הממשק של התקני כוח כמו BJTs ו- MOSFET עם פלט Arduino הוא תצורה מכריעה המאפשרת החלפת עומסי הספק גבוהים באמצעות תפוקות חשמל נמוכות של Arduino.
במאמר זה נדון בהרחבה בשיטות הנכונות לשימוש או לחיבור טרנזיסטורים כמו BJTs ו- mosfets עם כל מיקרו-בקר או ארדואינו.
שלבים כאלה מכונים גם 'שיפטר ברמה' מכיוון שלב זה משנה את רמת המתח מנקודה נמוכה לנקודה גבוהה יותר עבור פרמטר הפלט הרלוונטי. לדוגמא כאן מיושם שינוי הרמה מפלט 5V של Arduino לפלט 12V של MOSFET בעומס 12V שנבחר.
לא משנה כמה מתוכנת או מקודד הארדואינו שלכם, אם הוא אינו משולב כהלכה עם טרנזיסטור או חומרה חיצונית, עלול לגרום להפעלה לא יעילה של המערכת או אפילו לפגיעה ברכיבים המעורבים במערכת.
לכן, חשוב מאוד להבין וללמוד את השיטות הנכונות לשימוש ברכיבים פעילים חיצוניים כמו mosfets ו- BJTs עם מיקרו-בקר, כך שהתוצאה הסופית תהיה יעילה, חלקה ויעילה.
לפני שנדון בשיטות הממשק של טרנזיסטורים עם ארדואינו, יהיה כדאי ללמוד את המאפיינים הבסיסיים והעבודה של BJTs ו- mosfets.
מאפיינים חשמליים של טרנזיסטורים (דו קוטבית)
BJT מייצג טרנזיסטור צומת דו קוטבי.
הפונקציה הבסיסית של BJT היא להפעיל עומס צמוד בתגובה לדק מתח חיצוני. העומס אמור להיות כבד יותר בעיקר בזרם בהשוואה להדק הקלט.
לפיכך, הפונקציה הבסיסית של BJT היא להפעיל עומס זרם גבוה יותר בתגובה להדק קלט זרם נמוך יותר.
טכנית, זה נקרא גם הטיית הטרנזיסטור , שמשמעותו שימוש בזרם ומתח להפעלת טרנזיסטור לתפקוד המיועד, והטייה זו צריכה להיעשות בצורה האופטימלית ביותר.
ל- BJT יש 3 מובילים או 3 פינים, כלומר בסיס, פולט, אספן.
סיכת הבסיס משמשת להזנת הדק הכניסה החיצוני, בצורה של מתח וזרם קטנים.
סיכת הפולט מחוברת תמיד לקרקע או לקו האספקה השלילי.
סיכת האספן מחוברת לעומס באמצעות האספקה החיובית.
ניתן למצוא BJT עם שני סוגים של קוטביות, NPN ו- PNP. תצורת הסיכה הבסיסית זהה הן ל- NPN והן ל- PNP כפי שהוסבר לעיל, למעט קוטביות אספקת DC ההופכת בדיוק להיפך.
ה ניתן היה להבין שסיכות של BJT דרך התמונה הבאה:
בתמונה לעיל אנו יכולים לראות את תצורת ה- pinout הבסיסית של NPN וטרנזיסטורי PNP (BJT). עבור ה- NPN הפולט הופך לקו הקרקע, ומחובר עם ההיצע השלילי.
בדרך כלל כאשר משתמשים במילה 'קרקע' במעגל DC, אנו מניחים שהיא קו האספקה השלילי.
עם זאת, עבור טרנזיסטור קו הקרקע המשויך לפולט הוא בהתייחס לבסיסו ולמתחי הקולט, ו'הארקה 'של הפולט לא יכולה להיות בהכרח קו האספקה השלילי.
כן, עבור BPN של NPN הקרקע יכולה להיות קו האספקה השלילי, אבל עבור טרנזיסטור PNP 'הקרקע' מתייחסת תמיד לקו האספקה החיובי, כפי שמוצג באיור לעיל.
הפעלת הפעלה / כיבוי של שני ה- BJT זהה בעצם, אך הקוטביות משתנה.
מכיוון שהפולט של BJT הוא מעבר 'היציאה' של הזרם הנכנס דרך הבסיס והקולט, עליו להיות 'מקורקע' לקו אספקה שאמור להיות הפוך למתח המשמש בכניסות בסיס / אספן. אחרת המעגל לא יושלם.
עבור NPN BJT, הבסיס וכניסות הקולט קשורים להדק חיובי או למיתוג, ולכן יש להתייחס לפולט לקו השלילי.
זה מבטיח שהמתחים החיוביים הנכנסים לבסיס והקולט מסוגלים להגיע לקו השלילי דרך הפולט ולהשלים את המעגל.
עבור PNP BJT, הבסיס והקולט משויכים לכניסת מתח שלילית, ולכן באופן טבעי יש להתייחס לפולט של PNP לקו החיובי, כך שהאספקה החיובית תוכל להיכנס דרך הפולט ולסיים את דרכו מהבסיס. ואת סיכות האספנים.
שים לב שזרם הזרם עבור ה- NPN הוא מבסיס / אספן לכיוון פולט, ואילו עבור ה- PNP, זה מהפולט לכיוון הבסיס / אספן.
בשני המקרים המטרה היא להפעיל את עומס האספן באמצעות קלט מתח קטן בבסיס ה- BJT, רק הקוטביות משתנה זה הכל.
הסימולציה הבאה מציגה את הפעולה הבסיסית:
בסימולציה שלמעלה, ברגע שלוחצים על הכפתור, כניסת המתח החיצונית נכנסת לבסיס ה- BJT ומגיעה לקו הקרקע דרך הפולט.
בעוד שזה קורה מעבר האספן / הפולט בתוך ה- BJT נפתח ומאפשר לאספקה החיובית מלמעלה להיכנס לנורה, ולעבור דרך הפולט לקרקע, ומפעיל את הנורה (עומס).
שני ההחלפות מתרחשות כמעט בו זמנית בתגובה ללחיצה על כפתור הלחיצה.
סיכת הפולט כאן הופכת לפינאוט 'יציאה' הנפוץ עבור שני הזנות הקלט (בסיס וקולט).
וקו האספקה לפולט הופך לקו הקרקע המשותף להדק אספקת הקלט, וגם לעומס.
מה שאומר שקו האספקה המתחבר לפולט ה- BJT חייב להיות מחובר בקפידה גם עם קרקע מקור ההדק החיצוני והעומס.
מדוע אנו משתמשים בנגד בבסיס של BJT
הבסיס של BJT מתוכנן לעבוד עם כניסות צריכת חשמל נמוכות, וסיכה זו אינה יכולה להכניס כניסות זרם גדולות, ולכן אנו מפעילים נגד, רק כדי לוודא שלא מותר להכנס לזרם גדול.
הפונקציה הבסיסית של הנגד היא להגביל את הזרם לערך שצוין נכון, בהתאם למפרט העומס.
שימו לב כי, עבור BJTs, יש למקד את הנגד הזה לפי זרם העומס בצד הקולט.
למה?
מכיוון ש- BJT הם 'מתגים' תלויי זרם.
כלומר, צריך להגדיל או להקטין את זרם הבסיס בהתאם למפרט זרם העומס בצד הקולט.
אך מתח המיתוג הנדרש בבסיס BJT יכול להיות נמוך כמו 0.6 וולט או 0.7 וולט. משמע, עומס אספן BJT יכול להיות מופעל עם מתח נמוך כמו 1V על בסיס / פולט של BJT.
הנה הנוסחה הבסיסית לחישוב הנגד הבסיסי:
R = (Us - 0.6) Hfe / עומס זרם,
כאשר R = נגד בסיס הטרנזיסטור,
Us = מקור או מתח ההדק לנגד הבסיס,
Hfe = רווח זרם קדימה של הטרנזיסטור (ניתן למצוא בגיליון הנתונים של ה- BJT).
למרות שהנוסחה נראית מסודרת, אין זה הכרחי תמיד להגדיר את הנגד הבסיסי בצורה מדויקת כל כך.
זה פשוט בגלל שמפרט בסיס ה- BJT טווח סובלנות רחב ויכול לסבול בקלות הבדלים רחבים בערכי הנגד.
לדוגמה, לחיבור ממסר בעל התנגדות סליל 30mA, הנוסחה עשויה לספק בערך ערך נגד של 56K עבור BC547 בכניסה אספקת 12V .... אך בדרך כלל אני מעדיף להשתמש ב- 10K, וזה עובד ללא דופי.
עם זאת, אם אתה לא מקיים את הכללים האופטימליים יכול להיות שמשהו לא טוב עם התוצאות, נכון?
מבחינה טכנית זה הגיוני, אבל שוב ההפסד כל כך קטן בהשוואה למאמץ שהושקע לחישובים, שניתן להזניח אותו.
לדוגמא שימוש ב- 10K במקום 56K עשוי להכריח את הטרנזיסטור לעבוד עם זרם בסיסי מעט יותר, ולגרום לו להתחמם מעט יותר, עשוי להיות גבוה בכמה מעלות ... וזה לא משנה בכלל.
כיצד לחבר BJT עם Arduino
אוקיי, עכשיו בואו נגיע לנקודה האמיתית.
מכיוון שלמדנו עד כה באופן מקיף בנוגע לאופן בו BJT צריך להיות מוטה ולהגדיר אותו על פני 3 פינותיו, אנו יכולים להבין במהירות את הפרטים הנוגעים לממשק שלו עם כל מיקרו-בקר כגון Arduino.
המטרה העיקרית של חיבור BJT עם Arduino היא בדרך כלל להפעיל עומס או פרמטר כלשהו בצד האספן, בתגובה לפלט מתוכנת מאחד מסיכות הפלט של Arduino.
כאן, קלט ההדק עבור סיכת הבסיס של BJT אמור להגיע מהארדואינו. זה מרמז על כך שקצה הנגד הבסיסי פשוט צריך להיות מחובר עם הפלט הרלוונטי מהארדואינו, ואת אספן ה- BJT עם העומס או כל פרמטר חיצוני המיועד.
מכיוון ש- BJT כמעט ולא דורש 0.7 וולט ל -1 וולט למיתוג יעיל, 5 וולט מסיכת הפלט של הארדואינו הופכת להיות מתאימה לחלוטין להנעת BJT ולהפעלת עומסים סבירים.
תצורה לדוגמא יכולה להיות לראות את התמונה הבאה:
בתמונה זו אנו יכולים לראות כיצד נעשה שימוש בארדואינו מתוכנת להפעלת מטען קטן בצורת ממסר דרך שלב הנהג BJT. סליל הממסר הופך לעומס האספן, ואילו האות מסיכת הפלט שנבחרה של Arduino פועל כמו אות מיתוג הקלט עבור בסיס ה- BJT.
אמנם, ממסר הופך לאפשרות הטובה ביותר להפעלת מטענים כבדים באמצעות נהג טרנזיסטור, כאשר מיתוג מכני הופך לגורם לא רצוי, שדרוג BJTs הופך לבחירה טובה יותר להפעלת עומסי DC זרם גבוה, כמוצג להלן.
בדוגמה לעיל ניתן לראות רשת טרנזיסטור של דרלינגטון, מוגדרת לטיפול בעומס הנוכחי הגבוה של 100 וואט ללא תלות בממסר. זה מאפשר החלפה חלקה של ה- LED עם הפרעה מינימלית, מה שמבטיח חיי עבודה ארוכים לכל הפרמטרים.
עכשיו בואו נמשיך הלאה, ונראה כיצד ניתן להגדיר מוספטים עם ארדואינו
מאפייני חשמל של MOSFET
מטרת השימוש במוספט עם ארדואינו דומה בדרך כלל לזו של BJT כפי שפורט לעיל.
עם זאת, מכיוון שבדרך כלל תוכניות MOSFET מעוצבות כדי להתמודד עם מפרט זרם גבוה יותר ביעילות בהשוואה ל- BJT, אלה משמשים בעיקר למיתוג עומסי הספק גבוהים.
לפני שנבין את הממשק של מוספט עם ארדואינו, יהיה מעניין לדעת את הבסיס ההבדל בין BJTs לבין mosfets
בדיון הקודם הבנו זאת BJTs הם מכשירים תלויי זרם מכיוון שזרם המיתוג הבסיסי שלהם תלוי בזרם עומס הקולט. זרמי עומס גבוהים יותר ידרשו זרם בסיס גבוה יותר, ולהיפך.
עבור mosfets זה לא נכון, במילים אחרות mosfets gate שווה ערך לבסיס BJT, דורש זרם מינימלי כדי להפעיל, ללא קשר לזרם הניקוז (סיכת הניקוז של mosfet שווה לסיכת אספן של BJT).
עם זאת, למרות שהזרם אינו הגורם המכריע להחלפת שער מוספט, מתח הוא.
לכן מוספטים נחשבים למכשירים תלויי מתח
המתח המינימלי הנדרש ליצירת הטיה בריאה עבור מוספט הוא 5 וולט או 9 וולט, 12 וולט הוא הטווח האופטימלי ביותר להפעלת מושג באופן מלא.
לכן אנו יכולים להניח שכדי להדליק מוספט ועומס על פני הניקוז שלו, ניתן להשתמש באספקת 10 וולט מעבר לשערו לקבלת תוצאה מיטבית.
סיכות שוות של Mosfets ו- BJTs
התמונה הבאה מציגה את הסיכות המשלימות של mosfets ו- BJTs.
בסיס מתאים ל- Collector Gate מתאים ל- Drain-Emitter מתאים למקור.
באיזה נגד יש להשתמש לשער מוספט
מההדרכות הקודמות שלנו הבנו שהנגד שבבסיס BJT הוא קריטי, שבלעדיו ה- BJT יכול להיפגע באופן מיידי.
עבור MOSFET זה לא יכול להיות כל כך רלוונטי, מכיוון ש- MOSFET אינם מושפעים מהפרשי זרם בשעריהם, במקום זאת מתח גבוה יותר יכול להיחשב מסוכן. בדרך כלל כל דבר מעל 20 וולט יכול להיות רע עבור שער MOSFET, אך הזרם עשוי להיות לא חשוב.
בשל כך, נגד בשער אינו רלוונטי מכיוון שנגדים משמשים להגבלת הזרם, ושער המוספט אינו תלוי בזרם.
עם זאת, MOSFET הם פגיע מאוד לקוצים פתאומיים וארעיים בשעריהם, בהשוואה ל- BJT.
מסיבה זו בדרך כלל עדיף נגד בעל ערך נמוך בשערי ה- MOSFET, רק כדי להבטיח שזינוק מתח פתאומי אינו מסוגל לעבור דרך שער ה- MOSFET ולקרוע אותו באופן פנימי.
בדרך כלל כל נגד שבין 10 ל 50 אוהם ניתן להשתמש בשערי MOSFET לשמירה על שעריהם מפני קפיצי מתח בלתי צפויים.
ממשק MOSFET עם Arduino
כפי שהוסבר בפסקה לעיל, mosfet יצטרך סביב 10 וולט עד 12 וולט בכדי להפעיל אותו כראוי, אך מכיוון שארדואינו עובדים עם 5 וולט, לא ניתן להגדיר את הפלט שלו ישירות עם מוספט.
מכיוון שארדואינו פועל עם אספקת 5 וולט, וכל תפוקותיו מיועדות לייצר 5 וולט כאות ההספקה ההגיוני. למרות של- 5V זה יכול להיות אפשרות להפעיל MOSFET, זה עלול לגרום למיתוג לא יעיל של ההתקנים ולבעיות חימום.
למיתוג יעיל של MOSFET ולהפיכת פלט 5V מארדואינו לאות 12 וולט, ניתן להגדיר שלב חיץ ביניים כפי שמוצג בתמונה הבאה:
באיור, ניתן לראות את ה- MOSFET מוגדר עם כמה שלבי חיץ BJT המאפשרים ל- MOSFET להשתמש ב- 12V מאספקת החשמל ולהפעיל את עצמו ואת העומס ביעילות.
משתמשים כאן בשני BJT מכיוון ש- BJT יחיד יגרום ל- MOSFET להתנהל בניגוד בתגובה לכל אותות ארדואינו חיוביים.
נניח שנעשה שימוש ב- BJT אחד, ואז בזמן שה- BJT פועל עם אות ארדואינו חיובי, המוספט יכבה, מכיוון שהשער שלו יהיה מקורקע על ידי אספן BJT והעומס יופעל בזמן שהארדואינו כבוי.
בעיקרון, BJT אחד יהפוך את אות הארדואינו לשער המוספט וכתוצאה מכך תגובת מיתוג הפוכה.
כדי לתקן מצב זה, משתמשים בשני BJTs, כך שה- BJT השני הופך את התגובה לאחור ומאפשר למוספט להפעיל את כל האותות החיוביים בלבד מהארדואינו.
מחשבות אחרונות
עד עכשיו היית צריך להבין באופן מקיף את השיטה הנכונה לחיבור BJTs ו- mosfets עם מיקרו-בקר או Arduino.
אולי שמתם לב שהשתמשנו בעיקר ב- NPN BJTs וב- mosfets בערוץ N לצורך השילובים ונמנענו משימוש במכשירי PNP ו- P. הסיבה לכך היא שגרסאות NPN עובדות באופן אידיאלי כמו מתג וקל להבנה בזמן התצורה.
זה כמו לנהוג במכונית בדרך כלל בכיוון קדימה, במקום להסתכל מאחור ולנהוג בהילוך אחורי. בשני הכיוונים המכונית תפעל ותנוע, אך נסיעה בהילוך לאחור אינה יעילה הרבה ואינה הגיונית. אותה האנלוגיה חלה כאן, ושימוש במכשירי NPN או N-Channel הופך להעדפה טובה יותר בהשוואה למוספטי PNP או P-channel.
אם יש לך ספקות, או אם אתה חושב שאולי פספסתי משהו כאן, השתמש בתיבת ההערות למטה לדיון נוסף.
קודם: נחקרו שני מעגלי בקרת מנוע דו כיווניים פשוטים הבא: התחל לנעול את לחצן האופנוע
