могло би бити и нечег лошег у резултатима, зар не?

Технички то има смисла, али опет је губитак тако мали у поређењу са напором утрошеним за прорачуне, да се може занемарити.

На пример, употреба 10К уместо 56К може приморати транзистор да ради са мало већом базном струјом, што доводи до тога да се мало више загреје, може бити неколико степени више ... што уопште није важно.

Како повезати БЈТ са Ардуином

ОК, хајде да сада пређемо на стварну ствар.

Будући да смо до сада свеобухватно научили како БЈТ треба да буде пристрасан и конфигурисан преко његова 3 извода, можемо брзо да схватимо детаље у вези са његовим међусобним повезивањем са било којим микроконтролером као што је Ардуино.

Главна сврха повезивања БЈТ-а са Ардуином је обично УКЉУЧИВАЊЕ оптерећења или неког параметра на страни колектора, као одговор на програмирани излаз са једног од Ардуино излазних пинова.

Овде би улаз окидача за основни пин БЈТ требало да долази из Ардуина. То значи да крај основног отпорника једноставно треба причврстити одговарајућим излазом из Ардуина, а колектор БЈТ са оптерећењем или било којим предвиђеним спољним параметром.

Будући да БЈТ захтева једва 0.7В до 1В за ефикасно пребацивање, 5В од Ардуино излазног пина постаје савршено адекватно за вожњу БЈТ-а и руковање разумним оптерећењима.
Пример конфигурације може се видети на следећој слици:

На овој слици можемо видети како се програмирани Ардуино користи за управљање малим оптерећењем у облику релеја преко БЈТ фазе драјвера. Завојница релеја постаје колекторско оптерећење, док сигнал са изабраног Ардуино излазног пина делује као улазни сигнал пребацивања за БЈТ базу.

Иако релеј постаје најбоља опција за управљање тешким оптерећењима преко транзисторског драјвера, када механичко пребацивање постане нежељени фактор, надоградња БЈТ-а постаје бољи избор за рад истосмјерних оптерећења велике струје, као што је приказано у наставку.

У горњем примеру може се видети Дарлингтонова транзисторска мрежа, конфигурисана за руковање назначеним великим струјним оптерећењем од 100 вати, без зависности од релеја. То омогућава бешавно пребацивање ЛЕД диоде уз минималне сметње, обезбеђујући дуг радни век свих параметара.

Сада наставимо даље и видећемо како МОСФЕТ-ови могу бити конфигурисани са Ардуином

Електричне карактеристике МОСФЕТ-а

Сврха употребе МОСФЕТ-а са Ардуином је обично слична оној код БЈТ-а, као што је горе речено.

Међутим, пошто нормално МОСФЕТ-ови су дизајнирани за ефикасно руковање спецификацијама веће струје у поређењу са БЈТ-овима, оне се углавном користе за пребацивање оптерећења велике снаге.

Пре него што схватимо међусобно повезивање мосфет-а са Ардуином, било би занимљиво знати основно разлика између БЈТ и МОСФЕТ-а

У нашој претходној дискусији смо то разумели БЈТ-ови су тренутно зависни уређаји , јер њихова основна преклопна струја зависи од струје оптерећења колектора. Веће струје оптерећења захтеваће већу основну струју и обрнуто.

За МОСФЕТ-ове ово није тачно, другим речима, МОСФЕТ врата која су еквивалентна бази БЈТ, захтевају минималну струју за УКЉУЧЕЊЕ, без обзира на одводну струју (одводни пин МОСФЕТ-а еквивалентан је колекторском затичу БЈТ-а).

Рекавши ово, иако струја није одлучујући фактор за пребацивање МОСФЕТ капија, напон је.

Стога се мосфет-ови сматрају уређајима који зависе од напона

Минимални напон потребан за стварање здраве пристраности за мосфет је 5В или 9В, 12в је најоптималнији опсег за потпуно укључивање мосфет-а.

Стога можемо претпоставити да се за укључивање мосфет-а и оптерећења преко његовог одвода може користити напајање од 10 В преко његове капије за оптималан исход.

Еквивалентне игле Мосфета и БЈТ-а

Следећа слика приказује допуњујуће игле МОСФЕТ-а и БЈТ-ова.

База одговара Гате-Цоллецтор одговара Драин-Емиттер одговара Соурце.

Који отпорник треба користити за Мосфет капију

Из наших ранијих водича схватили смо да је отпор у основи БЈТ пресудан, без чега БЈТ може тренутно да се оштети.

За МОСФЕТ ово можда није толико релевантно, јер на МОСФЕТ-ове не утичу разлике у струји на њиховим капијама, већ би се већи напон могао сматрати опасним. Типично све изнад 20В може бити лоше за МОСФЕТ капију, али струја може бити безначајна.

Због тога отпорник на капији није релевантан јер се отпорници користе за ограничавање струје, а мосфет капија не зависи од струје.

То је рекао, МОСФЕТ-ови јесу изузетно рањив на нагле скокове и пролазне појаве пред њиховим вратима, у поређењу са БЈТ-има.

Из тог разлога се на вратима МОСФЕТ-ова углавном даје предност отпору мале вредности, само да би се осигурало да ниједан нагли скок напона не може проћи кроз МОСФЕТ капију и раздвојити га изнутра.

Типично било који отпорник између 10 и 50 ома могу се користити на МОСФЕТ капијама за заштиту њихових капија од неочекиваних скокова напона.

Повезивање МОСФЕТ-а са Ардуином

Као што је објашњено у горњем пасусу, мосфет-у ће требати око 10В до 12В за правилно укључивање, али с обзиром да Ардуинос ради са 5В, његов излаз не може бити директно конфигурисан са МОСФЕТ-ом.

Будући да Ардуино ради са напајањем од 5 В, и сви његови излази су дизајнирани да производе 5 В као логички сигнал високог напајања. Иако овај 5В може имати могућност да укључи МОСФЕТ, то може довести до неефикасног укључивања уређаја и проблема са загревањем.

За ефикасно пребацивање МОСФЕТ-а и за трансформисање 5В излаза из Ардуина у сигнал од 12В, међуфазни ступањ међуспремника може бити конфигурисан као што је приказано на следећој слици:

На слици се види МОСФЕТ конфигурисан са неколико БЈТ међуспремника, што омогућава МОСФЕТ-у да користи 12В из напајања и ефикасно укључи себе и оптерећење.

Овде се користе два БЈТ-а, јер би један БЈТ проузроковао да се МОСФЕТ понаша супротно као одговор на сваки позитиван Ардуино сигнал.

Претпоставимо да се користи један БЈТ, а онда док је БЈТ УКЉУЧЕН са позитивним Ардуино сигналом, мосфет би био искључен, јер би његова капија била уземљена од БЈТ колектора, а оптерећење би било укључено док је Ардуино ИСКЉУЧЕН.

У основи, један БЈТ би инвертовао Ардуино сигнал за мосфет капију што би резултирало супротним прекидачким одзивом.

Да би се исправила ова ситуација, користе се два БЈТ-а, тако да други БЈТ обрће одговор натраг и омогућава МОСФЕТ-у да се УКЉУЧИ за све позитивне сигнале само са Ардуина.

Последње мисли

До сада сте требали свеобухватно разумети исправан метод повезивања БЈТ-ова и МОСФЕТ-а са микроконтролером или Ардуином.

Можда сте приметили да смо за интеграције углавном користили НПН БЈТ-ове и М-канале Н-канала, а избегавали смо употребу уређаја ПНП и П-канала. То је зато што НПН верзије раде идеално попут прекидача и лако их је схватити током конфигурисања.

То је као да нормално возите аутомобил у правцу вожње, уместо да гледате позади и возите га у назад. У оба начина аутомобил би радио и кретао се, али вожња у степену за вожњу уназад је много неефикасна и нема смисла. Иста аналогија се примењује и овде, а коришћење НПН или Н-каналних уређаја постаје боља предност у поређењу са МНС-ом ПНП или П-канала.

Ако сумњате или мислите да сам овде можда нешто пропустио, користите поље за коментар испод за даљу дискусију.