Cara Menghubungkan Transistor (BJT) dan MOSFET dengan Arduino

Antaramuka peranti kuasa seperti BJT, dan MOSFET dengan output Arduino adalah konfigurasi penting yang membolehkan menukar beban kuasa tinggi melalui output kuasa rendah Arduino.

Dalam artikel ini kami membincangkan kaedah penggunaan atau penyambungan transistor yang betul seperti BJT dan mosfet dengan mikrokontroler atau Arduino.

Tahap seperti itu juga disebut sebagai 'Level Shifter' kerana tahap ini mengubah tahap voltan dari titik yang lebih rendah ke titik yang lebih tinggi untuk parameter output yang berkaitan. Sebagai contoh di sini peralihan tahap sedang dilaksanakan dari output Arduino 5V ke output MOSFET 12V untuk beban 12V yang dipilih.

Tidak kira seberapa baik diprogramkan atau dikodkan Arduino anda, jika tidak disatukan dengan betul dengan transistor atau perkakasan luaran, boleh mengakibatkan pengoperasian sistem yang tidak efisien atau bahkan kerosakan pada komponen yang terlibat dalam sistem.

Oleh itu, menjadi sangat penting untuk memahami dan mempelajari kaedah penggunaan komponen aktif luaran yang betul seperti mosfets dan BJT dengan mikrokontroler, sehingga hasil akhirnya berkesan, lancar dan cekap.

Sebelum kita membincangkan kaedah antara muka transistor dengan Arduino, akan berguna untuk mempelajari ciri-ciri asas dan cara kerja BJT dan mosfet.

Ciri-ciri Elektrik Transistor (Bipolar)

BJT bermaksud transistor persimpangan bipolar.

Fungsi asas BJT adalah menghidupkan beban terpasang sebagai tindak balas kepada pencetus voltan luaran. Beban seharusnya lebih berat semasa berbanding dengan pencetus input.

Oleh itu, fungsi asas BJT adalah menghidupkan beban arus yang lebih tinggi sebagai tindak balas kepada pencetus input arus yang lebih rendah.

Secara teknikal, ini juga disebut berat sebelah transistor , yang bermaksud menggunakan arus dan voltan untuk mengoperasikan transistor untuk fungsi yang dimaksudkan, dan bias ini harus dilakukan dengan cara yang paling optimum.

BJT mempunyai 3 plumbum atau 3 pin, iaitu base, emitter, collector.

Pin asas digunakan untuk memberi makan pemicu input luaran, dalam bentuk voltan dan arus kecil.

Pin pemancar selalu disambungkan ke tanah atau saluran bekalan negatif.

Pin pengumpul disambungkan ke beban melalui bekalan positif.

BJT boleh didapati dengan dua jenis polariti, NPN dan PNP. Konfigurasi pin asas adalah sama untuk NPN dan PNP seperti yang dijelaskan di atas, kecuali kekutuban bekalan DC yang menjadi sebaliknya.

The pinout BJT dapat difahami melalui gambar berikut:

Dalam gambar di atas kita dapat melihat konfigurasi pinout asas NPN dan transistor PNP (BJT). Untuk NPN, pemancar menjadi garis bawah, dan dihubungkan dengan bekalan negatif.

Biasanya apabila perkataan 'ground' digunakan dalam rangkaian DC, kita menganggapnya sebagai saluran bekalan negatif.
Walau bagaimanapun, untuk transistor garis tanah yang berkaitan dengan pemancar adalah merujuk kepada voltan dasar dan pemungutnya, dan pemancar 'ground' tidak semestinya bermaksud garis bekalan negatif.

Ya, untuk NPN BJT tanah boleh menjadi saluran bekalan negatif, tetapi untuk Transistor PNP 'tanah' selalu dirujuk ke saluran bekalan positif, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas.

Fungsi menghidupkan / mematikan kedua-dua BJT pada dasarnya sama, tetapi kekutuban berubah.

Oleh kerana pemancar BJT adalah laluan 'keluar' untuk arus masuk dan dasar dan pemungut, ia harus 'dibumikan' ke saluran bekalan yang harus bertentangan dengan voltan yang digunakan pada input asas / pemungut. Jika tidak, litar tidak akan selesai.

Untuk NPN BJT, input asas dan pengumpul dihubungkan dengan voltan pencetus atau pensuisan positif, oleh itu pemancar mesti dirujuk ke garis negatif.

Ini memastikan bahawa voltan positif yang memasuki dasar dan pemungut dapat mencapai garis negatif melalui pemancar dan menyelesaikan litar.

Untuk PNP BJT, asas dan pengumpul dikaitkan dengan input voltan negatif, oleh itu secara semula jadi pemancar PNP mesti dirujuk ke garis positif, sehingga bekalan positif dapat masuk melalui pemancar dan menyelesaikan perjalanannya dari dasar dan pin pemungut.

Perhatikan bahawa aliran arus untuk NPN adalah dari dasar / pengumpul ke arah pemancar, sementara untuk PNP, dari arus ke arah dasar / pemungut.

Dalam kedua kes tersebut, objektifnya adalah untuk menghidupkan beban pemungut melalui input voltan kecil di dasar BJT, hanya polaritas yang berubah itu saja.

Simulasi berikut menunjukkan operasi asas:

Dalam simulasi di atas, sebaik sahaja butang ditekan, input voltan luaran memasuki dasar BJT dan sampai ke garis bawah melalui pemancar.

Walaupun ini berlaku, saluran pemungut / pemancar di dalam BJT terbuka, dan membolehkan bekalan positif dari atas memasuki mentol, dan melewati pemancar ke tanah, menghidupkan mentol (beban).

Kedua-dua peralihan berlaku hampir serentak sebagai tindak balas kepada menekan butang tekan.

Pin pemancar di sini menjadi pinout keluar 'biasa' untuk kedua-dua umpan input (asas dan pengumpul).

Dan saluran bekalan pemancar menjadi garis tanah biasa untuk pencetus bekalan input, dan juga beban.

Yang bermaksud bahawa, saluran bekalan yang menghubungkan dengan pemancar BJT juga mesti dihubungkan dengan kuat dengan permukaan sumber pencetus luaran, dan beban.

Mengapa kita menggunakan Resistor di Pangkalan BJT

Pangkalan BJT dirancang untuk berfungsi dengan input daya rendah, dan pin ini tidak dapat menggunakan input arus yang besar, dan oleh itu kami menggunakan perintang, hanya untuk memastikan bahawa tidak ada arus besar yang dibenarkan memasuki pangkalan.

Fungsi asas perintang adalah untuk membatasi arus ke nilai yang ditentukan yang betul, sesuai dengan spesifikasi beban.

Harap Maklum bahawa, untuk BJT perintang ini mesti dimensi mengikut arus beban sisi pemungut.

Kenapa?

Kerana BJT adalah 'suis' bergantung semasa.

Maknanya, arus dasar perlu ditingkatkan atau dikurangkan atau disesuaikan sesuai dengan spesifikasi arus beban di sisi pemungut.

Tetapi voltan pensuisan yang diperlukan di dasar BJT boleh serendah 0.6V atau 0.7V. Maksudnya, beban pemungut BJT dapat dihidupkan dengan voltan serendah 1V merentasi dasar / pemancar BJT.
Inilah formula asas untuk mengira perintang asas:

R = (Kami - 0,6) Hfe / Beban Semasa,

Di mana R = perintang asas transistor,

Us = Sumber atau voltan pencetus ke perintang asas,

Hfe = Keuntungan semasa transistor (boleh didapati dari lembaran data BJT).

Walaupun formula kelihatan kemas, tidak semestinya selalu perlu mengkonfigurasi perintang asas dengan tepat.

Ini kerana, spesifikasi asas BJT mempunyai julat toleransi yang luas, dan dapat dengan mudah bertolak ansur dengan perbezaan yang luas dalam nilai perintang.

Sebagai contoh, untuk menyambung geganti mempunyai rintangan gegelung 30mA, rumus kira-kira memberikan nilai perintang 56K untuk BC547 pada input bekalan 12V .... tetapi saya biasanya lebih suka menggunakan 10K, dan ia berfungsi dengan sempurna.

Namun, jika anda tidak mengikuti peraturan yang optimum, mungkin ada sesuatu yang tidak baik dengan hasilnya, bukan?

Secara teknikalnya masuk akal, tetapi sekali lagi kerugiannya sangat kecil jika dibandingkan dengan usaha yang dihabiskan untuk pengiraan, ia dapat diabaikan.

Contohnya menggunakan 10K dan bukannya 56K boleh memaksa transistor berfungsi dengan arus asas yang sedikit lebih, menyebabkan pemanasan sedikit lebih banyak, mungkin beberapa darjah lebih tinggi ... yang tidak penting sama sekali.

Cara Menghubungkan BJT dengan Arduino

OK, sekarang mari kita ke titik sebenarnya.

Oleh kerana sejauh ini kita telah mengetahui secara komprehensif mengenai bagaimana BJT perlu bias dan dikonfigurasikan pada 3 pinoutnya, kita dapat dengan cepat memahami perincian mengenai penghubunganya dengan mikrokontroler seperti Arduino.

Tujuan utama menghubungkan BJT dengan Arduino biasanya adalah untuk menghidupkan beban atau beberapa parameter di sisi pengumpul, sebagai tindak balas kepada output yang diprogramkan dari salah satu pin output Arduino.

Di sini, input pencetus untuk pin asas BJT sepatutnya berasal dari Arduino. Ini menunjukkan hujung perintang dasar hanya perlu dilekatkan dengan output yang relevan dari Arduino, dan pengumpul BJT dengan beban atau parameter luaran yang dimaksudkan.

Oleh kerana BJT hampir tidak memerlukan 0.7V hingga 1V untuk menukar yang berkesan, 5V dari pin output Arduino menjadi cukup sempurna untuk menggerakkan BJT dan mengoperasikan beban yang munasabah.
Contoh konfigurasi dapat dilihat pada gambar berikut:

Dalam gambar ini kita dapat melihat bagaimana Arduino terprogram digunakan untuk mengoperasikan beban kecil dalam bentuk relay melalui tahap pemacu BJT. Gegelung relay menjadi beban pemungut, sementara isyarat dari pin output Arduino yang dipilih bertindak seperti isyarat beralih input untuk pangkalan BJT.

Walaupun, geganti menjadi pilihan terbaik untuk mengoperasikan beban berat melalui pemacu transistor, apabila peralihan mekanikal menjadi faktor yang tidak diingini, peningkatan BJT menjadi pilihan yang lebih baik untuk mengoperasikan beban DC arus tinggi, seperti yang ditunjukkan di bawah.

Dalam contoh di atas, rangkaian transistor Darlington dapat dilihat, dikonfigurasi untuk menangani beban arus tinggi 100 watt yang ditunjukkan tanpa bergantung pada relay. Ini membolehkan pengalihan LED tanpa gangguan dengan gangguan minimum, memastikan jangka hayat kerja yang panjang untuk semua parameter.

Sekarang mari kita teruskan lebih jauh, dan lihat bagaimana mosfets dapat dikonfigurasi dengan Arduino

Ciri-ciri Elektrik MOSFET

Tujuan penggunaan mosfet dengan Arduino biasanya serupa dengan BJT seperti yang dibincangkan di atas.

Namun, sejak biasa MOSFET direka untuk menangani spesifikasi arus lebih tinggi dengan cekap berbanding BJT, ini kebanyakan digunakan untuk menukar beban kuasa tinggi.

Sebelum kita memahami antara muka mosfet dengan Arduino, akan menarik untuk mengetahui asasnya perbezaan antara BJT dan mosfet

Dalam perbincangan kami sebelum ini, kami memahami perkara itu BJT adalah peranti bergantung semasa , kerana arus pertukaran asas mereka bergantung pada arus beban pemungut. Arus muatan yang lebih tinggi akan menuntut arus asas yang lebih tinggi, dan sebaliknya.

Bagi mosfets ini tidak benar, dengan kata lain mosfet gate yang setara dengan BJT base, memerlukan arus minimum untuk dihidupkan, tanpa mengira arus saliran (pin drain mosfet setara dengan pin pengumpul BJT).

Setelah mengatakan ini, walaupun arus bukan faktor penentu untuk menukar pintu mosfet, voltan ialah.

Oleh itu mosfet dianggap sebagai alat yang bergantung kepada voltan

Voltan minimum yang diperlukan untuk mewujudkan bias yang sihat untuk mosfet adalah 5V atau 9V, 12v menjadi julat yang paling optimum untuk menghidupkan mosfet sepenuhnya.

Oleh itu, kita dapat menganggap bahawa untuk menghidupkan mosfet, dan muatan di longkangnya, bekalan 10V dapat digunakan di pintu gerbangnya untuk hasil yang optimum.

Pin Mosfets dan BJT yang setara

Gambar berikut menunjukkan pin pelengkap mosfets dan BJT.

Base sesuai dengan Gate-Collector sesuai dengan Drain-Emitter sesuai dengan Source.

Apa Perintang yang Perlu Digunakan untuk Mosfet Gate

Dari tutorial sebelumnya, kami memahami bahawa perintang di dasar BJT sangat penting, tanpa itu BJT boleh rosak dengan serta-merta.

Untuk MOSFET ini mungkin tidak begitu relevan, kerana MOSFET tidak terpengaruh dengan perbezaan semasa di pintu gerbangnya, sebaliknya voltan yang lebih tinggi dapat dianggap berbahaya. Biasanya apa-apa di atas 20V boleh menjadi buruk bagi pintu MOSFET, tetapi arus mungkin tidak penting.

Oleh kerana itu, perintang di gerbang tidak relevan kerana perintang digunakan untuk mengehadkan arus, dan gerbang mosfet tidak bergantung pada arus.

Yang mengatakan, MOSFET adalah sangat terdedah kepada lonjakan dan peralihan secara tiba-tiba di pintu masuk mereka, berbanding dengan BJT.

Atas sebab ini perintang nilai rendah lebih disukai di pintu MOSFET, hanya untuk memastikan tiada lonjakan voltan tiba-tiba yang dapat melalui pintu MOSFET dan merobeknya secara dalaman.

Lazimnya sebarang perintang antara 10 dan 50 ohm boleh digunakan di pintu MOSFET untuk melindungi gerbangnya dari lonjakan voltan yang tidak dijangka.

Menghadapi MOSFET dengan Arduino

Seperti yang dijelaskan dalam perenggan di atas, mosfet akan memerlukan sekitar 10V hingga 12V untuk menghidupkan dengan betul, tetapi kerana Arduino bekerja dengan 5V outputnya tidak dapat dikonfigurasi secara langsung dengan mosfet.

Oleh kerana Arduino berjalan dengan bekalan 5V, dan semua keluarannya dirancang untuk menghasilkan 5V sebagai isyarat bekalan tinggi logik. Walaupun 5V ini mungkin memiliki kemampuan untuk MENGAKTIFKAN MOSFET, ia mungkin mengakibatkan peralihan peranti yang tidak cekap dan masalah pemanasan.

Untuk pertukaran MOSFET yang berkesan, dan untuk mengubah output 5V dari Arduino menjadi isyarat 12V, tahap penyangga menengah dapat dikonfigurasi seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Dalam gambar tersebut, MOSFET dapat dilihat dikonfigurasi dengan beberapa tahap penyangga BJT yang membolehkan MOSFET menggunakan 12V dari bekalan kuasa dan menghidupkannya sendiri dan muatan dengan berkesan.

Dua BJT digunakan di sini kerana BJT tunggal akan menyebabkan MOSFET bertindak sebaliknya sebagai tindak balas kepada setiap isyarat Arduino positif.

Katakan satu BJT digunakan, maka sementara BJT AKTIF dengan isyarat Arduino positif, mosfet akan dimatikan, kerana pintu gerbangnya akan dibumikan oleh pemungut BJT, dan beban akan dihidupkan AKTIF sementara Arduino MATI.

Pada dasarnya, satu BJT akan membalikkan isyarat Arduino untuk pintu mosfet yang menghasilkan tindak balas beralih yang berlawanan.

Untuk membetulkan keadaan ini, dua BJT digunakan, sehingga BJT kedua membalikkan tindak balas dan membiarkan mosfet dihidupkan untuk setiap isyarat positif hanya dari Arduino.

Pemikiran Akhir

Sekarang anda sudah semestinya memahami kaedah penyambungan BJT dan mosfet yang betul dengan mikrokontroler atau Arduino.

Anda mungkin menyedari bahawa kami kebanyakan menggunakan NPN BJT dan mosfet saluran-N untuk penyatuan, dan telah mengelakkan penggunaan peranti saluran PNP dan P. Ini kerana versi NPN berfungsi dengan ideal seperti suis dan mudah difahami semasa mengkonfigurasi.

Ia seperti memandu kereta secara normal ke arah depan, daripada melihat ke belakang dan memandu dengan gear terbalik. Dengan kedua-dua cara, kereta akan beroperasi dan bergerak, tetapi memandu dengan gear terbalik jauh tidak cekap dan tidak masuk akal. Analogi yang sama berlaku di sini, dan menggunakan peranti NPN atau saluran N menjadi pilihan yang lebih baik berbanding mosfet PNP atau saluran P.

Sekiranya anda mempunyai keraguan, atau jika anda fikir saya mungkin terlepas sesuatu di sini, sila gunakan kotak komen di bawah untuk perbincangan selanjutnya.