Como conectar transistores (BJT) e MOSFET com o Arduino »WikiUtil

A interface de dispositivos de energia como BJT e MOSFET com saída Arduino é uma configuração crucial que permite alternar cargas de alta potência através de saídas de baixa potência de um Arduino.

Neste artigo, discutimos em detalhes os métodos corretos para usar ou conectar transistores como BJT e mosfets com qualquer microcontrolador ou Arduino.

Tais estágios também são conhecidos como “Trocador de nível” Como esse estágio altera o nível de tensão de um ponto mais baixo para um ponto mais alto para o parâmetro de saída relevante. Por exemplo, aqui a mudança de nível está sendo implementada da saída de 5V do Arduino para a saída de 12V do MOSFET para a carga de 12V selecionada.

Não importa o quão bem programado ou codificado esteja o seu Arduino, se não estiver adequadamente integrado a um transistor ou hardware externo, poderá resultar em operação ineficiente do sistema ou até danificar os componentes envolvidos no sistema.

Portanto, torna-se extremamente importante entender e aprender os métodos corretos para usar componentes ativos externos como mosfets e BJT com um microcontrolador, para que o resultado final seja eficaz, suave e eficiente.


Antes de discutir os métodos de interface de transistor com o Arduino, seria útil aprender os recursos básicos e a operação do BJT e dos mosfets.

Características elétricas do transistor (bipolar)

BJT significa transistor de junção bipolar.

A função básica de um BJT é acender uma carga conectada em resposta a um gatilho de tensão externo. Presume-se que a carga seja principalmente mais pesada em corrente em comparação com o gatilho de entrada.

Portanto, a função básica de um BJT é ativar uma carga de corrente mais alta em resposta a um acionador de entrada de corrente mais baixo.

Tecnicamente, isso também é chamado de polarização do transistor, o que significa usar corrente e tensão para operar um transistor para uma função prevista, e essa polarização deve ser feita da maneira mais ideal.

Os BJTs têm 3 fios ou 3 pinos, ou seja, base, emissor, coletor.

O pino base é usado para alimentar o gatilho de entrada externa, na forma de pequena tensão e corrente.

O pino emissor está sempre conectado ao terra ou à linha de energia negativa.


O pino coletor é conectado à carga através do suprimento positivo.

Os BJTs podem ser encontrados com dois tipos de polaridades, NPN e PNP. A configuração básica dos pinos é a mesma para NPN e PNP, conforme explicado acima, exceto pela polaridade da alimentação CC que se torna o oposto.

As pinagens de um BJT podem ser entendidas através da seguinte imagem:

Na imagem acima, podemos ver a configuração básica dos pinos de um transistor NPN e PNP (BJT). Para o NPN, o emissor se torna a linha de terra e é conectado à fonte negativa.

Normalmente, quando a palavra “terra” é usada em um circuito CC, assumimos que é a linha de alimentação negativa.
No entanto, para um transistor, a linha de aterramento associada ao emissor é referente às tensões de base e de coletor, e o “terra” do emissor não significa necessariamente a linha de energia negativa.

Sim, para um NPN BJT, o terra pode ser a linha de suprimento negativa, mas para um transistor PNP, “terra” sempre se refere à linha de suprimento positivo, conforme mostrado na figura acima.

A função liga / desliga dos dois BJTs é basicamente a mesma, mas a polaridade muda.

Como o emissor de um BJT é a etapa de “saída” da corrente que entra pela base e pelo coletor, ele deve ser “aterrado” a uma linha de alimentação que deve estar oposta à tensão usada nas entradas da base / coletor. Caso contrário, o circuito não será concluído.

Para um NPN BJT, as entradas da base e do coletor estão associadas a um gatilho positivo ou tensão de comutação; portanto, o emissor deve ser referenciado à linha negativa.

Isso garante que as tensões positivas que entram na base e no coletor possam alcançar a linha negativa através do emissor e concluir o circuito.

Para um PNP BJT, a base e o coletor estão associados a uma entrada de tensão negativa; portanto, naturalmente o emissor de um PNP deve ser referenciado à linha positiva, para que a alimentação positiva possa entrar através do emissor e Termine sua jornada a partir da base e dos pinos coletores.


Observe que o fluxo atual para o NPN é da base / coletor para o emissor, enquanto para o PNP é do emissor para a base / coletor.

Nos dois casos, o objetivo é ativar a carga do coletor através de uma pequena entrada de tensão na base do BJT, apenas a polaridade muda, só isso.

A simulação a seguir mostra a operação básica:

como o transistor conduz com uma tensão externa

Na simulação acima, assim que o botão é pressionado, a entrada de tensão externa entra na base do BJT e atinge a linha de terra através do emissor.

Enquanto isso está acontecendo, a passagem do coletor / emissor dentro do BJT se abre e permite que o suprimento positivo do topo entre na lâmpada e passe pelo emissor para o terra, ligando a lâmpada (carga).

Ambas as mudanças ocorrem quase simultaneamente em resposta à pressão do botão.

O pino emissor aqui se torna a pinagem “de saída” comum para feeds de entrada (base e coletor).

E a linha de suprimento do emissor se torna a linha de aterramento comum para o acionador de entrada e também a carga.

Isso significa que a linha de alimentação conectada ao emissor BJT também deve ser estritamente conectada ao terra da fonte de disparo externa e da carga.

Por que usamos um resistor na base de um BJT?

A base de um BJT é projetada para funcionar com entradas de baixa potência, e este pino não pode receber grandes entradas de corrente e, portanto, empregamos um resistor, apenas para garantir que uma corrente grande não seja permitida. a base.

A função básica do resistor é limitar a corrente a um valor especificado correto, com base na especificação de carga.

Tenha em mente que, para BJTs, essa resistência deve ser dimensionada de acordo com a corrente de carga lateral do coletor.

Por quê?

Porque os BJTs são “switches” dependentes da corrente.

Ou seja, a corrente base deve ser aumentada ou diminuída ou ajustada de acordo com as especificações da corrente de carga no lado do coletor.

Mas a tensão de comutação necessária na base de um BJT pode ser tão baixa quanto 0,6V ou 0,7V. Ou seja, a carga do coletor BJT pode LIGAR com uma tensão tão baixa quanto 1V na base / emissor de um BJT.
Aqui está a fórmula básica para calcular a resistência básica:

R = (Us – 0,6) Hfe / Corrente de carga,

Onde R = resistência de base do transistor,

Us = Fonte ou tensão de disparo do resistor de base,

Hfe = ganho de corrente direta do transistor (pode ser encontrado na folha de dados BJT).

Embora a fórmula pareça elegante, não é absolutamente necessário sempre configurar a resistência da base com a mesma precisão.

Simplesmente porque as especificações básicas do BJT têm uma ampla faixa de tolerância e podem facilmente tolerar grandes diferenças nos valores de resistência.

Por exemplo, para conectar um relé com uma resistência de bobina de 30 mA, a fórmula pode fornecer aproximadamente um valor de resistência de 56K para uma entrada de energia BC547 a 12V … mas normalmente eu prefiro usar 10K e funciona perfeitamente .

No entanto, se você não seguir as regras ideais, pode haver algo errado com os resultados, certo?

Tecnicamente, isso faz sentido, mas, novamente, a perda é tão pequena em comparação com o esforço despendido nos cálculos, que pode ser negligenciada.

Por exemplo, usar 10K em vez de 56K pode forçar o transistor a trabalhar com um pouco mais de corrente base, fazendo com que aqueça um pouco mais, pode ser um pouco mais alto … o que não importa.

Como conectar o BJT ao Arduino

Ok, agora vamos ao ponto real.

Como aprendemos até o momento sobre como um BJT precisa ser polarizado e configurado em seus 3 pinos, podemos entender rapidamente os detalhes sobre sua interface com qualquer microcontrolador como o Arduino.

O principal objetivo de conectar um BJT a um Arduino é geralmente ativar uma carga ou algum parâmetro no lado do coletor, em resposta a uma saída programada de um dos pinos de saída do Arduino.

Aqui, supõe-se que a entrada do gatilho para o pino base BJT venha do Arduino. Isso implica que o final do resistor de base simplesmente precisa se conectar à saída relevante do Arduino e do coletor do BJT com a carga ou com quaisquer parâmetros externos esperados.

Como um BJT requer apenas 0,7V a 1V para uma comutação eficaz, 5V do pino de saída do Arduino se torna perfeitamente adequado para acionar um BJT e operar cargas razoáveis.
Um exemplo de configuração pode ser visto na seguinte imagem:

Interface ou conexão do Arduino com um controlador de relé de transistor

Nesta imagem, podemos ver como um Arduino programado é usado para operar uma pequena carga em forma de relé através do estágio do controlador BJT. A bobina do relé se torna a carga do coletor, enquanto o sinal do pino de saída selecionado do Arduino atua como o sinal de comutação de entrada da base BJT.

conecte o Arduino com um LED de alta potência

Embora um relé se torne a melhor opção para operar cargas pesadas através de um controlador de transistor, quando a comutação mecânica se torna um fator indesejável, a atualização do BJT se torna uma opção melhor para operar altas cargas CC. atual, como mostrado abaixo.

No exemplo acima, você pode ver uma rede de transistores Darlington, configurados para lidar com a carga de alta corrente de 100 watts indicada sem depender de um relé. Isso permite a comutação perfeita do LED com o mínimo de perturbação, garantindo uma longa vida útil para todos os parâmetros.

Agora vamos continuar e ver como você pode configurar os mosfets com um Arduino

Características elétricas do MOSFET

O objetivo de usar um mosfet com um Arduino é geralmente semelhante ao do BJT, conforme discutido acima.

No entanto, como os MOSFETs são projetados para lidar com especificações de corrente mais altas com eficiência em comparação com os BJTs, eles são usados ​​principalmente para alternar cargas de alta potência.

Antes de entender a interface de um mosfet com o Arduino, seria interessante saber a diferença básica entre BJT e mosfets.

Em nossa discussão anterior, entendemos que BJTs são dispositivos dependentes de corrente., porque sua corrente de comutação básica depende da corrente de carga do coletor. Correntes de carga mais altas exigirão uma corrente base mais alta e vice-versa.

Para mosfets, isso não é verdade; em outras palavras, o portão mosfets, que é equivalente à base BJT, requer uma corrente mínima para LIGAR, independentemente da corrente de drenagem (o pino de drenagem mosfet é equivalente ao pino coletor BJT )

Dito isto, embora a corrente não seja o fator decisivo na mudança de uma porta mosfet, a voltagem é

Portanto, os mosfets são considerados dispositivos dependentes de tensão.

A tensão mínima necessária para criar um viés saudável para um mosfet é de 5V ou 9V, com 12v sendo a faixa mais ideal para ativar um mosfet completamente.

Portanto, podemos assumir que, para inflamar um mosfet e uma carga através de seu dreno, um suprimento de 10 V pode ser usado através de sua porta para obter melhores resultados.

Pinos equivalentes de Mosfets e BJT

A imagem a seguir mostra os pinos complementares de mosfets e BJT.

A base corresponde ao Gate-Collector corresponde ao Drain-Emitter corresponde à Source.

Substituição de pinagem do BJT mosfet no Arduino

Que resistência deve ser usada para uma porta Mosfet

De nossos tutoriais anteriores, entendemos que a resistência na base de um BJT é crucial, sem a qual o BJT pode ser danificado instantaneamente.

Para um MOSFET, isso pode não ser tão relevante quanto os MOSFETs não serem afetados pelas diferenças de corrente em seus portões. Em vez disso, uma tensão mais alta pode ser considerada perigosa. Normalmente, qualquer coisa acima de 20 V pode ser ruim para uma porta MOSFET, mas a corrente pode ser irrelevante.

Devido a isso, uma resistência na porta não é relevante, pois os resistores são usados ​​para limitar a corrente e a porta mosfet não depende da corrente.

Com isso dito, os MOSFETs são extremamente vulneráveis ​​a picos repentinos e transitórios em suas portas, em comparação com os BJTs.

Por esse motivo, geralmente é preferível um resistor de baixo valor nas portas do MOSFET, apenas para garantir que nenhum pico repentino de tensão possa passar através da porta do MOSFET e rasgá-lo internamente.

Normalmente, qualquer resistência entre 10 e 50 ohms pode ser usada nos portões MOSFET para proteger seus portões contra picos de tensão inesperados.

Interface de um MOSFET com Arduino

Como explicado no parágrafo anterior, um mosfet precisará de cerca de 10V a 12V para LIGAR corretamente, mas como o Arduinos funciona a 5V, sua saída não pode ser configurada diretamente com um mosfet.

Como um Arduino funciona com uma fonte de 5V, e todas as suas saídas são projetadas para produzir 5V como o sinal lógico de alta fonte. Embora este 5V possa ter a capacidade de ligar um MOSFET, ele pode causar comutação ineficiente de dispositivos e problemas de aquecimento.

Para uma comutação MOSFET eficaz e para transformar a saída de 5V do Arduino em um sinal de 12V, um estágio intermediário de buffer pode ser configurado como mostrado na imagem a seguir:

Como conectar o mosfet ao Arduino

Na figura, o MOSFET pode ser visto configurado com um par de estágios de buffer BJT que permitem que o MOSFET use os 12V da fonte de alimentação e ligue e carregue efetivamente.

Aqui, dois BJTs são usados, pois um único BJT faria com que o MOSFET se comportasse da maneira oposta em resposta a todos os sinais positivos do Arduino.

Suponha que um BJT seja usado, enquanto o BJT estiver LIGADO com um sinal positivo do Arduino, o mosfet será desligado, pois seu portão será aterrado pelo coletor BJT e a carga estará LIGADA enquanto o Arduino estiver DESLIGADO.

Basicamente, um BJT reverteria o sinal do Arduino para o mosfet gate, resultando em uma resposta de comutação oposta.

Para corrigir essa situação, dois BJTs são usados; portanto, o segundo BJT reverte a resposta e permite que o mosfet ligue para cada sinal positivo somente do Arduino.

Pensamentos finais

Até agora você já deveria ter entendido o método correto para conectar BJTs e mosfets com um microcontrolador ou um Arduino.

Você deve ter notado que geralmente usamos BJTs NPN e mosfets de canal N para integrações e evitamos usar dispositivos PNP e canal P. Isso ocorre porque as versões NPN funcionam idealmente como um comutador e é fácil entender durante a instalação.

É como dirigir um carro normalmente na direção para a frente, em vez de olhar para trás e dirigir em sentido inverso. De qualquer maneira, o carro funcionaria e se moveria, mas dirigir em marcha à ré é altamente ineficiente e inútil. A mesma analogia se aplica aqui, e o uso de dispositivos NPN ou canal N torna-se uma preferência melhor em comparação aos mosfets PNP ou canal P.

Se você tiver alguma dúvida ou se acha que perdi alguma coisa aqui, use a caixa de comentários abaixo para uma discussão mais detalhada.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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