A tranzisztorok (BJT) és a MOSFET összekapcsolása az Arduinóval

A tápegységek, például a BJT-k és a MOSFET-ek Arduino kimenettel történő összekapcsolása kulcsfontosságú konfiguráció, amely lehetővé teszi a nagy teljesítményű terhelések átkapcsolását az Arduino alacsony teljesítményű kimenetein keresztül.

Ebben a cikkben részletesen megvitatjuk a tranzisztorok, például a BJT-k és a mosfetek bármely mikrovezérlővel vagy Arduino-val történő használatának vagy csatlakoztatásának helyes módszereit.

Az ilyen szakaszokat úgy is nevezik 'Level Shifter' mert ez a szakasz megváltoztatja a feszültségszintet egy alacsonyabb pontról egy magasabbra az adott kimeneti paraméternél. Például itt a szinteltolást hajtják végre az Arduino 5V kimenetről a MOSFET 12V kimenetre a kiválasztott 12V terheléshez.

Bármilyen jól programozott vagy kódolt is lehet az Arduino, ha nincs megfelelően integrálva egy tranzisztorral vagy egy külső hardverrel, a rendszer nem hatékony működéséhez vagy akár a rendszerben részt vevő alkatrészek károsodásához vezethet.

Ezért rendkívül fontos megérteni és megtanulni a külső aktív komponensek, például a mosfets és a BJT mikrokontrollerrel történő használatának helyes módszereit, hogy a végeredmény hatékony, sima és eredményes legyen.

Mielőtt megvitatnánk a tranzisztorok interfész-módszereit az Arduinóval, hasznos lenne megismerni a BJT-k és a mosfetek alapvető jellemzőit és működését.

Tranzisztorok elektromos jellemzői (bipoláris)

A BJT a bipoláris kereszteződésű tranzisztort jelenti.

A BJT alapvető funkciója egy csatlakoztatott terhelés bekapcsolása egy külső feszültségindítóra reagálva. A terhelés állítólag többnyire nagyobb az áramban, mint a bemeneti kiváltó tényező.

Így a BJT alapvető funkciója az, hogy nagyobb áramterhelést kapcsoljon be, válaszul egy alacsonyabb áram bemeneti triggerre.

Technikailag ezt is hívják a tranzisztor torzítása , ami azt jelenti, hogy áramot és feszültséget kell használni a tranzisztor működtetéséhez egy tervezett funkcióhoz, és ezt az előfeszítést a legoptimálisabb módon kell végrehajtani.

A BJT-k 3 vezetékkel vagy 3 érintkezõvel rendelkeznek, nevezetesen alap, emitter, kollektor.

Az alapcsapot a külső bemeneti ravaszt táplálják, kis feszültség és áram formájában.

Az emitter csap mindig a földhöz vagy a negatív tápvezetékhez van csatlakoztatva.

A kollektor csapja a pozitív tápláláson keresztül csatlakozik a terheléshez.

A BJT-k kétféle polaritással, NPN és PNP típusúak. Az alap tűkonfiguráció az NPN és a PNP esetében is megegyezik a fentiekben leírtakkal, kivéve az egyenáramú tápellátás polaritását, amely éppen az ellenkezőjévé válik.

Az a BJT pinoutjait meg lehet érteni a következő képen keresztül:

A fenti képen láthatjuk az NPN és a PNP tranzisztorok (BJT) alapvető kivezetési konfigurációját. Az NPN esetében az emitter válik a földvezetékké, és összekapcsolódik a negatív tápellátással.

Normális esetben, amikor a „föld” szót egy egyenáramú áramkörben használják, azt feltételezzük, hogy negatív tápvezeték.
Tranzisztor esetében azonban az emitterhez tartozó földvezeték az alapjára és a kollektorfeszültségekre vonatkozik, és az emitter „földje” nem feltétlenül jelenti a negatív tápvezetéket.

Igen, egy NPN BJT esetében a talaj lehet a negatív tápvezeték, de egy PNP tranzisztor a „földre” mindig a pozitív tápvezetékre hivatkozunk, amint az a fenti ábrán látható.

Mindkét BJT be- és kikapcsolási funkciója alapvetően azonos, de a polaritás változik.

Mivel egy BJT emittere az átmenő és az aljzatba bejutó áram és a kollektor „kimeneti” folyamata, ezért azt egy tápvezetékre kell „földelni”, amelynek ellentétesnek kell lennie az alap / kollektor bemeneteknél használt feszültséggel. Ellenkező esetben az áramkör nem fejeződik be.

Az NPN BJT esetében az alap és a kollektor bemenetek pozitív kiváltó vagy kapcsolási feszültséghez vannak társítva, ezért az emittert a negatív vonalra kell utalni.

Ez biztosítja, hogy az alapba és a kollektorba bejutó pozitív feszültségek képesek legyenek az emitteren keresztül elérni a negatív vonalat és befejezni az áramkört.

A PNP BJT esetében az alap és a kollektor negatív feszültség bemenethez van kapcsolva, ezért természetesen a PNP emitterét a pozitív vonalra kell utalni, hogy a pozitív táp beléphessen az emitteren és befejezhesse útját az alapról és a gyűjtő csapok.

Ne feledje, hogy az NPN áramának áramlása a bázisról / kollektorról az emitter felé történik, míg a PNP esetében az emitterről az alap / kollektor felé.

Mindkét esetben a cél a kollektorterhelés bekapcsolása a BJT alján lévő kis feszültségbemeneten keresztül, csak a polaritás változik.

A következő szimuláció bemutatja az alapműveletet:

A fenti szimulációban, amint megnyomják a gombot, a külső feszültségbemenet belép a BJT alapjába, és az emitteren keresztül eléri a földvezetéket.

Míg ez megtörténik, a BJT belsejében lévő kollektor / emitter átjáró kinyílik, és lehetővé teszi, hogy a felülről érkező pozitív táplálás bejusson az izzóba, és az emitteren keresztül a földre kerüljön, bekapcsolva az izzót (terhelés).

Mindkét kapcsolás szinte egyszerre történik, reagálva a nyomógomb megnyomására.

Az emitter-csap itt válik a bemeneti feedek (alap és kollektor) közös 'exit' kivezetésévé.

És az emitter tápvezeték válik a bemeneti tápfeszültség és a terhelés közös földvezetékévé.

Ami azt jelenti, hogy a BJT emitterrel összekötő tápvezetéket szintén szigorúan össze kell kötni a külső triggerforrás földjével és a terheléssel.

Miért használunk egy ellenállást a BJT tövében?

A BJT alapját úgy tervezték, hogy alacsony teljesítményű bemenetekkel működjön, és ez a tű nem képes nagy áram bemeneteket befogadni, ezért ellenállást alkalmazunk, csak azért, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy nagy áram nem kerülhet az alapba.

Az ellenállás alapvető funkciója az áram korlátozása a megadott meghatározott értékre, a terhelési specifikáció szerint.

Kérjük, vegye figyelembe hogy BJT esetén ezt az ellenállást a kollektor oldali terhelési áramának megfelelően kell méretezni.

Miért?

Mivel a BJT-k áramfüggő „kapcsolók”.

Ez azt jelenti, hogy az alapáramot növelni vagy csökkenteni kell, vagy a kollektor oldalán lévő terhelési áram specifikációinak megfelelően kell beállítani.

De a BJT alján szükséges kapcsolási feszültség akár 0,6 V vagy 0,7 V is lehet. Ez azt jelenti, hogy a BJT kollektorterhelést akár 1 V feszültséggel is be lehet kapcsolni a BJT bázison / emitterén.
Itt van az alapellenállás az alapellenállás kiszámításához:

R = (Us - 0,6) Hfe / terhelési áram,

Ahol R = a tranzisztor bázisellenállása,

Us = Forrás vagy az alapellenállás kiváltó feszültsége,

Hfe = A tranzisztor előreáramló erősítése (a BJT adatlapján található).

Bár a képlet szépnek tűnik, nem feltétlenül szükséges mindig az alapellenállást ilyen pontosan beállítani.

Egyszerűen azért, mert a BJT alap specifikációk széles tűréshatárral rendelkeznek, és könnyen elviselik az ellenállás értékeinek nagy különbségeit.

Például, relét csatlakoztatni mivel a tekercs 30mA ellenállással rendelkezik, a képlet nagyjából 56K ellenállási értéket adhat a BC547 számára 12 V-os bemeneti bemenetnél .... de én általában a 10K-t használom, és hibátlanul működik.

Ha azonban nem tartja be az optimális szabályokat, akkor valami nem jó lehet az eredményekkel, igaz?

Technikailag ennek van értelme, de a veszteség ismét olyan kicsi a számításokhoz fordított erőfeszítéshez képest, elhanyagolható.

Például a 10K használata az 56K helyett arra kényszerítheti a tranzisztort, hogy valamivel több bázisárammal működjön, emiatt kissé jobban felmelegedhet, és pár fokkal magasabb lehet ... ami egyáltalán nem számít.

Hogyan lehet a BJT-t összekapcsolni az Arduinóval

OK, most térjünk a tényleges pontra.

Mivel eddig átfogóan megtanultuk, hogyan kell egy BJT-t torzítani és konfigurálni a 3 érintkezőjén keresztül, gyorsan megismerhetjük a részleteket bármilyen mikrovezérlővel, például az Arduinóval való összeköttetéssel kapcsolatban.

A BJT és az Arduino összekapcsolásának fő célja általában egy terhelés vagy valamilyen paraméter bekapcsolása a kollektor oldalán, válaszul az Arduino egyik kimeneti tüskéjének programozott kimenetére.

Itt a BJT alapcsapjának kiváltó bemenete állítólag az Arduino-ból származik. Ez azt jelenti, hogy az alapellenállás végét egyszerűen fel kell erősíteni az Arduino megfelelő kimenetével, és a BJT kollektorát a terheléssel vagy bármely tervezett külső paraméterrel.

Mivel a BJT-hez alig van szükség 0,7 V-1 V-ra a hatékony kapcsoláshoz, az Arduino kimeneti tüskéjéből származó 5 V tökéletesen megfelelővé válik a BJT meghajtásához és ésszerű terheléshez.
Konfigurációs példa a következő kép:

Ezen a képen láthatjuk, hogy egy programozott Arduino hogyan működik egy kis terhelés relé formájában a BJT driver szakaszon keresztül. A relétekercs válik a kollektorterheléssé, míg a kiválasztott Arduino kimeneti csatlakozóból érkező jel úgy működik, mint a BJT bázis bemeneti kapcsolójele.

Bár egy relé válik a legjobb megoldásként a nehéz terhelések tranzisztor meghajtón keresztül történő működtetéséhez, amikor a mechanikus kapcsolás nemkívánatos tényezővé válik, a BJT frissítése jobb választás lesz a nagyáramú egyenáramú terhelések működtetésére, amint az alább látható.

A fenti példában egy Darlington-tranzisztor hálózat látható, amely úgy van konfigurálva, hogy a jelzett nagy áram 100 wattos terhelését relé függvényében kezelje. Ez lehetővé teszi a LED zökkenőmentes kapcsolását minimális zavarással, hosszú élettartamot biztosítva az összes paraméter számára.

Most folytassuk tovább, és nézzük meg, hogyan lehet a mosfeteket konfigurálni egy Arduino-val

A MOSFET elektromos jellemzői

A mosfet Arduino-val történő használatának célja általában hasonló a BJT-hez, amint azt fentebb tárgyaltuk.

Mivel azonban rendesen A MOSFET-eket tervezték a BJT-khez képest a nagyobb áramellátási specifikációk hatékony kezeléséhez ezeket többnyire nagy teljesítményű terhelések kapcsolására használják.

Mielőtt megértenénk a mosfet és az Arduino interfészét, érdekes lenne megismerni az alapot különbség a BJT-k és a mosfets között

Korábbi megbeszélésünkön ezt megértettük A BJT-k áramfüggő eszközök , mert az alap kapcsolási áramuk a kollektor terhelési áramától függ. A nagyobb terhelési áramok nagyobb bázisáramot igényelnek, és fordítva.

A mosfets esetében ez nem igaz, más szóval a mosfets gate, amely egyenértékű a BJT bázissal, minimális áramot igényel a bekapcsoláshoz, függetlenül a lefolyó áramtól (a mosfet lefolyó csapja megegyezik a BJT kollektor csapjával).

Ennek ellenére, bár az áram nem a döntő tényező a mosfet kapu kapcsolásában, feszültség az.

Ezért a mosfeteket feszültségfüggő eszközöknek tekintik

A mosfet egészséges előfeszítésének létrehozásához szükséges minimális feszültség 5V vagy 9V, a 12v a legoptimálisabb tartomány a mosfet teljes bekapcsolásához.

Ezért feltételezhetjük, hogy a mosfet és a lefolyóba eső terhelés bekapcsolásához 10V-os áramforrás használható a kapun keresztül az optimális eredmény érdekében.

Mosfets és BJT ekvivalens csapjai

Az alábbi képen láthatóak a mosfets és a BJT kiegészítő csapjai.

A bázis megfelel a Gate-Collector-nak, a Drain-Emitter pedig a Source-nak felel meg.

Milyen ellenállást kell használni a Mosfet kapuhoz

Korábbi oktatóanyagaink alapján megértettük, hogy a BJT alján lévő ellenállás kulcsfontosságú, amely nélkül a BJT azonnal megsérülhet.

A MOSFET számára ez nem biztos, hogy annyira releváns, mert a MOSFET-ekre nincs hatással a kapuknál lévő áramkülönbségek, ehelyett egy magasabb feszültséget lehet veszélyesnek tekinteni. Jellemzően bármi, ami meghaladja a 20 V-ot, rossz lehet a MOSFET kapunál, de az áram lényegtelen lehet.

Emiatt a kapun lévő ellenállás nem releváns, mivel az ellenállásokat az áram korlátozására használják, és a mosfet kapu nem függ az áramtól.

Ennek ellenére a MOSFET-ek rendkívül sebezhető a hirtelen fellépő tüskéknek és tranzienseknek kapujukban, összehasonlítva a BJT-kkel.

Ezért a kis értékű ellenállást általában előnyben részesítik a MOSFET kapuinál, csak annak biztosítása érdekében, hogy hirtelen feszültségcsúcs ne menjen át a MOSFET kapun és belsőleg széttépje.

Jellemzően 10 és 50 ohm közötti ellenállás felhasználhatók a MOSFET kapuinál, hogy megvédjék kapujukat a váratlan feszültségtüskéktől.

A MOSFET összekapcsolása az Arduinóval

Amint azt a fenti bekezdésben kifejtettük, a mosfetnek 10 V és 12 V körül kell lennie a megfelelő bekapcsoláshoz, de mivel az Arduinos 5 V-mal dolgozik, a kimenet nem konfigurálható közvetlenül a mosfettel.

Mivel egy Arduino 5 V-os tápfeszültséggel működik, és minden kimenete úgy van kialakítva, hogy 5 V-ot állítson elő logikai magas tápjelként. Bár ez az 5V képes lehet bekapcsolni a MOSFET-et, ez az eszközök nem hatékony kapcsolását és felmelegedési problémákat eredményezhet.

A hatékony MOSFET kapcsolás és az Arduino 5 V-os kimenetének 12 V-os jellé történő átalakítása érdekében egy közbenső puffer fokozatot lehet konfigurálni a következő képen látható módon:

Az ábrán látható, hogy a MOSFET konfigurálva van néhány BJT puffer fokozattal, amely lehetővé teszi a MOSFET számára, hogy a tápegység 12 V-ját használja, és hatékonyan kapcsolja be magát és a terhelést.

Két BJT-t használnak itt, mivel egyetlen BJT miatt a MOSFET minden pozitív Arduino jelre reagálva ellentétesen viselkedik.

Tegyük fel, hogy egy BJT-t használnak, akkor amíg a BJT BE van kapcsolva pozitív Arduino jellel, a mosfet kikapcsol, mivel kapuját a BJT kollektor földeli, és a terhelést bekapcsolják, miközben az Arduino ki van kapcsolva.

Alapvetően egy BJT invertálná az Arduino jelet a mosfet kapu felé, ami ellentétes kapcsolási választ eredményezne.

A helyzet kijavításához két BJT-t használnak, így a második BJT visszafordítja a választ és lehetővé teszi, hogy a mosfet bekapcsoljon minden pozitív jelre csak az Arduino-ból.

Végső gondolatok

Mostanra átfogóan meg kellett volna értenie a BJT-k és a mosfetek mikrokontrollerrel vagy Arduino-val történő összekapcsolásának helyes módszerét.

Észrevehette, hogy az integrációkhoz többnyire NPN BJT-ket és N-csatornás mosfeteket használtunk, és kerüljük a PNP és P-csatornás eszközök használatát. Az NPN verziók ugyanis ideálisan működnek, mint egy kapcsoló, és konfigurálás közben könnyen érthetőek.

Ez olyan, mintha normálisan haladnánk egy autóval előre, ahelyett, hogy hátranéznénk, és hátramenetben vezetnénk. Mindkét módon működne és mozogna az autó, de a hátrameneti fokozatban történő vezetés sokkal kevésbé hatékony és nincs értelme. Ugyanez a hasonlóság érvényes itt is, és az NPN vagy N csatornás eszközök használata jobb preferenciává válik a PNP vagy P csatornás mosfetekhez képest.

Ha kétségei vannak, vagy ha úgy gondolja, hogy itt valamit elmulasztottam, kérjük, használja az alábbi megjegyzés mezőt a további megbeszélésekhez.