يعد التفاعل بين أجهزة الطاقة مثل BJTs و MOSFETs بإخراج Arduino تكوينًا مهمًا يسمح بتبديل أحمال الطاقة العالية من خلال مخرجات الطاقة المنخفضة في Arduino.
في هذه المقالة نناقش بإسهاب الطرق الصحيحة لاستخدام أو توصيل الترانزستورات مثل BJTs و mosfets مع أي متحكم أو Arduino.
يشار إلى هذه المراحل أيضًا باسم 'شيفتر المستوى' لأن هذه المرحلة تغير مستوى الجهد من نقطة أقل إلى نقطة أعلى لمعلمة الإخراج ذات الصلة. على سبيل المثال هنا يتم تنفيذ تغيير المستوى من إخراج Arduino 5V إلى خرج MOSFET 12V لحمل 12V المحدد.
بغض النظر عن مدى جودة برمجة Arduino الخاصة بك أو ترميزها ، إذا لم يتم دمجها بشكل صحيح مع ترانزستور أو جهاز خارجي ، فقد يؤدي ذلك إلى تشغيل غير فعال للنظام أو حتى إتلاف المكونات المتضمنة في النظام.
لذلك ، يصبح من المهم للغاية فهم وتعلم الطرق الصحيحة لاستخدام المكونات النشطة الخارجية مثل mosfets و BJTs مع متحكم دقيق ، بحيث تكون النتيجة النهائية فعالة وسلسة وفعالة.
قبل أن نناقش طرق الربط بين الترانزستورات مع Arduino ، سيكون من المفيد معرفة الخصائص الأساسية وعمل BJTs و mosfets.
الخصائص الكهربائية للترانزستورات (ثنائي القطب)
BJT لتقف على الترانزستور تقاطع ثنائي القطب.
تتمثل الوظيفة الأساسية لـ BJT في تشغيل الحمل المرفق استجابةً لمشغل الجهد الخارجي. من المفترض أن يكون الحمل أثقل في الغالب في التيار مقارنة بمشغل الإدخال.
وبالتالي ، فإن الوظيفة الأساسية لـ BJT هي تشغيل حمل تيار أعلى استجابةً لمشغل إدخال تيار أقل.
من الناحية الفنية ، يسمى هذا أيضًا انحياز الترانزستور ، وهو ما يعني استخدام التيار والجهد لتشغيل ترانزستور لوظيفة مقصودة ، وهذا التحيز يجب أن يتم بالطريقة المثلى.
تحتوي BJTs على 3 خيوط أو 3 دبابيس ، وهي القاعدة والباعث والمجمع.
يتم استخدام دبوس القاعدة لتغذية مشغل الإدخال الخارجي ، في شكل جهد صغير وتيار.
يتم توصيل دبوس الباعث دائمًا بالأرض أو بخط الإمداد السالب.
يتم توصيل دبوس المجمع بالحمل عبر الإمداد الإيجابي.
يمكن العثور على BJTs مع نوعين من الأقطاب ، NPN و PNP. تكوين الدبوس الأساسي هو نفسه لكل من NPN و PNP كما هو موضح أعلاه ، باستثناء قطبية تزويد التيار المستمر التي تصبح عكس ذلك تمامًا.
ال يمكن فهم pinouts من BJT من خلال الصورة التالية:
في الصورة أعلاه ، يمكننا أن نرى تكوين pinout الأساسي لترانزستورات NPN و PNP (BJTs). بالنسبة إلى NPN ، يصبح الباعث هو الخط الأرضي ، ويتصل بالإمداد السالب.
عادةً عند استخدام كلمة 'أرض' في دائرة التيار المستمر ، نفترض أنها خط الإمداد السالب.
ومع ذلك ، بالنسبة للترانزستور ، يكون الخط الأرضي المرتبط بالباعث بالإشارة إلى قاعدته وجهود المجمع ، وقد لا تعني 'أرضية' المرسل بالضرورة خط الإمداد السالب.
نعم ، بالنسبة إلى NPN BJT ، يمكن أن تكون الأرض هي خط الإمداد السلبي ، ولكن بالنسبة لـ الترانزستور PNP يُشار دائمًا إلى 'الأرض' إلى خط الإمداد الإيجابي ، كما هو موضح في الشكل أعلاه.
وظيفة التبديل ON / OFF لكلا BJTs هي نفسها بشكل أساسي ، لكن القطبية تتغير.
نظرًا لأن باعث BJT هو ممر 'الخروج' للتيار الداخل والقاعدة والمجمع ، يجب أن يكون 'مؤرضًا' لخط إمداد والذي يجب أن يكون عكس الجهد المستخدم في مدخلات القاعدة / المجمع. وإلا فلن تكتمل الدائرة.
بالنسبة إلى NPN BJT ، ترتبط مدخلات القاعدة والمجمع بمشغل إيجابي أو جهد تبديل ، لذلك يجب الإشارة إلى الباعث إلى الخط السالب.
هذا يضمن أن الفولتية الموجبة التي تدخل القاعدة والمجمع قادرة على الوصول إلى الخط السالب من خلال الباعث وإكمال الدائرة.
بالنسبة لـ PNP BJT ، ترتبط القاعدة والمجمع بإدخال جهد سلبي ، لذلك يجب بشكل طبيعي الإشارة إلى باعث PNP إلى الخط الموجب ، بحيث يمكن أن يدخل الإمداد الإيجابي عبر الباعث وينهي رحلته من القاعدة ودبابيس المجمع.
لاحظ أن تدفق التيار لـ NPN يكون من القاعدة / المجمع نحو الباعث ، بينما بالنسبة لـ PNP ، يكون من الباعث نحو القاعدة / المجمع.
في كلتا الحالتين ، الهدف هو تشغيل حمل المجمع من خلال إدخال جهد صغير في قاعدة BJT ، يتغير قطبية فقط هذا كل شيء.
توضح المحاكاة التالية العملية الأساسية:
في المحاكاة أعلاه ، بمجرد الضغط على الزر ، يدخل دخل الجهد الخارجي إلى قاعدة BJT ويصل إلى خط الأرض عبر الباعث.
أثناء حدوث ذلك ، يفتح ممر المجمع / الباعث داخل BJT ، ويسمح للإمداد الإيجابي من الأعلى بدخول المصباح ، والمرور من خلال الباعث إلى الأرض ، وتشغيل المصباح (الحمل).
يحدث كلا التبديل في وقت واحد تقريبًا استجابة للضغط على زر الضغط.
يصبح دبوس الباعث هنا هو pinout 'الخروج' المشترك لكل من تغذية الإدخال (القاعدة والمجمع).
ويصبح خط إمداد المرسل هو الخط الأرضي المشترك لمشغل إمداد الإدخال ، وكذلك الحمل.
مما يعني أنه يجب أيضًا ربط خط الإمداد المتصل بباعث BJT بشكل صارم بأرض مصدر المشغل الخارجي والحمل.
لماذا نستخدم المقاوم في قاعدة BJT
تم تصميم قاعدة BJT للعمل مع مدخلات طاقة منخفضة ، ولا يمكن لهذا الدبوس أن يأخذ مدخلات تيار كبيرة ، وبالتالي فإننا نستخدم المقاوم ، فقط للتأكد من عدم السماح بدخول تيار كبير إلى القاعدة.
تتمثل الوظيفة الأساسية للمقاوم في تحديد التيار بقيمة محددة صحيحة ، وفقًا لمواصفات الحمل.
يرجى الملاحظة أنه بالنسبة إلى BJTs ، يجب تحديد أبعاد هذا المقاوم وفقًا لتيار الحمل الجانبي للمجمع.
لماذا ا؟
لأن BJTs هي 'مفاتيح' تعتمد حاليًا.
بمعنى ، يجب زيادة التيار الأساسي أو تقليله أو تعديله وفقًا لمواصفات الحمل الحالية في جانب المجمع.
لكن جهد التحويل المطلوب عند قاعدة BJT يمكن أن يكون منخفضًا مثل 0.6 فولت أو 0.7 فولت. بمعنى ، يمكن تشغيل حمل مجمع BJT بجهد منخفض يصل إلى 1 فولت عبر القاعدة / باعث BJT.
إليك الصيغة الأساسية لحساب المقاوم الأساسي:
R = (لنا - 0.6) Hfe / تحميل الحالي ،
حيث R = المقاوم الأساسي للترانزستور ،
لنا = المصدر أو الجهد الزناد للمقاوم الأساسي ،
Hfe = مكسب التيار الأمامي للترانزستور (يمكن العثور عليه من ورقة بيانات BJT).
على الرغم من أن الصيغة تبدو نظيفة ، فليس من الضروري دائمًا تكوين المقاوم الأساسي بدقة.
هذا ببساطة لأن المواصفات الأساسية BJT لها نطاق تفاوت واسع ، ويمكنها بسهولة تحمل اختلافات واسعة في قيم المقاوم.
فمثلا، لتوصيل مرحل مع وجود مقاومة لفائف 30 مللي أمبير ، قد توفر الصيغة تقريبًا قيمة مقاومة تبلغ 56 كيلو بايت لـ BC547 عند مدخل إمداد 12 فولت .... لكنني أفضل عادةً استخدام 10 كيلو ، وهي تعمل بشكل لا تشوبه شائبة.
ومع ذلك ، إذا كنت لا تتبع القواعد المثلى ، فقد يكون هناك شيء غير جيد في النتائج ، أليس كذلك؟
هذا منطقي من الناحية الفنية ، ولكن مرة أخرى تكون الخسارة صغيرة جدًا مقارنة بالجهد المبذول في الحسابات ، ويمكن إهمالها.
على سبيل المثال ، قد يؤدي استخدام 10K بدلاً من 56K إلى إجبار الترانزستور على العمل مع تيار أساسي أكثر قليلاً ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته قليلاً ، وقد يكون أعلى بدرجتين ... وهذا لا يهم على الإطلاق.
كيفية توصيل BJT بـ Arduino
حسنًا ، دعنا الآن نصل إلى النقطة الفعلية.
نظرًا لأننا تعلمنا بشكل شامل حتى الآن كيف يجب تحيز BJT وتكوينه عبر 3 pinouts الخاص به ، يمكننا بسرعة فهم التفاصيل المتعلقة بتفاعله مع أي متحكم مثل Arduino.
الغرض الرئيسي من توصيل BJT بـ Arduino هو عادةً تشغيل حمل أو بعض المعلمات في جانب المجمع ، استجابةً لإخراج مبرمج من أحد دبابيس إخراج Arduino.
هنا ، من المفترض أن يأتي إدخال المشغل لدبوس القاعدة BJT من Arduino. هذا يعني أن نهاية المقاوم الأساسي يحتاج ببساطة إلى إرفاقه بالإخراج ذي الصلة من Arduino ، ومجمع BJT مع الحمل أو أي معلمة خارجية مقصودة.
نظرًا لأن BJT لا يتطلب سوى 0.7 فولت إلى 1 فولت للتبديل الفعال ، فإن 5 فولت من دبوس خرج Arduino يصبح مناسبًا تمامًا لقيادة BJT وتشغيل الأحمال المعقولة.
يمكن أن يظهر مثال على التكوين في الصورة التالية:
في هذه الصورة يمكننا أن نرى كيف يتم استخدام Arduino المبرمج لتشغيل حمولة صغيرة في شكل مرحل عبر مرحلة سائق BJT. يصبح ملف الترحيل هو حمل المجمع ، بينما تعمل الإشارة من دبوس خرج Arduino المحدد مثل إشارة تبديل الإدخال لقاعدة BJT.
على الرغم من أن المرحل يصبح الخيار الأفضل لتشغيل الأحمال الثقيلة عبر برنامج تشغيل الترانزستور ، عندما يصبح التبديل الميكانيكي عاملاً غير مرغوب فيه ، تصبح ترقية BJT خيارًا أفضل لتشغيل أحمال تيار مستمر عالية ، كما هو موضح أدناه.
في المثال أعلاه ، يمكن رؤية شبكة ترانزستور دارلينجتون ، تم تكوينها للتعامل مع الحمل الحالي المرتفع 100 واط دون الاعتماد على المرحل. يتيح ذلك التبديل السلس لمصباح LED مع الحد الأدنى من الإزعاج ، مما يضمن عمر تشغيل طويل لجميع المعلمات.
الآن دعنا نمضي قدمًا ، ونرى كيف يمكن تكوين mosfets باستخدام Arduino
الخصائص الكهربائية لل MOSFET
عادة ما يكون الغرض من استخدام mosfet مع Arduino مشابهًا للغرض من BJT كما هو موضح أعلاه.
ومع ذلك ، منذ ذلك الحين عادة تم تصميم MOSFETs للتعامل مع المواصفات الحالية الأعلى بكفاءة مقارنةً بـ BJTs ، تُستخدم هذه في الغالب لتبديل أحمال الطاقة العالية.
قبل أن نفهم واجهة mosfet مع Arduino ، سيكون من المثير للاهتمام معرفة الأساسيات الفرق بين BJTs و mosfets
في مناقشتنا السابقة ، فهمنا ذلك BJTs هي أجهزة معتمدة حاليًا ، لأن تيار التحويل الأساسي الخاص بهم يعتمد على تيار تحميل المجمع. تتطلب تيارات الحمل الأعلى تيارًا أساسيًا أعلى ، والعكس صحيح.
بالنسبة إلى mosfets ، هذا غير صحيح ، بمعنى آخر بوابة mosfets التي تعادل قاعدة BJT ، تتطلب الحد الأدنى من التيار للتبديل ، بغض النظر عن تيار التصريف (دبوس التصريف من mosfet يعادل دبوس جامع BJT).
بعد قولي هذا ، على الرغم من أن التيار ليس هو العامل الحاسم لتبديل بوابة mosfet ، الجهد.
لذلك تعتبر mosfets كأجهزة تعتمد على الجهد
الحد الأدنى للجهد المطلوب لإنشاء انحياز صحي لموسفيت هو 5 فولت أو 9 فولت ، 12 فولت هو النطاق الأمثل لتشغيل mosfet بالكامل.
لذلك يمكننا أن نفترض أنه من أجل تشغيل mosfet ، والحمل عبر مصرفه ، يمكن استخدام مصدر 10V عبر بوابته للحصول على نتيجة مثالية.
دبابيس Mosfets و BJT المكافئة
تُظهر الصورة التالية الدبابيس المكملة للـ mosfets و BJTs.
تتوافق القاعدة مع Gate-Collector يتوافق مع Drain-Emitter يتوافق مع المصدر.
ما المقاوم الذي يجب استخدامه لبوابة Mosfet
من خلال دروسنا السابقة ، أدركنا أن المقاوم الموجود في قاعدة BJT أمر بالغ الأهمية ، وبدونه يمكن أن يتلف BJT على الفور.
بالنسبة إلى MOSFET ، قد لا يكون هذا مناسبًا جدًا ، لأن MOSFET لا تتأثر بالاختلافات الحالية عند بواباتها ، وبدلاً من ذلك يمكن اعتبار الجهد العالي خطيرًا. عادةً ما يكون أي شيء أعلى من 20 فولت سيئًا لبوابة MOSFET ، لكن التيار قد يكون غير جوهري.
نتيجة لذلك ، لا يكون المقاوم عند البوابة مناسبًا لأن المقاومات تستخدم للحد من التيار ، ولا تعتمد بوابة mosfet على التيار.
ومع ذلك ، فإن MOSFETs هي عرضة بشكل كبير للارتفاعات المفاجئة والعابرة على أبوابهم ، مقارنة بـ BJTs.
لهذا السبب ، يُفضل عمومًا استخدام المقاوم ذي القيمة المنخفضة عند بوابات دوائر MOSFET ، فقط لضمان عدم وجود ارتفاع مفاجئ في الجهد الكهربائي قادرًا على المرور عبر بوابة MOSFET وتمزيقها داخليًا.
عادة أي مقاوم بين 10 و 50 أوم يمكن استخدامها في بوابات MOSFET لحماية بواباتها من ارتفاعات الجهد غير المتوقعة.
ربط MOSFET مع Arduino
كما هو موضح في الفقرة أعلاه ، ستحتاج mosfet إلى حوالي 10 فولت إلى 12 فولت للتبديل في وضع التشغيل بشكل صحيح ، ولكن نظرًا لأن Arduinos تعمل مع 5 فولت ، لا يمكن تكوين إخراجها مباشرة باستخدام mosfet.
نظرًا لأن Arduino يعمل بإمداد 5 فولت ، وقد تم تصميم جميع مخرجاته لإنتاج 5 فولت كإشارة منطقية عالية الإمداد. على الرغم من أن هذا 5V قد يكون لديه القدرة على تشغيل MOSFET ، إلا أنه قد يؤدي إلى تبديل غير فعال للأجهزة ومشكلات تسخين.
لتبديل MOSFET الفعال ، ولتحويل خرج 5V من Arduino إلى إشارة 12V ، يمكن تكوين مرحلة المخزن المؤقت الوسيطة كما هو موضح في الصورة التالية:
في الشكل ، يمكن رؤية MOSFET مكونة من مرحلتين من BJT العازلة التي تسمح لـ MOSFET باستخدام 12V من مصدر الطاقة وتشغيل نفسها والحمل بشكل فعال.
يتم استخدام اثنين من BJTs هنا لأن BJT واحد من شأنه أن يتسبب في إجراء MOSFET بشكل معاكس استجابةً لكل إشارات Arduino إيجابية.
لنفترض أنه تم استخدام BJT ، ثم أثناء تشغيل BJT بإشارة Arduino موجبة ، سيتم إيقاف تشغيل mosfet ، حيث سيتم تأريض بوابته بواسطة جامع BJT ، وسيتم تشغيل الحمل أثناء إيقاف تشغيل Arduino.
في الأساس ، من شأن BJT واحد أن يعكس إشارة Arduino لبوابة mosfet مما يؤدي إلى استجابة تبديل عكسية.
لتصحيح هذا الموقف ، يتم استخدام BJTs ، بحيث يعكس BJT الثاني الاستجابة للخلف ويسمح لـ mosfet بالتبديل لكل إشارات إيجابية فقط من Arduino.
افكار اخيرة
الآن يجب أن تكون قد فهمت بشكل شامل الطريقة الصحيحة لربط BJTs و mosfets بوحدة تحكم دقيقة أو Arduino.
ربما لاحظت أننا استخدمنا في الغالب NPN BJTs و N-channel mosfets لعمليات الدمج ، وتجنبنا استخدام أجهزة PNP و P-channel. هذا لأن إصدارات NPN تعمل بشكل مثالي مثل المحول ويسهل فهمها أثناء التكوين.
إنه يشبه قيادة السيارة بشكل طبيعي في الاتجاه الأمامي ، بدلاً من النظر إلى الخلف وقيادتها في الاتجاه المعاكس. في كلتا الطريقتين ستعمل السيارة وتتحرك ، لكن القيادة في الترس الخلفي غير فعال إلى حد كبير ولا معنى له. ينطبق نفس القياس هنا ، وأصبح استخدام أجهزة NPN أو N-channel أفضلية مقارنةً بـ PNP أو mosfets P-channel.
إذا كانت لديك أي شكوك ، أو إذا كنت تعتقد أنه قد فاتني شيء ما هنا ، فيرجى استخدام مربع التعليق أدناه لمزيد من المناقشة.
زوج من: تم استكشاف دارتين بسيطتين للتحكم في المحرك ثنائي الاتجاه التالى: زر دراجة نارية بدء قفل الدائرة
