Transistörler (BJT) ve MOSFET Arduino ile Nasıl Bağlanır

Arduino çıkışı ile BJT'ler ve MOSFET'ler gibi güç cihazlarının arabirimi, bir Arduino'nun düşük güç çıkışları aracılığıyla yüksek güç yüklerinin değiştirilmesine izin veren çok önemli bir konfigürasyondur.

Bu makalede, BJT'ler ve mosfetler gibi transistörleri herhangi bir mikrodenetleyici veya bir Arduino ile kullanmanın veya bağlamanın doğru yöntemlerini ayrıntılı olarak tartışıyoruz.

Bu tür aşamalara ayrıca 'Seviye Değiştirici' çünkü bu kademe ilgili çıkış parametresi için voltaj seviyesini daha düşük bir noktadan daha yüksek bir noktaya değiştirir. Örneğin burada seviye kayması, seçilen 12V yük için Arduino 5V çıkışından MOSFET 12V çıkışına uygulanmaktadır.

Arduino'nuz ne kadar iyi programlanmış veya kodlanmış olursa olsun, bir transistör veya harici bir donanım ile doğru bir şekilde entegre edilmemişse, sistemin verimsiz çalışmasına ve hatta sistemdeki bileşenlere zarar vermesine neden olabilir.

Bu nedenle, mikrodenetleyici ile mosfetler ve BJT'ler gibi harici aktif bileşenleri kullanmanın doğru yöntemlerini anlamak ve öğrenmek son derece önemli hale gelir, böylece nihai sonuç etkili, sorunsuz ve verimli olur.

Transistörlerin Arduino ile arayüz oluşturma yöntemlerini tartışmadan önce, BJT'lerin ve mosfetlerin temel özelliklerini ve çalışmasını öğrenmek faydalı olacaktır.

Transistörlerin Elektriksel Özellikleri (Bipolar)

BJT, bipolar bağlantı transistörü anlamına gelir.

Bir BJT'nin temel işlevi, harici bir voltaj tetikleyicisine yanıt olarak bağlı bir yükü AÇMAKtır. Yükün, giriş tetikleyicisine kıyasla akımda çoğunlukla daha ağır olduğu varsayılır.

Bu nedenle, bir BJT'nin temel işlevi, daha düşük bir akım girişi tetikleyicisine yanıt olarak daha yüksek bir akım yükünü AÇMAKtır.

Teknik olarak buna aynı zamanda transistörün önyargısı Bu, amaçlanan bir işlev için bir transistörü çalıştırmak için akım ve voltaj kullanmak anlamına gelir ve bu öngerilimin en uygun şekilde yapılması gerekir.

BJT'lerin taban, verici, toplayıcı olmak üzere 3 uç veya 3 pimi vardır.

Taban pimi, küçük voltaj ve akım biçiminde harici giriş tetikleyicisini beslemek için kullanılır.

Verici pimi her zaman toprağa veya negatif besleme hattına bağlıdır.

Kolektör pimi, pozitif besleme üzerinden yüke bağlanır.

BJT'ler iki tür polarite, NPN ve PNP ile bulunabilir. Temel pin konfigürasyonu, tam tersi hale gelen DC besleme polaritesi dışında yukarıda açıklandığı gibi hem NPN hem de PNP için aynıdır.

bir BJT'nin pinoutları anlaşılabilir aşağıdaki resim aracılığıyla:

Yukarıdaki resimde bir NPN ve bir PNP transistörünün (BJT'ler) temel pinout konfigürasyonunu görebiliriz. NPN için yayıcı toprak hattı olur ve negatif kaynakla bağlantılıdır.

Normalde bir DC devresinde 'toprak' kelimesi kullanıldığında, bunun negatif besleme hattı olduğunu varsayıyoruz.
Bununla birlikte, bir transistör için, yayıcıyla ilişkili toprak hattı, tabanına ve kollektör voltajlarına atıfta bulunur ve yayıcı 'toprak' mutlaka negatif besleme hattı anlamına gelmeyebilir.

Evet, bir NPN BJT için zemin negatif besleme hattı olabilir, ancak bir PNP transistörü Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, 'toprak' her zaman pozitif besleme hattını ifade eder.

Her iki BJT'nin AÇMA / KAPAMA işlevi temelde aynıdır, ancak polarite değişir.

Bir BJT'nin vericisi, içinden giren ve taban ve toplayıcı için 'çıkış' geçidi olduğundan, taban / kolektör girişlerinde kullanılan voltajın tersi olması gereken bir besleme hattına 'topraklanmalıdır'. Aksi takdirde devre tamamlanmayacaktır.

Bir NPN BJT için, taban ve kollektör girişleri bir pozitif tetikleme veya anahtarlama voltajı ile ilişkilidir, bu nedenle emitörün negatif hatta referanslanması gerekir.

Bu, tabana ve kollektöre giren pozitif voltajların emitör üzerinden negatif hatta ulaşmasını ve devreyi tamamlamasını sağlar.

Bir PNP BJT için, taban ve kollektör bir negatif voltaj girişi ile ilişkilendirilir, bu nedenle doğal olarak bir PNP'nin vericisi pozitif hatta referans alınmalıdır, böylece pozitif besleme vericiden girebilir ve temelden yolculuğunu bitirebilir. ve toplayıcı pimleri.

NPN için akım akışının taban / kolektörden yayıcıya doğru olduğunu, PNP için ise emitörden tabana / kollektöre doğru olduğunu unutmayın.

Her iki durumda da amaç, BJT'nin tabanındaki küçük bir voltaj girişi aracılığıyla toplayıcı yükünü AÇIK konuma getirmektir, sadece polarite değişiklikleri budur.

Aşağıdaki simülasyon temel işlemi göstermektedir:

Yukarıdaki simülasyonda butona basıldığı anda harici gerilim girişi BJT'nin tabanına girer ve emitör üzerinden toprak hattına ulaşır.

Bu olurken, BJT'nin içindeki toplayıcı / yayıcı geçişi açılır ve üstten gelen pozitif beslemenin ampulün içine girmesine ve vericiden toprağa geçmesine izin vererek ampulü (yükü) çalıştırır.

Her iki anahtarlama, basma düğmesine basılmasına yanıt olarak neredeyse aynı anda gerçekleşir.

Buradaki yayıcı pimi, her iki giriş beslemesi (taban ve toplayıcı) için ortak 'çıkış' pin çıkışı haline gelir.

Verici besleme hattı, giriş besleme tetikleyicisi ve ayrıca yük için ortak toprak hattı haline gelir.

Bu, BJT vericisine bağlanan besleme hattının da kesinlikle harici tetikleme kaynağının toprağına ve yüke bağlı olması gerektiği anlamına gelir.

Neden bir BJT'nin Tabanında bir Direnç kullanıyoruz?

Bir BJT'nin tabanı, düşük güç girişleriyle çalışmak üzere tasarlanmıştır ve bu pin büyük akım girişlerini alamaz ve bu nedenle, tabana büyük bir akımın girmesine izin verilmediğinden emin olmak için bir direnç kullanıyoruz.

Direncin temel işlevi, yük spesifikasyonuna göre akımı doğru bir belirtilen değerle sınırlandırmaktır.

Lütfen aklınızda bulundurun BJT'ler için bu direncin kollektör tarafı yük akımına göre boyutlandırılması gerektiğine dikkat edin.

Neden?

Çünkü BJT'ler akıma bağlı 'anahtarlardır'.

Yani, taban akımının kollektör tarafındaki yük akımı özelliklerine göre artırılması veya azaltılması veya ayarlanması gerekir.

Ancak bir BJT'nin tabanında gerekli olan anahtarlama voltajı 0,6V veya 0,7V kadar düşük olabilir. Yani, BJT toplayıcı yükü, bir BJT'nin tabanı / vericisi boyunca 1V kadar düşük bir voltajla AÇIK konuma getirilebilir.
Temel direnci hesaplamak için temel formül:

R = (Us - 0.6) Hfe / Yük Akımı,

R = transistörün temel direnci,

Us = Kaynak veya taban direncine tetik voltajı,

Hfe = Transistörün ileri akım kazancı (BJT'nin veri sayfasından bulunabilir).

Formül düzgün görünse de, temel direnci bu kadar doğru bir şekilde yapılandırmak her zaman kesinlikle gerekli değildir.

Bunun nedeni, BJT temel özelliklerinin geniş bir tolerans aralığına sahip olması ve direnç değerlerindeki geniş farklılıkları kolayca tolere edebilmesidir.

Örneğin, bir röle bağlamak için 30mA bobin direncine sahip olan formül, 12V besleme girişinde bir BC547 için kabaca 56K'lık bir direnç değeri sağlayabilir ... ama ben normalde 10K kullanmayı tercih ediyorum ve kusursuz çalışıyor.

Bununla birlikte, optimal kuralları takip etmiyorsanız, sonuçlarda iyi olmayan bir şeyler olabilir, değil mi?

Teknik olarak bu mantıklı, ancak yine hesaplamalar için harcanan çabaya kıyasla kayıp çok küçük, ihmal edilebilir.

Örneğin 56K yerine 10K kullanmak, transistörü biraz daha fazla temel akımla çalışmaya zorlayabilir, biraz daha fazla ısınmasına neden olabilir, birkaç derece daha yüksek olabilir ... ki bu hiç önemli değil.

BJT'yi Arduino ile Bağlama

Tamam, şimdi asıl noktaya gelelim.

Şimdiye kadar bir BJT'nin 3 pin çıkışı boyunca nasıl önyargılı olması ve yapılandırılması gerektiğini kapsamlı bir şekilde öğrendiğimizden, Arduino gibi herhangi bir mikrodenetleyici ile arayüzüne ilişkin ayrıntıları hızlı bir şekilde kavrayabiliriz.

Bir BJT'yi bir Arduino ile bağlamanın temel amacı, genellikle Arduino çıkış pinlerinden birinden programlanmış bir çıkışa yanıt olarak, toplayıcı tarafında bir yükü veya bazı parametreleri AÇMAKtır.

Burada, BJT temel pini için tetik girişinin Arduino'dan gelmesi gerekiyor. Bu, temel direncin ucunun basitçe Arduino'dan ilgili çıkışa ve BJT toplayıcısına yük veya herhangi bir harici parametre ile bağlanması gerektiği anlamına gelir.

Bir BJT, etkili bir anahtarlama için neredeyse 0.7V ila 1V gerektirdiğinden, Arduino çıkış pininden 5V, bir BJT'yi sürmek ve makul yükleri çalıştırmak için mükemmel bir şekilde yeterli hale gelir.
Örnek bir konfigürasyon aşağıdaki resme bakılabilir:

Bu görselde programlanmış bir Arduino'nun BJT sürücü aşaması üzerinden röle şeklinde küçük bir yükü çalıştırmak için nasıl kullanıldığını görebiliriz. Röle bobini kolektör yükü olurken, seçilen Arduino çıkış pininden gelen sinyal BJT tabanı için giriş anahtarlama sinyali gibi davranır.

Bir röle, bir transistör sürücüsü aracılığıyla ağır yükleri çalıştırmak için en iyi seçenek haline gelse de, mekanik anahtarlama istenmeyen bir faktör olduğunda, BJT'lerin yükseltilmesi, aşağıda gösterildiği gibi, yüksek akım DC yüklerini çalıştırmak için daha iyi bir seçim haline gelir.

Yukarıdaki örnekte, bir röleye bağlı olmaksızın belirtilen yüksek akım 100 watt yükünü idare etmek için yapılandırılmış bir Darlington transistör ağı görülebilir. Bu, tüm parametreler için uzun bir çalışma ömrü sağlayarak minimum bozulma ile LED'in kesintisiz olarak değiştirilmesine olanak tanır.

Şimdi ilerleyelim ve mosfetlerin bir Arduino ile nasıl yapılandırılabileceğini görelim.

MOSFET'in Elektriksel Özellikleri

Bir Arduino ile bir mosfet kullanmanın amacı, genellikle yukarıda tartışıldığı gibi BJT'ninkine benzer.

Ancak, normalden beri MOSFET'ler tasarlandı BJT'lere kıyasla daha yüksek akım özelliklerini verimli bir şekilde idare etmek için, bunlar çoğunlukla yüksek güç yüklerini anahtarlamak için kullanılır.

Bir mosfet'in Arduino ile arayüzünü anlamadan önce, temel bilgileri bilmek ilginç olurdu. BJT'ler ve mosfetler arasındaki fark

Önceki tartışmamızda anladık ki BJT'ler mevcut bağımlı cihazlardır , çünkü taban anahtarlama akımı kollektör yük akımına bağlıdır. Daha yüksek yük akımları daha yüksek taban akımı gerektirir ve bunun tersi de geçerlidir.

Mosfetler için bu doğru değildir, başka bir deyişle BJT tabanına eşdeğer olan mosfet kapısı, boşaltma akımına bakılmaksızın AÇIK konuma getirmek için minimum akım gerektirir (mosfet'in boşaltma pimi, BJT'nin toplayıcı pimine eşdeğerdir).

Bunu söyledikten sonra, bir mosfet kapısını değiştirmek için akım belirleyici faktör olmasa da, voltajdır.

Bu nedenle mosfetler, voltaja bağlı cihazlar olarak kabul edilir.

Bir mosfet için sağlıklı önyargı oluşturmak için gereken minimum voltaj 5V veya 9V olup, bir mosfet'i tamamen AÇIK konuma getirmek için en uygun aralık 12v'dir.

Bu nedenle, bir mosfet'i ve tahliyesi boyunca bir yükü AÇIK konuma getirmek için, en iyi sonuç için kapısı boyunca 10V'luk bir beslemenin kullanılabileceğini varsayabiliriz.

Mosfets ve BJT'lerin eşdeğer pinleri

Aşağıdaki görüntü, mosfetlerin ve BJT'lerin tamamlayıcı pimlerini göstermektedir.

Base, Gate-Collector'a karşılık gelir, Drain-Emitter'e karşılık gelir, Kaynağa karşılık gelir.

Mosfet Kapısı için Hangi Direnç Kullanılmalıdır

Daha önceki eğitimlerimizden, bir BJT'nin tabanındaki direncin çok önemli olduğunu ve bu olmadan BJT'nin anında hasar görebileceğini anladık.

Bir MOSFET için bu çok alakalı olmayabilir, çünkü MOSFET'ler kapılarındaki akım farklılıklarından etkilenmezler, bunun yerine daha yüksek bir voltaj tehlikeli olarak kabul edilebilir. Tipik olarak 20V üzerindeki herhangi bir şey bir MOSFET geçidi için kötü olabilir, ancak akım önemsiz olabilir.

Bu nedenle, kapıda bir direnç geçerli değildir, çünkü dirençler akımı sınırlamak için kullanılır ve mosfet kapısı akıma bağlı değildir.

Bununla birlikte, MOSFET'ler ani artışlara ve geçişlere karşı oldukça savunmasız BJT'lere kıyasla kapılarında.

Bu nedenle MOSFET kapılarında genellikle düşük değerli bir direnç tercih edilir, sadece ani bir voltaj yükselmesinin MOSFET geçidinden geçip dahili olarak parçalanmasını önlemek için.

Tipik 10 ila 50 ohm arasında herhangi bir direnç kapılarını beklenmedik voltaj yükselmelerinden korumak için MOSFET kapılarında kullanılabilir.

Bir MOSFET ile Arduino'nun Arayüzü

Yukarıdaki paragrafta açıklandığı gibi, bir mosfet'in düzgün bir şekilde AÇILMASI için yaklaşık 10V ila 12V'a ihtiyacı olacaktır, ancak Arduino'lar 5V ile çalıştığı için çıkışı doğrudan bir mosfet ile yapılandırılamaz.

Bir Arduino 5V besleme ile çalıştığından ve tüm çıkışları mantıksal yüksek besleme sinyali olarak 5V üretmek üzere tasarlanmıştır. Bu 5V, bir MOSFET'i AÇMA yeteneğine sahip olsa da, cihazların verimsiz anahtarlanmasına ve ısınma sorunlarına neden olabilir.

Etkili MOSFET anahtarlaması ve 5V çıkışını Arduino'dan 12V sinyale dönüştürmek için, aşağıdaki görüntüde gösterildiği gibi bir ara tampon aşaması yapılandırılabilir:

Şekilde, MOSFET, MOSFET'in güç kaynağından 12V kullanmasına ve kendisini ve yükü etkin bir şekilde AÇIK duruma getirmesine izin veren birkaç BJT tampon aşaması ile yapılandırılmış olarak görülebilir.

Tek bir BJT, MOSFET'in her pozitif Arduino sinyaline yanıt olarak ters yönde davranmasına neden olacağından burada iki BJT kullanılır.

Bir BJT kullanıldığını varsayalım, o zaman BJT pozitif bir Arduino sinyali ile AÇIK iken, mosfet kapatılacaktır, çünkü kapısı BJT toplayıcı tarafından topraklanacaktır ve yük Arduino KAPALI iken AÇIK konuma getirilecektir.

Temel olarak, bir BJT, mosfet geçidi için Arduino sinyalini ters çevirerek ters bir anahtarlama tepkisine neden olur.

Bu durumu düzeltmek için, iki BJT kullanılır, böylece ikinci BJT yanıtı tersine çevirir ve mosfet'in yalnızca Arduino'dan gelen her pozitif sinyal için AÇIK konuma geçmesine izin verir.

Son düşünceler

Şimdiye kadar BJT'leri ve mosfetleri bir mikrodenetleyici veya Arduino ile bağlamanın doğru yöntemini kapsamlı bir şekilde anlamış olmalısınız.

Entegrasyonlar için çoğunlukla NPN BJT'leri ve N-kanallı mosfetleri kullandığımızı ve PNP ve P-kanal cihazlarını kullanmaktan kaçtığımızı fark etmiş olabilirsiniz. Bunun nedeni, NPN sürümlerinin ideal olarak bir anahtar gibi çalışması ve yapılandırılırken anlaşılmasının kolay olmasıdır.

Bu, bir arabayı arkaya bakıp geri viteste kullanmak yerine normal olarak ileri yönde sürmek gibidir. Her iki şekilde de araba çalışır ve hareket eder, ancak geri viteste sürüş çok verimsizdir ve mantıklı değildir. Aynı benzerlik burada da geçerlidir ve NPN veya N-kanallı cihazların kullanılması PNP veya P-kanallı mosfetlere kıyasla daha iyi bir tercih haline gelir.

Herhangi bir şüpheniz varsa veya burada bir şeyi gözden kaçırmış olabileceğimi düşünüyorsanız, lütfen daha fazla tartışma için aşağıdaki yorum kutusunu kullanın.