Kaip prijungti tranzistorius (BJT) ir MOSFET su „Arduino“

Maitinimo įrenginių, tokių kaip BJT ir MOSFET, sąsaja su „Arduino“ išvestimi yra labai svarbi konfigūracija, leidžianti perjungti didelę energijos apkrovą per mažus „Arduino“ išėjimus.

Šiame straipsnyje mes išsamiai aptariame teisingus tranzistorių, tokių kaip BJT ir „mosfets“, naudojimo ar prijungimo prie bet kokio mikrovaldiklio ar „Arduino“ metodus.

Tokie etapai taip pat vadinami „Lygio perjungiklis“ nes šiame etape atitinkamo išėjimo parametro įtampos lygis pasikeičia iš žemesnio į aukštesnį. Pavyzdžiui, čia lygio perėjimas įgyvendinamas iš „Arduino“ 5 V išėjimo į MOSFET 12 V išėjimą pasirinktai 12 V apkrovai.

Nesvarbu, ar jūsų „Arduino“ yra gerai užprogramuotas ar užkoduotas, jei jis nėra tinkamai integruotas su tranzistoriumi ar išorine aparatūra, tai gali sukelti neefektyvų sistemos veikimą ar net sistemos komponentų sugadinimą.

Todėl tampa nepaprastai svarbu suprasti ir išmokti teisingus išorinių aktyviųjų komponentų, tokių kaip „mosfets“ ir „BJT“, naudojimą su mikrovaldikliu, kad galutinis rezultatas būtų efektyvus, sklandus ir efektyvus.

Prieš aptariant tranzistorių sąveikos metodus su „Arduino“, būtų naudinga sužinoti pagrindines BJT ir „mosfets“ savybes ir veikimą.

Elektrinės tranzistorių charakteristikos (bipolinės)

BJT reiškia bipolinį jungties tranzistorių.

Pagrindinė BJT funkcija yra įjungti pritvirtintą apkrovą, reaguojant į išorinį įtampos paleidiklį. Manoma, kad apkrova yra daugiausia sunkesnė, palyginti su įvesties paleidikliu.

Taigi pagrindinė BJT funkcija yra įjungti didesnę srovės apkrovą, reaguojant į mažesnį srovės įvesties paleidiklį.

Techniškai tai taip pat vadinama tranzistoriaus poslinkis , kuris reiškia srovės ir įtampos naudojimą tranzistoriaus valdymui pagal numatytą funkciją, ir šis poslinkis turi būti atliekamas optimaliausiai.

BJT turi 3 laidus arba 3 kaiščius, būtent pagrindą, spinduolį, kolektorių.

Pagrindo kaištis naudojamas maitinti išorinį įėjimo gaiduką mažos įtampos ir srovės pavidalu.

Emiterio kaištis visada yra prijungtas prie žemės arba neigiamos maitinimo linijos.

Kolektoriaus kaištis yra prijungtas prie apkrovos per teigiamą maitinimą.

BJT galima rasti su dviejų tipų poliškumais - NPN ir PNP. Pagrindinė kaiščių konfigūracija tiek NPN, tiek PNP yra tokia pati, kaip paaiškinta aukščiau, išskyrus nuolatinės srovės maitinimo poliškumą, kuris tampa priešingas.

The buvo galima suprasti BJT iškyšas per šį vaizdą:

Aukščiau esančiame paveikslėlyje galime pamatyti pagrindinę NPN ir PNP tranzistorių (BJT) kištukų konfigūraciją. NPN atveju spinduolis tampa įžeminimo linija ir yra sujungtas su neigiamu maitinimo šaltiniu.

Paprastai, kai nuolatinės srovės grandinėje naudojamas žodis „žemė“, mes manome, kad tai neigiama maitinimo linija.
Tačiau tranzistoriui įžeminimo linija, susijusi su emiteriu, yra susijusi su jo pagrindu ir kolektoriaus įtampa, o emiterio „žemė“ nebūtinai reiškia neigiamą maitinimo liniją.

Taip, NPN BJT žemė gali būti neigiama tiekimo linija, tačiau PNP tranzistorius „žemė“ visada yra teigiama tiekimo linija, kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje.

Abiejų BJT įjungimo / išjungimo funkcija iš esmės yra ta pati, tačiau poliškumas keičiasi.

Kadangi BJT spinduolis yra srovės, išeinančios per ir iš pagrindo, bei kolektoriaus „išėjimo“ kanalas, jis turi būti „įžemintas“ prie maitinimo linijos, kuri turėtų būti priešinga įtampai, naudojamai pagrindo / kolektoriaus įėjimuose. Priešingu atveju grandinė nebus baigta.

„NPN BJT“ atveju pagrindas ir kolektoriaus įėjimai yra susieti su teigiamu paleidikliu arba perjungimo įtampa, todėl spinduolis turi būti susietas su neigiama linija.

Tai užtikrina, kad teigiama įtampa, patenkanti į pagrindą ir kolektorių, per emitterį galėtų pasiekti neigiamą liniją ir užbaigti grandinę.

PNP BJT atveju pagrindas ir kolektorius yra susieti su neigiama įtampa, todėl natūraliai PNP spinduolis turi būti susietas su teigiama linija, kad teigiamas šaltinis galėtų patekti per emiterį ir užbaigti savo kelionę nuo pagrindo ir kolektoriaus kaiščiai.

Atkreipkite dėmesį, kad NPN srovės srautas yra nuo pagrindo / kolektoriaus link emiterio, o PNP - nuo emiterio iki pagrindo / kolektoriaus.

Abiem atvejais tikslas yra įjungti kolektoriaus apkrovą per mažą įtampos įėjimą BJT pagrinde, tik tiek pasikeičia poliškumas.

Šis modeliavimas parodo pagrindinę operaciją:

Aukščiau pateiktoje simuliacijoje, vos paspaudus mygtuką, išorinė įtampos įvestis patenka į BJT pagrindą ir per emiterį pasiekia žemės liniją.

Kol taip atsitinka, kolektoriaus / spinduolio kanalas BJT viduje atsiveria ir leidžia teigiamam tiekimui iš viršaus patekti į lemputę, o pro emiterį - į žemę, įjungiant lemputę (apkrovą).

Abu perjungimai vyksta beveik vienu metu reaguojant į mygtuko paspaudimą.

Emiterio kaištis čia tampa įprastu „išėjimo“ kontaktu tiek įvesties tiekėjams (pagrindui ir kolektoriui).

Emiterio tiekimo linija tampa bendra įėjimo tiekimo paleidimo įžeminimo linija ir apkrova.

Tai reiškia, kad maitinimo linija, jungianti BJT spinduolį, taip pat turi būti griežtai sujungta su išorinio paleidimo šaltinio žeme ir apkrova.

Kodėl mes naudojame rezistorių BJT bazėje

BJT pagrindas yra skirtas dirbti su mažos galios įėjimais, todėl šis kaištis negali priimti didelių srovės įėjimų, todėl mes naudojame rezistorių, tik norėdami įsitikinti, kad į bazę negalima patekti į didelę srovę.

Pagrindinė rezistoriaus funkcija yra apriboti srovę iki teisingos nurodytos vertės, kaip nurodyta apkrovos specifikacijose.

Atkreipkite dėmesį kad BJT atveju šis rezistorius turi būti matuojamas pagal kolektoriaus šoninės apkrovos srovę.

Kodėl?

Kadangi BJT yra nuo srovės priklausantys „jungikliai“.

Reiškia, bazinę srovę reikia padidinti arba sumažinti, arba pakoreguoti pagal apkrovos srovės specifikacijas kolektoriaus pusėje.

Bet reikalinga perjungimo įtampa BJT pagrinde gali būti vos 0,6 V arba 0,7 V. Tai reiškia, kad BJT kolektoriaus apkrova gali būti įjungta esant mažiausiai 1 V įtampai BJT bazėje / spinduolyje.
Štai pagrindinė bazinio rezistoriaus apskaičiavimo formulė:

R = (Us - 0,6) Hfe / apkrovos srovė,

Kur R = tranzistoriaus bazinis rezistorius,

Us = pagrindo rezistoriaus šaltinis arba įjungimo įtampa,

Hfe = tranzistoriaus srovės stipris į priekį (galima rasti BJT duomenų lape).

Nors formulė atrodo tvarkinga, nebūtina visada taip tiksliai sukonfigūruoti pagrindinį rezistorių.

Tiesiog todėl, kad BJT pagrindinės specifikacijos turi platų tolerancijos diapazoną ir gali lengvai toleruoti didelius rezistoriaus verčių skirtumus.

Pavyzdžiui, prijungti relę turėdamas 30mA ritės varžą, formulė gali suteikti BC547 rezistoriaus vertę 56K, esant 12 V maitinimo įėjimui ... bet aš paprastai norėčiau naudoti 10K, ir tai veikia nepriekaištingai.

Tačiau, jei nesilaikote optimalių taisyklių, rezultatai gali būti kažkas blogo, ar ne?

Techniškai tai yra prasminga, tačiau vėlgi nuostolis yra toks mažas, palyginti su pastangomis, išleistomis skaičiavimams, todėl jo galima nepaisyti.

Pavyzdžiui, naudojant 10K, o ne 56K, tranzistorius gali priversti dirbti su šiek tiek didesne bazine srove, todėl jis gali šiek tiek labiau sušilti, gali būti pora laipsnių didesnis ... o tai visai nesvarbu.

Kaip prijungti BJT su „Arduino“

Gerai, dabar pereikime prie faktinio taško.

Kadangi mes iki šiol visapusiškai sužinojome, kaip BJT turi būti šališkas ir sukonfigūruotas visuose 3 kištukuose, galime greitai suprasti detales, susijusias su jo sąsaja su bet kuriuo mikrovaldikliu, pvz., „Arduino“.

Pagrindinis BJT sujungimo su „Arduino“ tikslas paprastai yra įjungti apkrovą ar tam tikrus parametrus kolektoriaus pusėje, atsižvelgiant į užprogramuotą išėjimą iš vieno iš „Arduino“ išvesties kaiščių.

Manoma, kad BJT pagrindo kaiščio paleidimo įvestis turėtų būti gaunama iš „Arduino“. Tai reiškia, kad pagrindinio rezistoriaus galą tiesiog reikia pritvirtinti su atitinkama „Arduino“ išvestimi, o BJT kolektorių su apkrova ar bet kuriuo numatomu išoriniu parametru.

Kadangi efektyviam perjungimui BJT reikia vos nuo 0,7 V iki 1 V, 5 V iš „Arduino“ išvesties kaiščio tampa visiškai tinkamas važiuoti BJT ir naudoti pagrįstą apkrovą.
Konfigūracijos pavyzdys gali būti šis vaizdas:

Šiame paveikslėlyje galime pamatyti, kaip užprogramuotas „Arduino“ naudojamas valdant nedidelę apkrovą relės pavidalu per BJT tvarkyklės etapą. Relės ritė tampa kolektoriaus apkrova, o signalas iš pasirinkto „Arduino“ išvesties kaiščio veikia kaip įvesties perjungimo signalas BJT bazei.

Nors relė tampa geriausia didelių apkrovų eksploatavimo galimybe per tranzistoriaus tvarkyklę, kai mechaninis perjungimas tampa nepageidaujamu veiksniu, BJT atnaujinimas tampa geresniu pasirinkimu veikiant didelėms nuolatinėms nuolatinėms apkrovoms, kaip parodyta žemiau.

Aukščiau pateiktame pavyzdyje galima pamatyti Darlingtono tranzistorių tinklą, sukonfigūruotą valdyti nurodytą didelę 100 vatų apkrovą, nepriklausomai nuo relės. Tai leidžia sklandžiai perjungti šviesos diodą be minimalių trikdžių, užtikrinant ilgą visų parametrų eksploatavimo laiką.

Dabar eikime toliau ir pažiūrėkime, kaip galima konfigūruoti mosfetus naudojant „Arduino“

Elektrinės MOSFET charakteristikos

„Mosfet“ su „Arduino“ naudojimo tikslas paprastai yra panašus į BJT, kaip aptarta aukščiau.

Tačiau kadangi paprastai Sukurtos MOSFET Norint efektyviai valdyti didesnes srovės specifikacijas, palyginti su BJT, jie dažniausiai naudojami perjungiant didelę galios apkrovą.

Prieš suvokiant „mosfet“ sąsają su „Arduino“, būtų įdomu sužinoti pagrindinius dalykus skirtumas tarp BJT ir mosfets

Ankstesnėje diskusijoje mes tai supratome BJT yra nuo srovės priklausantys įrenginiai , nes jų bazinė perjungimo srovė priklauso nuo kolektoriaus apkrovos srovės. Didesnėms apkrovos srovėms reikės didesnės bazinės srovės ir atvirkščiai.

„Mosfets“ tai netiesa, kitaip tariant, „mosfets gate“, kuris yra lygiavertis BJT bazei, norint įjungti, reikalinga minimali srovė, neatsižvelgiant į nutekėjimo srovę („mosfet“ nutekėjimo kaištis prilygsta BJT kolektoriaus kaiščiui).

Tai pasakius, nors srovė nėra lemiamas veiksnys norint perjungti „mosfet“ vartus, įtampa yra.

Todėl „mosfets“ yra laikomi nuo įtampos priklausančiais įtaisais

Minimali įtampa, reikalinga norint sukurti sveiką „mosfet“ šališkumą, yra 5 V arba 9 V, o 12 V yra optimaliausias diapazonas, norint visiškai įjungti „mosfet“.

Todėl galime daryti prielaidą, kad norint įjungti „mosfet“ ir apkrovą per jo nutekėjimą, norint pasiekti optimalų rezultatą, per jo vartus galima naudoti 10 V maitinimo šaltinį.

Lygiaverčiai „Mosfets“ ir „BJT“ kaiščiai

Šiame paveikslėlyje parodyti papildantys mosfetų ir BJT kaiščiai.

Bazė atitinka „Gate-Collector“ atitinka „Drain-Emitter“ atitinka „Source“.

Koks rezistorius turėtų būti naudojamas „Mosfet Gate“

Iš mūsų ankstesnių vadovėlių supratome, kad BJT pagrindo rezistorius yra labai svarbus, be kurio BJT gali iškart sugadinti.

MOSFET tai gali būti ne taip aktualu, nes jų vartuose esančių srovės skirtumų neveikia MOSFET, o didesnė įtampa gali būti laikoma pavojinga. Paprastai viskas, kas viršija 20 V, gali būti bloga MOSFET vartams, tačiau srovė gali būti nereikšminga.

Dėl to rezistorius prie vartų nėra svarbus, nes rezistoriai naudojami ribojant srovę, o „mosfet“ vartai nėra priklausomi nuo srovės.

Be to, MOSFET yra labai pažeidžiami staigių šuolių ir trumpalaikių pokyčių jų vartuose, palyginti su BJT.

Dėl šios priežasties prie MOSFET vartų pirmenybė teikiama mažos vertės rezistoriui, kad būtų užtikrinta, jog staigus įtampos šuolis negalėtų praeiti pro MOSFET vartus ir išardyti juos viduje.

Paprastai bet koks rezistorius tarp 10 ir 50 omų gali būti naudojami prie MOSFET vartų apsaugant jų vartus nuo netikėtų įtampos šuolių.

MOSFET sąsaja su „Arduino“

Kaip paaiškinta ankstesnėje pastraipoje, norint tinkamai įjungti, „mosfet“ reikės maždaug nuo 10 V iki 12 V, tačiau kadangi „Arduinos“ dirba su 5 V, jo išvesties negalima tiesiogiai sukonfigūruoti naudojant „mosfet“.

Kadangi „Arduino“ veikia su 5 V maitinimo šaltiniu ir visi jo išėjimai yra skirti gaminti 5 V, kaip loginį aukštą tiekimo signalą. Nors šis 5V gali turėti galimybę įjungti MOSFET, tai gali lemti neefektyvų prietaisų perjungimą ir kaitinimo problemas.

Norint efektyviai perjungti MOSFET ir transformuoti 5 V išvestį iš „Arduino“ į 12 V signalą, galima sukonfigūruoti tarpinį buferio etapą, kaip parodyta šiame paveikslėlyje:

Paveikslėlyje galima pamatyti, kad MOSFET yra sukonfigūruotas su keliais BJT buferio etapais, kurie leidžia MOSFET naudoti 12 V įtampą iš maitinimo šaltinio ir efektyviai įjungti save bei apkrovą.

Čia naudojami du BJT, nes vienas BJT paskatintų MOSFET veikti priešingai, reaguojant į kiekvieną teigiamą „Arduino“ signalą.

Tarkime, kad naudojamas vienas BJT, tada, kai BJT yra įjungtas, kai teigiamas „Arduino“ signalas, „mosfet“ bus išjungtas, nes jo vartus įžemins BJT kolektorius, o apkrova būtų įjungta, kai „Arduino“ yra išjungtas.

Iš esmės vienas BJT apvers „Mosfet“ vartų „Arduino“ signalą, sukeldamas priešingą perjungimo atsaką.

Norėdami ištaisyti šią situaciją, naudojami du BJT, kad antrasis BJT pakeistų atsaką atgal ir leistų „mosfet“ įjungti kiekvieną teigiamą signalą tik iš „Arduino“.

Paskutinės mintys

Dabar jau turėtumėte visapusiškai suprasti teisingą BJT ir „mosfets“ sujungimo su mikrovaldikliu ar „Arduino“ metodą.

Galbūt pastebėjote, kad integravimui dažniausiai naudojome NPN BJT ir N kanalų mosfetus ir vengėme naudoti PNP ir P kanalų įrenginius. Taip yra todėl, kad NPN versijos idealiai veikia kaip jungiklis ir jas lengva suprasti konfigūruojant.

Tai panašu į tai, kad paprastai važiuoji automobiliu į priekį, o ne žiūri iš paskos ir važiuoji atbuline pavara. Abiem būdais automobilis veiktų ir judėtų, tačiau važiuoti atbuline pavara yra daug neefektyvu ir nėra prasmės. Ta pati analogija galioja ir čia, o NPN ar N kanalų įrenginių naudojimas tampa geresniu pasirinkimu, lyginant su PNP ar P kanalų mosfetais.

Jei turite kokių nors abejonių arba manote, kad čia galėjau ką nors praleisti, naudokite toliau pateiktą komentarų laukelį tolesnėms diskusijoms.