Как подключить транзисторы (BJT) и MOSFET к Arduino

Взаимодействие силовых устройств, таких как BJT и MOSFET, с выходом Arduino является важной конфигурацией, которая позволяет переключать нагрузки с высокой мощностью через выходы с низкой мощностью Arduino.

В этой статье мы подробно обсуждаем правильные методы использования или подключения транзисторов, таких как BJT и mosfet, с любым микроконтроллером или Arduino.

Такие этапы также называются 'Сдвиг уровня' потому что этот этап изменяет уровень напряжения с более низкой точки на более высокую для соответствующего выходного параметра. Например, здесь осуществляется сдвиг уровня с выхода Arduino 5V на выход MOSFET 12V для выбранной нагрузки 12В.

Независимо от того, насколько хорошо запрограммирован или закодирован ваш Arduino, его неправильная интеграция с транзистором или внешним оборудованием может привести к неэффективной работе системы или даже к повреждению компонентов, задействованных в системе.

Поэтому становится чрезвычайно важным понять и изучить правильные методы использования внешних активных компонентов, таких как МОП-транзисторы и BJT, с микроконтроллером, чтобы конечный результат был эффективным, плавным и действенным.

Прежде чем мы обсудим методы взаимодействия транзисторов с Arduino, было бы полезно узнать основные характеристики и работу BJT и MOSFET.

Электрические характеристики транзисторов (биполярных)

BJT обозначает биполярный переходной транзистор.

Основная функция BJT - включение подключенной нагрузки в ответ на триггер внешнего напряжения. Предполагается, что нагрузка будет больше по току по сравнению с входным триггером.

Таким образом, основная функция BJT состоит в том, чтобы включить нагрузку с более высоким током в ответ на триггер входа более низкого тока.

Технически это также называется смещение транзистора , что означает использование тока и напряжения для работы транзистора в соответствии с назначенной функцией, и это смещение должно выполняться наиболее оптимальным образом.

BJT имеют 3 вывода или 3 контакта, а именно базу, эмиттер, коллектор.

Базовый вывод используется для питания триггера внешнего входа в виде небольших напряжений и тока.

Вывод эмиттера всегда подключен к земле или отрицательной линии питания.

Коллекторный штифт подключается к нагрузке через положительный источник питания.

BJT могут быть двух типов полярности: NPN и PNP. Базовая конфигурация выводов одинакова как для NPN, так и для PNP, как описано выше, за исключением полярности источника постоянного тока, которая становится прямо противоположной.

В распиновку BJT можно было понять через следующее изображение:

На изображении выше мы видим базовую конфигурацию выводов транзисторов NPN и PNP (BJT). Для NPN эмиттер становится линией заземления и подключается к отрицательному источнику питания.

Обычно, когда слово «земля» используется в цепи постоянного тока, мы предполагаем, что это отрицательная линия питания.
Однако для транзистора линия заземления, связанная с эмиттером, связана с его базой и напряжениями коллектора, и «земля» эмиттера не обязательно может означать отрицательную линию питания.

Да, для NPN BJT заземление может быть отрицательной линией питания, но для PNP транзистор «земля» всегда связана с положительной линией питания, как показано на рисунке выше.

Функция включения / выключения обоих BJT в основном одинакова, но меняется полярность.

Поскольку эмиттер BJT является «выходным» проходом для тока, проходящего через базу и коллектор, он должен быть «заземлен» на линию питания, которая должна быть противоположна напряжению, используемому на входах базы / коллектора. В противном случае цепь не замкнется.

Для NPN BJT входы базы и коллектора связаны с положительным триггером или коммутационным напряжением, поэтому эмиттер должен быть привязан к отрицательной линии.

Это гарантирует, что положительные напряжения, входящие в базу и коллектор, смогут достичь отрицательной линии через эмиттер и замкнуть цепь.

Для PNP BJT база и коллектор связаны с входом отрицательного напряжения, поэтому, естественно, эмиттер PNP должен быть привязан к положительной линии, чтобы положительный источник питания мог пройти через эмиттер и завершить свой путь от базы. и штифты коллектора.

Обратите внимание, что ток для NPN протекает от базы / коллектора к эмиттеру, а для PNP - от эмиттера к базе / коллектору.

В обоих случаях цель состоит в том, чтобы включить нагрузку коллектора через небольшой вход напряжения на базе BJT, меняется только полярность и все.

Следующая симуляция показывает основную операцию:

В приведенном выше моделировании, как только кнопка нажата, вход внешнего напряжения входит в базу BJT и достигает линии заземления через эмиттер.

В то время как это происходит, канал коллектора / эмиттера внутри BJT открывается и позволяет положительному источнику питания сверху входить в лампочку и проходить через эмиттер на землю, включая лампу (нагрузку).

Оба переключения происходят почти одновременно в ответ на нажатие кнопки.

Вывод эмиттера здесь становится общей распиновкой «выхода» для обоих входных каналов (базы и коллектора).

И линия питания эмиттера становится общей линией заземления для триггера входного питания, а также нагрузки.

Это означает, что линия питания, соединяющаяся с эмиттером BJT, также должна быть строго связана с землей внешнего источника запуска и нагрузки.

Почему мы используем резистор в основе BJT

База BJT предназначена для работы с малой потребляемой мощностью, и этот вывод не может принимать большие входные токи, поэтому мы используем резистор, чтобы убедиться, что на базу не может проникать большой ток.

Основная функция резистора заключается в ограничении тока до правильного заданного значения в соответствии со спецификацией нагрузки.

Пожалуйста, обрати внимание что для BJT этот резистор должен быть рассчитан в соответствии с током нагрузки на стороне коллектора.

Почему?

Потому что BJT - это текущие «переключатели».

Это означает, что базовый ток необходимо увеличивать, уменьшать или регулировать в соответствии со спецификациями тока нагрузки на стороне коллектора.

Но напряжение переключения, необходимое на базе BJT, может составлять всего 0,6 В или 0,7 В. Это означает, что нагрузка коллектора BJT может быть включена с напряжением всего 1 В на базе / эмиттере BJT.
Вот основная формула для расчета базового резистора:

R = (Us - 0,6) Hfe / ток нагрузки,

Где R = базовый резистор транзистора,

Us = Источник или напряжение триггера на базовом резисторе,

Hfe = усиление транзистора по прямому току (можно найти в таблице данных BJT).

Хотя формула выглядит аккуратно, не всегда обязательно так точно настраивать базовый резистор.

Это просто потому, что базовые характеристики BJT имеют широкий диапазон допусков и могут легко допускать большие различия в значениях резисторов.

Например, подключить реле Имея сопротивление катушки 30 мА, формула может примерно обеспечить номинал резистора 56 кОм для BC547 на входе питания 12 В ... но я обычно предпочитаю использовать 10 кОм, и он работает безупречно.

Однако, если вы не соблюдаете оптимальные правила, может быть что-то не так с результатами, верно?

Технически это имеет смысл, но, опять же, потеря настолько мала по сравнению с затраченными на вычисления усилиями, что ею можно пренебречь.

Например, использование 10 кОм вместо 56 кОм может заставить транзистор работать с немного большим базовым током, в результате чего он немного нагревается, может быть на пару градусов выше ... что совершенно не имеет значения.

Как подключить BJT к Arduino

Хорошо, теперь перейдем к сути.

Поскольку мы до сих пор всесторонне узнали о том, как нужно смещать и настраивать BJT для трех его выводов, мы можем быстро понять детали, касающиеся его взаимодействия с любым микроконтроллером, таким как Arduino.

Основная цель подключения BJT к Arduino обычно состоит в том, чтобы включить нагрузку или какой-либо параметр на стороне коллектора в ответ на запрограммированный выход с одного из выходных контактов Arduino.

Здесь предполагается, что вход триггера для базового вывода BJT поступает от Arduino. Это означает, что конец базового резистора просто необходимо подключить к соответствующему выходу Arduino, а коллектор BJT - к нагрузке или любому предполагаемому внешнему параметру.

Поскольку для BJT требуется от 0,7 В до 1 В для эффективного переключения, 5 В на выходе Arduino становится вполне достаточным для управления BJT и работы с разумными нагрузками.
Пример конфигурации можно увидеть на следующем изображении:

На этом изображении мы можем увидеть, как запрограммированная Arduino используется для управления небольшой нагрузкой в ​​виде реле через каскад драйвера BJT. Катушка реле становится нагрузкой коллектора, а сигнал с выбранного выходного контакта Arduino действует как входной сигнал переключения для базы BJT.

Хотя реле становится лучшим вариантом для работы с большими нагрузками через драйвер транзистора, когда механическое переключение становится нежелательным фактором, модернизация BJT становится лучшим выбором для работы с сильноточными нагрузками постоянного тока, как показано ниже.

В приведенном выше примере можно увидеть транзисторную сеть Дарлингтона, сконфигурированную для обработки указанной сильноточной 100-ваттной нагрузки вне зависимости от реле. Это позволяет плавно переключать светодиоды с минимальными помехами, обеспечивая длительный срок службы по всем параметрам.

Теперь давайте продолжим и посмотрим, как можно настроить МОП-транзисторы с помощью Arduino.

Электрические характеристики полевого МОП-транзистора

Цель использования mosfet с Arduino обычно аналогична цели BJT, как обсуждалось выше.

Однако, поскольку обычно МОП-транзисторы разработаны для более эффективной обработки более высоких требований по току по сравнению с BJT, они в основном используются для переключения нагрузок большой мощности.

Прежде чем мы рассмотрим взаимодействие MOSFET-транзистора с Arduino, было бы интересно узнать основные разница между BJT и MOSFET

В нашем предыдущем обсуждении мы поняли, что BJT - это текущие зависимые устройства , потому что их базовый ток переключения зависит от тока нагрузки коллектора. Более высокие токи нагрузки потребуют более высокого базового тока и наоборот.

Для МОП-транзисторов это неверно, другими словами, затвор МОП-транзистора, который эквивалентен базе BJT, требует минимального тока для включения, независимо от тока стока (вывод стока МОП-транзистора эквивалентен контакту коллектора BJT).

Сказав это, хотя ток не является решающим фактором для переключения затвора МОП-транзистора, напряжение есть.

Поэтому МОП-транзисторы считаются устройствами, зависящими от напряжения.

Минимальное напряжение, необходимое для создания правильного смещения для МОП-транзистора, составляет 5 В или 9 В, при этом 12 В является наиболее оптимальным диапазоном для полного включения МОП-транзистора.

Следовательно, мы можем предположить, что для включения МОП-транзистора и нагрузки на его сток, для оптимального результата можно использовать питание 10 В на его затворе.

Эквивалентные выводы МОП-транзисторов и БЮТ

На следующем изображении показаны дополнительные контакты МОП-транзисторов и BJT.

База соответствует Gate-Collector соответствует Drain-Emitter соответствует Source.

Какой резистор следует использовать для ворот Mosfet

Из наших предыдущих руководств мы поняли, что резистор на базе BJT имеет решающее значение, без которого BJT может мгновенно выйти из строя.

Для полевого МОП-транзистора это может быть не так актуально, поскольку на полевые МОП-транзисторы не влияют разности токов на их затворах, вместо этого более высокое напряжение может считаться опасным. Обычно напряжение выше 20 В может быть плохим для затвора MOSFET, но ток может быть несущественным.

Из-за этого резистор на затворе не имеет значения, поскольку резисторы используются для ограничения тока, а затвор МОП-транзистора не зависит от тока.

Тем не менее, полевые МОП-транзисторы чрезвычайно уязвим для внезапных всплесков и переходных процессов у их ворот, по сравнению с BJT.

По этой причине на затворах полевых МОП-транзисторов обычно предпочтительнее использовать резисторы с низким сопротивлением, чтобы гарантировать, что внезапные скачки напряжения не смогут пройти через затвор полевого МОП-транзистора и разорвать его внутри.

Обычно любой резистор от 10 до 50 Ом могут использоваться на воротах MOSFET для защиты их ворот от неожиданных скачков напряжения.

Взаимодействие полевого МОП-транзистора с Arduino

Как объяснялось в предыдущем абзаце, для правильного включения МОП-транзистору потребуется от 10 В до 12 В.

Поскольку Arduino работает с питанием 5 В, и все его выходы предназначены для выработки 5 В в качестве логического сигнала высокого напряжения. Хотя эти 5 В могут иметь возможность включать полевой МОП-транзистор, это может привести к неэффективному переключению устройств и проблемам с нагревом.

Для эффективного переключения MOSFET и преобразования выхода 5 В от Arduino в сигнал 12 В можно настроить промежуточный буферный каскад, как показано на следующем рисунке:

На рисунке можно увидеть MOSFET, сконфигурированный с парой буферных каскадов BJT, что позволяет MOSFET использовать 12 В от источника питания и эффективно включать себя и нагрузку.

Здесь используются два BJT, поскольку один BJT заставит MOSFET вести себя противоположно в ответ на каждый положительный сигнал Arduino.

Предположим, что используется один BJT, тогда, пока BJT включен с положительным сигналом Arduino, mosfet будет отключен, поскольку его затвор будет заземлен коллектором BJT, и нагрузка будет включена, пока Arduino выключен.

По сути, один BJT инвертирует сигнал Arduino для ворот mosfet, что приводит к противоположному отклику переключения.

Чтобы исправить эту ситуацию, используются два BJT, так что второй BJT инвертирует ответ обратно и позволяет mosfet включаться для каждого положительного сигнала только от Arduino.

Последние мысли

К настоящему времени вы должны были полностью понять правильный метод подключения BJT и mosfet с микроконтроллером или Arduino.

Вы могли заметить, что мы в основном использовали NPN BJT и N-канальные МОП-транзисторы для интеграции и избегали использования устройств PNP и P-канала. Это связано с тем, что версии NPN идеально работают как коммутатор и их легко понять при настройке.

Это похоже на обычное вождение автомобиля в прямом направлении, а не на то, чтобы оглядываться и ехать на задней передаче. В обоих случаях автомобиль будет работать и двигаться, но движение на задней передаче очень неэффективно и не имеет смысла. Здесь применима та же аналогия, и использование NPN или N-канальных устройств становится более предпочтительным по сравнению с PNP или P-канальными МОП-транзисторами.

Если у вас есть какие-либо сомнения или вы думаете, что я что-то здесь упустил, используйте поле для комментариев ниже для дальнейшего обсуждения.