Cách kết nối bóng bán dẫn (BJT) và MOSFET với Arduino

Giao diện của các thiết bị nguồn như BJT và MOSFET với đầu ra Arduino là một cấu hình quan trọng cho phép chuyển tải công suất cao qua đầu ra công suất thấp của Arduino.

Trong bài viết này, chúng tôi thảo luận tỉ mỉ về các phương pháp chính xác để sử dụng hoặc kết nối các bóng bán dẫn như BJT và mosfet với bất kỳ vi điều khiển hoặc Arduino nào.

Các giai đoạn như vậy cũng được gọi là 'Cấp độ Shifter' bởi vì giai đoạn này thay đổi mức điện áp từ điểm thấp hơn đến điểm cao hơn đối với thông số đầu ra liên quan. Ví dụ ở đây, sự thay đổi mức đang được thực hiện từ đầu ra Arduino 5V sang đầu ra MOSFET 12V cho tải 12V đã chọn.

Cho dù Arduino của bạn được lập trình hoặc mã hóa tốt đến đâu, nếu nó không được tích hợp chính xác với bóng bán dẫn hoặc phần cứng bên ngoài, có thể dẫn đến hoạt động kém hiệu quả của hệ thống hoặc thậm chí làm hỏng các thành phần liên quan trong hệ thống.

Do đó, việc hiểu và học đúng phương pháp sử dụng các thành phần hoạt động bên ngoài như mosfet và BJT với vi điều khiển trở nên cực kỳ quan trọng, để kết quả cuối cùng hiệu quả, trơn tru và hiệu quả.

Trước khi chúng ta thảo luận về các phương pháp giao tiếp của bóng bán dẫn với Arduino, sẽ rất hữu ích nếu bạn tìm hiểu các đặc điểm cơ bản và hoạt động của BJT và mosfet.

Đặc tính điện của bóng bán dẫn (lưỡng cực)

BJT là viết tắt của bóng bán dẫn mối nối lưỡng cực.

Chức năng cơ bản của BJT là BẬT một tải gắn liền để đáp ứng với kích hoạt điện áp bên ngoài. Tải được cho là chủ yếu nặng hơn trong dòng điện so với kích hoạt đầu vào.

Do đó, chức năng cơ bản của BJT là BẬT tải dòng điện cao hơn để đáp ứng với kích hoạt đầu vào dòng điện thấp hơn.

Về mặt kỹ thuật, đây còn được gọi là xu hướng của bóng bán dẫn , có nghĩa là sử dụng dòng điện và điện áp để vận hành bóng bán dẫn cho một chức năng dự định và xu hướng này phải được thực hiện theo cách tối ưu nhất.

BJT có 3 dây dẫn hoặc 3 chân, đó là chân đế, cực phát, cực thu.

Chân đế được sử dụng để cấp nguồn kích hoạt đầu vào bên ngoài, ở dạng điện áp và dòng điện nhỏ.

Chân cực phát luôn được kết nối với đất hoặc đường dây cung cấp âm.

Chân thu được nối với tải qua nguồn dương.

BJT có thể được tìm thấy với hai loại phân cực, NPN và PNP. Cấu hình chân cơ bản giống nhau đối với cả NPN và PNP như đã giải thích ở trên, ngoại trừ cực của nguồn cung cấp DC trở nên ngược lại.

Các sơ đồ chân của một BJT có thể được hiểu qua hình ảnh sau:

Trong hình trên, chúng ta có thể thấy cấu hình sơ đồ chân cơ bản của bóng bán dẫn NPN và PNP (BJT). Đối với NPN, bộ phát trở thành đường nối đất và được kết nối với nguồn cung cấp âm.

Thông thường khi từ 'nối đất' được sử dụng trong mạch một chiều, chúng ta giả sử nó là đường cung cấp âm.
Tuy nhiên, đối với một bóng bán dẫn, đường nối đất liên kết với bộ phát có liên quan đến cơ sở của nó và điện áp bộ thu, và 'đất' của bộ phát có thể không nhất thiết có nghĩa là đường cung cấp âm.

Có, đối với NPN BJT, mặt đất có thể là đường cung cấp âm, nhưng đối với Bóng bán dẫn PNP 'mặt đất' luôn được tham chiếu đến đường cung cấp dương, như thể hiện trong hình trên.

Chức năng BẬT / TẮT chuyển mạch của cả hai BJT về cơ bản giống nhau, nhưng cực tính thay đổi.

Vì bộ phát của BJT là lối ra 'lối ra' cho dòng điện đi qua và chân đế và bộ thu, nó phải được 'nối đất' với đường dây cung cấp phải ngược với điện áp được sử dụng ở đầu vào đế / cực thu. Nếu không, mạch sẽ không hoàn thành.

Đối với NPN BJT, chân đế và đầu vào bộ thu được liên kết với điện áp kích hoạt hoặc chuyển mạch tích cực, do đó bộ phát phải được tham chiếu đến đường âm.

Điều này đảm bảo rằng các điện áp dương đi vào đế và bộ thu có thể đạt đến dòng âm qua bộ phát và hoàn thành mạch.

Đối với một PNP BJT, đế và bộ thu được liên kết với đầu vào điện áp âm, do đó, đương nhiên bộ phát của một PNP phải được tham chiếu đến dòng dương, để nguồn dương có thể đi vào qua bộ phát và kết thúc hành trình của nó từ đế và các chân thu.

Lưu ý rằng dòng điện đối với NPN là từ chân đế / bộ thu tới bộ phát, trong khi đối với PNP, nó từ bộ phát hướng tới đế / bộ thu.

Trong cả hai trường hợp, mục tiêu là BẬT tải thu qua đầu vào điện áp nhỏ ở chân BJT, chỉ thay đổi cực tính là xong.

Mô phỏng sau đây cho thấy hoạt động cơ bản:

Trong mô phỏng ở trên, ngay sau khi nhấn nút, đầu vào điện áp bên ngoài đi vào đế của BJT và đến đường dây nối đất thông qua bộ phát.

Trong khi điều này xảy ra, đoạn thu / cực phát bên trong BJT sẽ mở ra và cho phép nguồn cung cấp tích cực từ phía trên đi vào bóng đèn và đi qua bộ phát xuống đất, BẬT bóng đèn (tải).

Cả hai chuyển đổi xảy ra gần như đồng thời để phản ứng với việc nhấn nút nhấn.

Chân bộ phát ở đây trở thành sơ đồ chân 'lối ra' chung cho cả nguồn cấp dữ liệu đầu vào (chân đế và bộ thu).

Và đường cung cấp bộ phát trở thành đường nối đất chung cho kích hoạt nguồn cung cấp đầu vào và cả tải.

Có nghĩa là, đường cung cấp kết nối với bộ phát BJT cũng phải được kết nối chặt chẽ với đất của nguồn kích hoạt bên ngoài và tải.

Tại sao chúng tôi sử dụng một điện trở ở cơ sở của một BJT

Chân đế của BJT được thiết kế để hoạt động với đầu vào công suất thấp và chân này không thể nhận đầu vào dòng điện lớn, và do đó chúng tôi sử dụng một điện trở, chỉ để đảm bảo rằng không có dòng điện lớn nào được phép đi vào đế.

Chức năng cơ bản của điện trở là giới hạn dòng điện đến một giá trị xác định chính xác, theo thông số kỹ thuật của tải.

Xin lưu ý rằng, đối với BJT, điện trở này phải được ghi kích thước theo dòng tải phía bộ thu.

Tại sao?

Bởi vì BJT là 'công tắc' phụ thuộc hiện tại.

Có nghĩa là, dòng cơ bản cần được tăng hoặc giảm hoặc điều chỉnh phù hợp với thông số kỹ thuật dòng tải ở phía bộ thu.

Nhưng điện áp chuyển mạch yêu cầu ở chân BJT có thể thấp tới 0,6V hoặc 0,7V. Có nghĩa là, tải bộ thu BJT có thể được BẬT với điện áp thấp nhất là 1V trên cơ sở / bộ phát của BJT.
Đây là công thức cơ bản để tính điện trở cơ bản:

R = (Mỹ - 0,6) Hfe / Dòng tải,

Trong đó R = điện trở cơ bản của bóng bán dẫn,

Us = Nguồn hoặc điện áp kích hoạt cho điện trở cơ bản,

Hfe = Độ lợi dòng chuyển tiếp của bóng bán dẫn (có thể tìm thấy từ biểu dữ liệu của BJT).

Mặc dù công thức có vẻ gọn gàng, nhưng không phải lúc nào cũng cần cấu hình chính xác điện trở cơ bản.

Đơn giản là bởi vì, các thông số kỹ thuật của cơ sở BJT có phạm vi dung sai rộng và có thể dễ dàng chịu được sự khác biệt lớn về giá trị điện trở.

Ví dụ, để kết nối một rơ le có điện trở cuộn dây 30mA, công thức có thể cung cấp giá trị điện trở là 56K cho BC547 ở đầu vào nguồn cung cấp 12V .... nhưng tôi thường thích sử dụng 10K và nó hoạt động hoàn hảo.

Tuy nhiên, nếu bạn không tuân theo các quy tắc tối ưu, có thể có điều gì đó không tốt với kết quả, phải không?

Về mặt kỹ thuật thì điều đó có ý nghĩa, nhưng một lần nữa sự mất mát quá nhỏ so với công sức bỏ ra cho các phép tính, nó có thể bị bỏ qua.

Ví dụ, sử dụng 10K thay vì 56K có thể buộc bóng bán dẫn hoạt động với dòng điện cơ bản hơn một chút, khiến nó nóng lên một chút, có thể cao hơn một vài độ ... điều này không thành vấn đề.

Cách kết nối BJT với Arduino

OK, bây giờ chúng ta hãy đi vào vấn đề thực tế.

Vì cho đến nay chúng ta đã tìm hiểu một cách toàn diện về cách một BJT cần được thiên vị và cấu hình trên 3 sơ đồ chân của nó, chúng ta có thể nhanh chóng nắm được các chi tiết liên quan đến giao diện của nó với bất kỳ vi điều khiển nào như Arduino.

Mục đích chính của việc kết nối BJT với Arduino thường là để BẬT tải hoặc một số thông số ở phía bộ thu, để đáp ứng với đầu ra được lập trình từ một trong các chân đầu ra của Arduino.

Ở đây, đầu vào kích hoạt cho chân cơ sở BJT được cho là đến từ Arduino. Điều này có nghĩa là đầu cuối của điện trở cơ bản chỉ cần được gắn với đầu ra có liên quan từ Arduino và bộ thu của BJT với tải hoặc bất kỳ thông số bên ngoài dự kiến ​​nào.

Vì BJT hầu như không yêu cầu 0,7V đến 1V để chuyển đổi hiệu quả, nên 5V từ chân đầu ra Arduino trở nên hoàn toàn đủ để điều khiển BJT và vận hành các tải hợp lý.
Một cấu hình ví dụ có thể được xem hình ảnh sau:

Trong hình ảnh này, chúng ta có thể thấy cách một Arduino được lập trình được sử dụng để vận hành một tải nhỏ dưới dạng rơle thông qua giai đoạn trình điều khiển BJT. Cuộn dây chuyển tiếp trở thành tải thu, trong khi tín hiệu từ chân đầu ra Arduino đã chọn hoạt động giống như tín hiệu chuyển mạch đầu vào cho đế BJT.

Mặc dù, rơ le trở thành lựa chọn tốt nhất để vận hành tải nặng thông qua trình điều khiển bóng bán dẫn, khi chuyển mạch cơ học trở thành một yếu tố không mong muốn, nâng cấp BJT trở thành lựa chọn tốt hơn để vận hành tải DC dòng cao, như hình dưới đây.

Trong ví dụ trên có thể thấy một mạng bóng bán dẫn Darlington, được cấu hình để xử lý tải 100 watt hiện tại cao được chỉ định mà không phụ thuộc vào rơ le. Điều này cho phép chuyển đổi liền mạch của đèn LED với mức nhiễu tối thiểu, đảm bảo tuổi thọ làm việc lâu dài cho tất cả các thông số.

Bây giờ chúng ta hãy tiếp tục, và xem cách các mosfet có thể được cấu hình với Arduino

Đặc tính điện của MOSFET

Mục đích của việc sử dụng mosfet với Arduino thường tương tự như mục đích của BJT như đã thảo luận ở trên.

Tuy nhiên, vì bình thường MOSFET được thiết kế để xử lý các thông số kỹ thuật hiện tại cao hơn một cách hiệu quả so với BJT, chúng chủ yếu được sử dụng để chuyển đổi tải công suất cao.

Trước khi chúng ta hiểu về giao diện của một mosfet với Arduino, sẽ rất thú vị khi biết những điều cơ bản sự khác biệt giữa BJT và MOSFET

Trong cuộc thảo luận trước, chúng tôi đã hiểu rằng BJT là thiết bị phụ thuộc hiện tại , bởi vì dòng chuyển mạch cơ sở của chúng phụ thuộc vào dòng tải của bộ thu. Dòng tải cao hơn sẽ yêu cầu dòng cơ bản cao hơn và ngược lại.

Đối với mosfet thì điều này không đúng, hay nói cách khác là cổng mosfet tương đương với cơ sở BJT, yêu cầu dòng điện tối thiểu để chuyển sang BẬT, bất kể dòng tiêu là bao nhiêu (chân thoát của mosfet tương đương với chân thu của BJT).

Đã nói điều này, mặc dù dòng điện không phải là yếu tố quyết định để chuyển đổi một cổng mosfet, điện áp là.

Do đó mosfet được coi là thiết bị phụ thuộc điện áp

Điện áp tối thiểu cần thiết để tạo xu hướng khỏe mạnh cho một mosfet là 5V hoặc 9V, 12v là phạm vi tối ưu nhất để BẬT hoàn toàn một mosfet.

Do đó, chúng ta có thể giả định rằng để BẬT một mosfet và tải qua cống của nó, nguồn cung cấp 10V có thể được sử dụng trên cổng của nó để có kết quả tối ưu.

Các chân tương đương của Mosfet và BJT

Hình ảnh sau đây cho thấy các chân bổ sung của mosfet và BJT.

Base tương ứng với Gate-Collector tương ứng với Drain-Emitter tương ứng với Source.

Điện trở nào nên được sử dụng cho cổng Mosfet

Từ các hướng dẫn trước đây của chúng tôi, chúng tôi đã hiểu rằng điện trở ở chân của BJT là rất quan trọng, nếu không có điện trở BJT có thể bị hỏng ngay lập tức.

Đối với MOSFET, điều này có thể không phù hợp lắm, vì MOSFET không bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt hiện tại tại các cổng của chúng, thay vào đó, điện áp cao hơn có thể được coi là nguy hiểm. Thông thường, bất cứ thứ gì trên 20V đều có thể không tốt cho cổng MOSFET, nhưng dòng điện có thể là không quan trọng.

Do đó, một điện trở ở cổng không liên quan vì điện trở được sử dụng để hạn chế dòng điện và cổng mosfet không phụ thuộc vào dòng điện.

Điều đó nói rằng, MOSFET là cực kỳ dễ bị tổn thương do đột ngột và quá độ tại cửa của họ, so với BJT.

Vì lý do này, một điện trở có giá trị thấp thường được ưu tiên sử dụng ở các cổng của MOSFET, chỉ để đảm bảo không có đột biến điện áp đột ngột có thể đi qua cổng MOSFET và xé nó ra bên trong.

Thông thường bất kỳ điện trở nào từ 10 đến 50 ohms có thể được sử dụng tại các cổng MOSFET để bảo vệ các cổng của chúng khỏi các xung đột biến điện áp bất ngờ.

Giao tiếp MOSFET với Arduino

Như đã giải thích trong đoạn trên, một mosfet sẽ cần khoảng 10V đến 12V để BẬT đúng cách, nhưng vì Arduinos hoạt động với 5V đầu ra của nó không thể được cấu hình trực tiếp với mosfet.

Vì Arduino chạy với nguồn 5V và tất cả các đầu ra của nó được thiết kế để tạo ra 5V làm tín hiệu cung cấp logic cao. Mặc dù 5V này có thể có khả năng BẬT MOSFET, nhưng nó có thể dẫn đến việc chuyển đổi thiết bị không hiệu quả và các vấn đề nóng máy.

Để chuyển đổi MOSFET hiệu quả và để biến đổi đầu ra 5V từ Arduino thành tín hiệu 12V, một giai đoạn đệm trung gian có thể được cấu hình như thể hiện trong hình ảnh sau:

Trong hình, MOSFET có thể được cấu hình với một vài giai đoạn đệm BJT cho phép MOSFET sử dụng nguồn điện 12V từ nguồn điện và tự chuyển sang BẬT và tải một cách hiệu quả.

Hai BJT được sử dụng ở đây vì một BJT duy nhất sẽ khiến MOSFET hoạt động ngược lại để phản hồi lại mọi tín hiệu Arduino tích cực.

Giả sử một BJT được sử dụng, sau đó trong khi BJT BẬT với tín hiệu Arduino tích cực, mosfet sẽ được Tắt, vì cổng của nó sẽ được nối đất bởi bộ thu BJT và tải sẽ được BẬT trong khi Arduino TẮT.

Về cơ bản, một BJT sẽ đảo ngược tín hiệu Arduino cho cổng mosfet dẫn đến phản hồi chuyển mạch ngược lại.

Để khắc phục tình trạng này, hai BJT được sử dụng, để BJT thứ hai đảo ngược phản hồi và cho phép MOSFET chuyển sang BẬT cho mọi tín hiệu tích cực chỉ từ Arduino.

Lời kết

Đến đây chắc bạn đã hiểu toàn diện về phương pháp kết nối BJT và mosfet chính xác với vi điều khiển hoặc Arduino.

Bạn có thể nhận thấy rằng chúng tôi chủ yếu sử dụng NPN BJT và MOSF kênh N để tích hợp và đã tránh sử dụng các thiết bị PNP và P-channel. Điều này là do các phiên bản NPN hoạt động lý tưởng giống như một công tắc và dễ hiểu trong khi cấu hình.

Nó giống như điều khiển một chiếc xe bình thường theo hướng tiến, thay vì nhìn ra phía sau và lái xe ở số lùi. Theo cả hai cách, chiếc xe sẽ vận hành và di chuyển, nhưng việc lái xe ở số lùi là không hiệu quả và không có ý nghĩa. Điều tương tự cũng được áp dụng ở đây và việc sử dụng các thiết bị NPN hoặc kênh N trở thành một ưu tiên tốt hơn so với các mosfet PNP hoặc P-kênh.

Nếu bạn có bất kỳ nghi ngờ nào, hoặc nếu bạn nghĩ rằng tôi có thể đã bỏ sót điều gì đó ở đây, vui lòng sử dụng khung bình luận bên dưới để thảo luận thêm.