Transistoreiden (BJT) ja MOSFETin liittäminen Arduinoon

Virtalaitteiden, kuten BJT: n ja MOSFETien, liittäminen Arduino-ulostuloon on ratkaiseva kokoonpano, joka mahdollistaa suurten tehokuormien vaihtamisen Arduinon matalien teholähtöjen kautta.

Tässä artikkelissa keskustelemme yksityiskohtaisesti oikeista menetelmistä transistoreiden, kuten BJT: n ja mosfettien, käyttämiseen tai liittämiseen minkä tahansa mikro-ohjaimen tai Arduinon kanssa.

Tällaisiin vaiheisiin viitataan myös nimellä 'Tasonsiirtäjä' koska tämä vaihe muuttaa jännitetason alemmasta pisteestä korkeammaksi asiaankuuluvalle lähtöparametrille. Esimerkiksi tässä toteutetaan tasonsiirto Arduino 5V -lähdöstä MOSFET 12V -lähtöön valitulle 12V: n kuormalle.

Riippumatta siitä, kuinka hyvin Arduino on ohjelmoitu tai koodattu, ellei sitä ole integroitu oikein transistoriin tai ulkoiseen laitteistoon, se voi johtaa järjestelmän tehottomaan toimintaan tai jopa vahingoittaa järjestelmän osia.

Siksi on erittäin tärkeää ymmärtää ja oppia oikeat menetelmät ulkoisten aktiivisten komponenttien, kuten mosfettien ja BJT: n, käyttämiseksi mikrokontrollerilla, jotta lopputulos on tehokas, sujuva ja tehokas.

Ennen kuin keskustelemme transistoreiden rajapintamenetelmistä Arduinon kanssa, olisi hyödyllistä oppia BJT: n ja mosfettien perusominaisuudet ja toiminta.

Transistoreiden sähköiset ominaisuudet (kaksisuuntainen)

BJT tarkoittaa kaksisuuntaista liitostransistoria.

BJT: n perustoiminto on kytkeä kytketty kuorma päälle vasteena ulkoiselle jänniteliipaisimelle. Kuorman oletetaan olevan enimmäkseen suurempaa virrassa verrattuna tuloliipaisimeen.

Siten BJT: n perustoiminto on kytkeä päälle suurempi virrakuorma vastauksena pienempään virtatuloliipaisimeen.

Teknisesti tätä kutsutaan myös transistorin esijännitys , mikä tarkoittaa virran ja jännitteen käyttöä transistorin käyttämiseksi aiottuun toimintoon, ja tämä esijännitys on tehtävä optimaalisimmalla tavalla.

BJT: llä on 3 johtoa tai 3 nastaa, nimittäin pohja, emitteri, kerääjä.

Pohjatappia käytetään ulkoisen tuloliipaisimen syöttämiseen pienen jännitteen ja virran muodossa.

Lähettimen tappi on aina kytketty maahan tai negatiiviseen syöttöjohtoon.

Keräystappi on kytketty kuormaan positiivisen syötön kautta.

BJT: t löytyvät kahdentyyppisistä polariteeteista, NPN ja PNP. Perusnastakokoonpano on sama sekä NPN: lle että PNP: lle, kuten yllä on selitetty, paitsi DC-syöttöpolariteetista, josta tulee päinvastainen.

BJT: n pinoutit voidaan ymmärtää seuraavan kuvan kautta:

Yllä olevasta kuvasta voimme nähdä NPN- ja PNP-transistoreiden (BJT) peruspiirikokoonpanon. NPN: n osalta emitteristä tulee maadoitusjohto ja se on kytketty negatiiviseen syöttöön.

Normaalisti, kun DC-piirissä käytetään sanaa 'maa', oletamme sen olevan negatiivinen syöttöjohto.
Transistorin kohdalla emitteriin liittyvä maadoituslinja on suhteessa sen kantaan ja kollektorijännitteisiin, eikä emitterin 'maadoitus' välttämättä tarkoita negatiivista syöttöjohtoa.

Kyllä, NPN BJT: lle maa voi olla negatiivinen syöttöjohto, mutta PNP-transistori 'maahan' viitataan aina positiiviseen syöttöjohtoon, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty.

Molempien BJT-laitteiden kytkentä päälle / pois-toiminto on periaatteessa sama, mutta napaisuus muuttuu.

Koska BJT: n emitteri on 'ulosmenokanava' läpimenevälle ja alustalle tulevalle virralle ja kollektorille, se on 'maadoitettava' syöttöjohtoon, jonka tulisi olla päinvastainen kuin kanta / keräimen tuloissa käytettävä jännite. Muuten piiri ei pääse loppuun.

NPN BJT: n tapauksessa tukiasema ja kollektoritulot on liitetty positiiviseen liipaisimeen tai kytkentäjännitteeseen, joten emitteriin on viitattava negatiiviseen johtoon.

Tämä varmistaa, että tukiasemaan ja kollektoriin tulevat positiiviset jännitteet pystyvät saavuttamaan negatiivisen linjan emitterin läpi ja saattamaan piirin loppuun.

PNP BJT: n tapauksessa pohja ja kollektori on liitetty negatiivisen jännitteen tuloon, joten luonnollisesti PNP: n emitteriin on viitattava positiivista johtoa, jotta positiivinen syöttö pääsee emitterin läpi ja lopettaa matkansa tukiasemasta ja keräystapit.

Huomaa, että NPN: n virtavirta kulkee emäksestä / kerääjästä kohti emitteriä, kun taas PNP: n tapauksessa se lähtee emitteristä kohti kantaa / kerääjää.

Molemmissa tapauksissa tavoitteena on kytkeä kollektorikuormitus päälle pienen jännitesyötön kautta BJT: n pohjassa, vain napaisuus muuttuu.

Seuraava simulaatio näyttää perustoiminnon:

Yllä olevassa simulaatiossa heti, kun painiketta painetaan, ulkoinen jännitetulo tulee BJT: n pohjaan ja saavuttaa maadoitusjohdon emitterin kautta.

Vaikka näin tapahtuu, BJT: n sisällä oleva keräilijän / emitterin kanava aukeaa ja sallii ylhäältä tulevan positiivisen syötön syöttää lamppuun ja kulkea emitterin läpi maahan kytkemällä polttimo (kuorma) päälle.

Molemmat kytkennät tapahtuvat melkein samanaikaisesti vastauksena painonapin painamiseen.

Emitterinasta tulee tällöin yhteinen 'exit' -näyttö sekä tulosyötteille (pohja ja kerääjä).

Ja emitterin syöttöjohdosta tulee yhteinen maadoitusjännite syöttöjännitteelle ja myös kuormalle.

Mikä tarkoittaa, että BJT-lähettimeen kytketyn syöttöjohdon on oltava myös tiukasti kytketty ulkoisen liipaisulähteen maahan ja kuormitukseen.

Miksi käytämme vastusta BJT: n juuressa

BJT: n pohja on suunniteltu toimimaan pienitehoisilla tuloilla, eikä tämä tappi voi ottaa vastaan ​​suuria virtatuloja, ja siksi käytämme vastusta vain varmistaaksemme, että suurta virtaa ei saa päästä tukiasemaan.

Vastuksen perustoiminto on rajoittaa virta oikeaan määritettyyn arvoon kuormituseritelmän mukaisesti.

Huomaa että BJT: n kohdalla tämä vastus on mitoitettava keräimen puolen kuormitusvirran mukaan.

Miksi?

Koska BJT: t ovat virrasta riippuvia 'kytkimiä'.

Tarkoituksena on, että perusvirtaa on lisättävä tai vähennettävä tai säädettävä kollektorin puolella olevien kuormavirtaominaisuuksien mukaisesti.

Mutta BJT: n pohjassa vaadittu kytkentäjännite voi olla niinkin alhainen kuin 0,6 V tai 0,7 V. Tämä tarkoittaa, että BJT-keräilijän kuormitus voidaan kytkeä päälle jännitteellä, joka on niinkin matala kuin 1 V BJT: n kanta / emitteri.
Tässä on peruskaava perusvastuksen laskemiseksi:

R = (Us - 0,6) Hfe / kuormitusvirta,

Missä R = transistorin kantavastus,

Us = Lähde tai kantavastuksen liipaisujännite,

Hfe = Transistorin eteenpäin suuntautuva vahvistus (löytyy BJT: n tietolomakkeesta).

Vaikka kaava näyttää siistiltä, ​​ei ole ehdottoman välttämätöntä konfiguroida kantavastusta aina niin tarkasti.

Se johtuu yksinkertaisesti siitä, että BJT-perusmäärityksillä on laaja toleranssialue, ja ne voivat helposti sietää suuria eroja vastusarvoissa.

Esimerkiksi, kytkeä rele jolla on 30 mA: n kelavastus, kaava voi karkeasti tarjota vastuksen arvon 56K BC547: lle 12 V: n syöttöjännitteellä ... mutta mieluummin käytän 10K: ta, ja se toimii moitteettomasti.

Jos et noudata optimaalisia sääntöjä, tuloksissa voi kuitenkin olla jotain ei-hyvää, eikö?

Teknisesti sillä on järkeä, mutta jälleen menetys on niin pieni verrattuna laskelmiin käytettyyn vaivaan, se voidaan jättää huomiotta.

Esimerkiksi 10K: n käyttäminen 56K: n sijasta voi pakottaa transistorin toimimaan hieman enemmän perusvirralla, jolloin se lämpenee hieman enemmän, voi olla pari astetta korkeampi ... mikä ei ole väliä ollenkaan.

Kuinka yhdistää BJT Arduinoon

OK, nyt päästään todelliseen pisteeseen.

Koska olemme toistaiseksi oppineet kattavasti siitä, miten BJT on esijännitettävä ja konfiguroitava sen 3 pinoutissa, voimme nopeasti ymmärtää yksityiskohdat sen liitännästä minkä tahansa mikro-ohjaimen, kuten Arduinon, kanssa.

BJT: n ja Arduinon yhdistämisen päätarkoitus on yleensä kytkeä kuormitus tai jokin parametri päälle kollektoripuolelta vastauksena ohjelmoituun lähtöön yhdestä Arduino-lähtöpistokkeesta.

Tässä BJT-pohjatapin liipaisutulon oletetaan tulevan Arduinosta. Tämä tarkoittaa, että perusvastuksen pää on yksinkertaisesti kiinnitettävä Arduinon asiaankuuluvalla lähdöllä ja BJT: n kerääjä kuormalla tai millä tahansa tarkoitetulla ulkoisella parametrilla.

Koska BJT vaatii tuskin 0,7 V - 1 V tehokkaaseen kytkentään, 5 V Arduino-lähtöliittimestä tulee täysin riittävä BJT: n ajamiseksi ja kohtuullisten kuormien käyttämiseksi.
Konfigurointiesimerkki voi olla seuraava kuva:

Tässä kuvassa voimme nähdä, kuinka ohjelmoitua Arduinoa käytetään pienen kuorman käyttämiseen releen muodossa BJT-ohjainvaiheen kautta. Relekelasta tulee kollektorikuormitus, kun taas valitun Arduino-lähtöliittimen signaali toimii kuten BJT-kannan tulokytkentäsignaali.

Vaikka releestä tulee paras vaihtoehto raskaiden kuormien käyttämiseen transistoriohjaimen kautta, kun mekaanisesta kytkennästä tulee ei-toivottu tekijä, BJT: n päivittämisestä tulee parempi valinta suurivirtaisten DC-kuormien käyttämiseen, kuten alla on esitetty.

Yllä olevassa esimerkissä voidaan nähdä Darlingtonin transistoriverkko, joka on konfiguroitu käsittelemään osoitettua suurta nykyistä 100 watin kuormitusta ilman relettä. Tämä mahdollistaa LED-valon saumattoman vaihtamisen mahdollisimman pienellä häiriöllä ja varmistaa kaikkien parametrien pitkän käyttöiän.

Edetään nyt eteenpäin ja katsotaan, kuinka mosfetit voidaan määrittää Arduinolla

MOSFETin sähköiset ominaisuudet

MOSFETin käyttäminen Arduinon kanssa on yleensä samanlainen kuin BJT: n, kuten edellä keskusteltiin.

Koska kuitenkin normaalisti MOSFETit on suunniteltu käsitellä suurempia virtamääriä tehokkaasti verrattuna BJT-laitteisiin, niitä käytetään enimmäkseen suuritehoisten kuormien kytkemiseen.

Ennen kuin ymmärrämme mosfetin rajapinnan Arduinon kanssa, olisi mielenkiintoista tietää perusasiat ero BJT: n ja mosfettien välillä

Edellisessä keskustelussamme ymmärsimme sen BJT: t ovat virrasta riippuvia laitteita , koska niiden peruskytkentävirta riippuu kollektorin kuormitusvirrasta. Suuremmat kuormitusvirrat vaativat suurempaa perusvirtaa ja päinvastoin.

Mosfeteille tämä ei ole totta, toisin sanoen mosfets-portti, joka vastaa BJT-kantaa, vaatii vain vähän virtaa kytkeytymään päälle, riippumatta tyhjennysvirrasta (mosfetin tyhjennystappi vastaa BJT: n keräystappia).

Tämän sanottu, vaikka virta ei ole ratkaiseva tekijä mosfet-portin vaihtamisessa, jännite on.

Siksi mosfettejä pidetään jännitteestä riippuvaisina laitteina

Pienin jännite, joka tarvitaan terveellisen esijännityksen aikaansaamiseksi mosfetille, on 5V tai 9V, 12v on optimaalisin alue mosfetin kytkemiseksi päälle kokonaan.

Siksi voimme olettaa, että mosfetin ja sen viemärin yli kulkevan kuorman kytkemiseksi päälle, portin yli voidaan käyttää 10 V: n syöttöä optimaalisen lopputuloksen saavuttamiseksi.

Vastaavat Mosfetsin ja BJT: n nastat

Seuraava kuva esittää mosfettien ja BJT: n täydentävät nastat.

Tukiasema vastaa Gate-Collectoria vastaavaa Drain-Emitter vastaa lähdettä.

Mitä vastusta tulisi käyttää Mosfet-portille

Aikaisemmista opetusohjelmistamme ymmärrimme, että BJT: n pohjassa oleva vastus on ratkaisevan tärkeä, ilman sitä BJT voi välittömästi vahingoittua.

MOSFETille tämä ei välttämättä ole niin merkityksellistä, koska porttien virtaeroilla ei ole vaikutusta MOSFET-laitteisiin, sen sijaan suurempaa jännitettä voidaan pitää vaarallisena. Tyypillisesti mikä tahansa yli 20 V: n arvo voi olla huono MOSFET-portille, mutta virta voi olla merkityksetön.

Tästä johtuen portin vastuksella ei ole merkitystä, koska vastuksia käytetään virran rajoittamiseen, eikä mosfet-portti ole riippuvainen virrasta.

Se sanoi, että MOSFETit ovat erittäin alttiina äkillisille piikeille ja ohimeneville häiriöille heidän portillaan, verrattuna BJT: hin.

Tästä syystä pieniarvoinen vastus on yleensä edullinen MOSFET-porttien kohdalla, vain sen varmistamiseksi, ettei mikään äkillinen jännitepiikki kykene menemään MOSFET-portin läpi ja repimään sen sisäisesti.

Tyypillisesti mikä tahansa vastus välillä 10-50 ohmia voidaan käyttää MOSFET-porteilla suojaamaan portteja odottamattomilta jännitepiikeiltä.

MOSFETin liittäminen Arduinoon

Kuten edellisessä kappaleessa selitettiin, mosfet tarvitsee noin 10 V - 12 V virran kytkemiseksi kunnolla, mutta koska Arduinos työskentelee 5 V: n kanssa, sen lähtöä ei voida määrittää suoraan mosfetin avulla.

Koska Arduino toimii 5 V: n virtalähteellä, ja kaikki sen lähdöt on suunniteltu tuottamaan 5 V logiikan korkeana syöttösignaalina. Vaikka tällä 5 V: lla voi olla kyky kytkeä MOSFET päälle, se voi johtaa laitteiden tehottomaan kytkentään ja kuumenemisongelmiin.

Tehokkaalle MOSFET-kytkimelle ja Arduinon 5 V: n ulostulon muuntamiseksi 12 V: n signaaliksi voidaan määrittää välipuskurivaihe seuraavan kuvan mukaisesti:

Kuvassa MOSFET voidaan konfiguroida muutamalla BJT-puskurivaiheella, mikä antaa MOSFETille mahdollisuuden käyttää 12 V: n virtalähteestä ja kytkeä itsensä ja kuorman päälle.

Tässä käytetään kahta BJT: tä, koska yksi BJT saisi MOSFETin toimimaan vastakkain vasteena jokaiseen positiiviseen Arduino-signaaliin.

Oletetaan, että käytetään yhtä BJT: tä, silloin kun BJT on PÄÄLLÄ positiivisella Arduino-signaalilla, mosfet kytketään pois päältä, koska BJT-kerääjä maadoittaa sen portin ja kuorma kytketään päälle, kun Arduino on pois päältä.

Pohjimmiltaan yksi BJT kääntäisi Arduino-signaalin mosfet-portille aiheuttaen päinvastaisen kytkentävasteen.

Tämän tilanteen korjaamiseksi käytetään kahta BJT: tä niin, että toinen BJT kääntää vastauksen takaisin ja antaa mosfetin kytkeytyä päälle jokaiselle positiiviselle signaalille vain Arduinosta.

Lopulliset ajatukset

Nyt sinun on pitänyt ymmärtää kattavasti oikea tapa yhdistää BJT: t ja mosfetit mikrokontrollerilla tai Arduinolla.

Olet ehkä huomannut, että olemme useimmiten käyttäneet NPN BJT: itä ja N-kanavaisia ​​mosfettejä integraatioihin, ja olemme välttäneet PNP- ja P-kanavien laitteiden käyttöä. Tämä johtuu siitä, että NPN-versiot toimivat ihanteellisesti kytkimen tavoin ja ne on helppo ymmärtää konfiguroinnin aikana.

Se on kuin ajaa autoa normaalisti eteenpäin eikä katsella taaksepäin ja ajaa sitä peruutusvaihteella. Molemmilla tavoilla auto toimisi ja liikkui, mutta peruutusvaihteella ajaminen on paljon tehotonta eikä sillä ole järkeä. Sama analogia pätee myös tässä, ja NPN- tai N-kanavalaitteiden käyttämisestä tulee parempi etusija PNP- tai P-kanavan mosfetteihin verrattuna.

Jos sinulla on epäilyksiä tai jos luulet, että olen jättänyt jotain täältä, käytä alla olevaa kommenttikenttää jatkokeskusteluun.