Что такое транзистор и зачем он нужен в схемах с Arduino. Какие бывают типы транзисторов. Как правильно подключить транзистор к Arduino и нагрузке. Какие преимущества дает использование транзисторов в проектах с Arduino.
Что такое транзистор и как он работает
Транзистор — это полупроводниковый прибор, позволяющий управлять сильным током с помощью слабого сигнала. Он выполняет роль электронного переключателя или усилителя в электрических схемах.
Принцип работы транзистора основан на управлении проводимостью полупроводникового канала с помощью электрического поля или тока. Это позволяет контролировать большой ток в цепи нагрузки при подаче малого управляющего сигнала.
Основные характеристики транзисторов:
- Коэффициент усиления — отношение изменения выходного тока к изменению входного
- Максимально допустимый ток коллектора
- Максимальное напряжение коллектор-эмиттер
- Мощность рассеивания
- Частотные свойства
Типы транзисторов, используемых с Arduino
С Arduino чаще всего используются два основных типа транзисторов:
1. Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы управляются током и бывают двух типов:
- NPN — открываются при подаче положительного напряжения на базу
- PNP — открываются при подаче отрицательного напряжения на базу
Наиболее распространены NPN транзисторы, например BC337 или 2N2222.
2. Полевые транзисторы (MOSFET)
Полевые транзисторы управляются напряжением и делятся на:
- N-канальные — открываются при подаче положительного напряжения на затвор
- P-канальные — открываются при подаче отрицательного напряжения на затвор
Часто используемые модели: IRFZ44N, IRF530.
Зачем нужны транзисторы в схемах с Arduino
Основные причины использования транзисторов с Arduino:
- Управление нагрузками, потребляющими ток больше 40 мА (максимум для пинов Arduino)
- Коммутация нагрузок с напряжением питания выше 5В
- Управление мощными устройствами — моторами, реле, светодиодными лентами
- Усиление слабых сигналов с датчиков
- Создание логических схем и генераторов
Транзисторы позволяют Arduino управлять практически любыми электронными устройствами, значительно расширяя возможности микроконтроллера.
Как правильно подключить транзистор к Arduino
Рассмотрим типовую схему подключения NPN транзистора для управления нагрузкой:
- Эмиттер транзистора подключается к земле (GND)
- Коллектор соединяется с минусом нагрузки
- База подключается к цифровому пину Arduino через резистор 1-10 кОм
- Плюс нагрузки соединяется с источником питания
- Параллельно нагрузке ставится защитный диод
При подаче высокого уровня на пин Arduino транзистор откроется и пропустит ток через нагрузку. Низкий уровень закроет транзистор.
Важные моменты при подключении:
- Обязательно использовать токоограничивающий резистор в цепи базы
- Не превышать максимально допустимые токи и напряжения транзистора
- Для индуктивных нагрузок ставить защитный диод
- Мощные нагрузки питать от отдельного источника
Преимущества использования транзисторов в проектах Arduino
Применение транзисторов дает ряд важных преимуществ:
- Возможность управления мощными нагрузками
- Гальваническая развязка Arduino и силовой части
- Защита пинов микроконтроллера от перегрузки
- Быстрое переключение нагрузки
- Возможность ШИМ-регулирования
- Низкое энергопотребление в закрытом состоянии
- Компактность и дешевизна
Все это делает транзисторы незаменимыми компонентами во многих проектах на Arduino.
Типовые схемы на транзисторах для Arduino
Рассмотрим несколько популярных схем применения транзисторов с Arduino:
1. Управление мощным светодиодом
Схема позволяет подключить светодиод, потребляющий ток до 1А:
- Транзистор BC337
- Резистор базы 1 кОм
- Светодиод подключен к +12В
- Управление с цифрового пина Arduino
2. Управление реле
Для коммутации нагрузки 220В используется схема:
- Транзистор BC547
- Реле на 5В
- Защитный диод 1N4007
- Резистор базы 2.2 кОм
3. ШИМ-регулирование оборотов мотора
Схема для управления скоростью вращения DC мотора:
- MOSFET транзистор IRFZ44N
- Резистор затвора 100 Ом
- Защитный диод
- ШИМ-сигнал с Arduino
Ошибки при работе с транзисторами в схемах Arduino
При использовании транзисторов важно избегать типичных ошибок:
- Неправильное подключение выводов транзистора
- Отсутствие токоограничивающего резистора в цепи базы/затвора
- Превышение максимально допустимых токов и напряжений
- Отсутствие защитного диода для индуктивных нагрузок
- Неверный выбор типа транзистора под конкретную задачу
- Плохой теплоотвод при работе с большими токами
Соблюдение правил подключения и выбора транзисторов позволит избежать выхода компонентов из строя и некорректной работы схемы.
Как рассчитать параметры схемы с транзистором
При проектировании схемы с транзистором необходимо произвести расчеты:
- Определить требуемый ток коллектора исходя из нагрузки
- Выбрать транзистор с подходящими характеристиками
- Рассчитать ток базы: I_б = I_к / h21э
- Определить сопротивление базового резистора: R = (U_упр — U_бэ) / I_б
- Проверить мощность рассеивания на транзисторе
Для полевых транзисторов расчет упрощается, так как не требуется рассчитывать ток затвора. Достаточно выбрать резистор 100-220 Ом для ограничения тока.
Пример расчета для схемы с NPN транзистором:
- Ток нагрузки: 500 мА
- Транзистор BC337 (h21э = 100)
- Ток базы: 500 мА / 100 = 5 мА
- Напряжение управления: 5В
- Падение на переходе база-эмиттер: 0.7В
- Сопротивление базового резистора: (5В — 0.7В) / 5 мА = 860 Ом
Выбираем ближайшее стандартное значение 1 кОм. Такой расчет обеспечит надежное открытие транзистора.
Транзистор | Электронные печеньки
Транзистор
Транзистор — полупроводниковый прибор позволяющий с помощью слабого сигнала управлять более сильным сигналом. Из-за такого свойства часто говорят о способности транзистора усиливать сигнал. Хотя фактически, он ничего не усиливает, а просто позволяет включать и выключать большой ток гораздо более слабыми токами. Транзисторы весьма распространены в электронике, ведь вывод любого контроллера редко может выдавать ток более 40 мА, поэтому, даже 2-3 маломощных светодиода уже не получится питать напрямую от микроконтроллера. Тут на помощь и приходят транзисторы. В статье рассматриваются основные типы транзисторов, отличия P-N-P от N-P-N биполярных транзисторов, P-channel от N-channel полевых транзисторов, рассматриваются основные тонкости подключения транзисторов и раскрываются сферы их применения.
Не стоит путать транзистор с реле. Реле — простой выключатель. Суть его работы в замыкании и размыкании металлических контактов.
Транзистор устроен сложнее и в основе его работы лежит электронно-дырочный переход. Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть прекрасное видео, которое описывает работу транзистора от простого к сложному. Пусть вас не смущает год производства ролика — законы физики с тех пор не изменились, а более нового видео, в котором так качественно преподносится материал, найти не удалось:
Биполярный транзистор
Биполярный транзисто предназначен для управления слабыми нагрузками (например, маломощные моторы и сервоприводы). У него всегда есть три вывода:
Коллектор (англ. collector) — подаётся высокое напряжение, которым транзистор управляет
- База (англ.
base) — подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистора Эмиттер (англ. emitter) — «выпускной» вывод транзистоа. Через него вытекает ток от коллектора и базы.
base) — подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистораБиполярный транзистор управляется током. Чем больший ток подаётся на базу, тем больший ток потечёт от коллектора к эмиттеру. Отношение тока, проходящего от эмиттера к коллектору к току на базе транзистора называется коэффициент усиления. Обозначается как
Например, если hfe = 150, и через базу проходит 0.2 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 30 мА. Если подключен компонент, который потребляет 25 мА (например, светодиод), ему будет предоставлено 25 мА. Если же подключен компонент, который потребляет 150 мА, ему будут предоставлены только максимальные 30 мА. В документации к контакту указываются предельно допустимые значени токов и напряжений база->эмиттер и коллектор->эмиттер.
Превышение этих значений ведёт к перегреву и выходу из строя транзистора.
Весёлые картинки:
Работа биполярного транзистора
NPN и PNP биполярные транзисторы
Различают 2 типа полярных транзисторов: NPN и PNP. Отличаются они чередованием слоёв. N (от negative — отрицательный) — это слой с избытком отрицательных переносчиков заряда (электронов), P (от positive — положительный) — слой с избытком положительных переносчиков заряда (дырок). Подробнее о электронах и дырках рассказано в видео, приведённом выше.
От чередования слоёв зависит поведение транзисторов. На анимации выше представлен NPN транзистор. В PNP управление транзистором устроено наоборот — ток через транзистор течёт, когда база заземлена и блокируется, когда через базу пропускают ток. В отображении на схеме PNP и NPN отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает на переход от N к P:
Обозначение NPN (слева) и PNP (справа) транзисторов на схеме
NPN транзисторы более распространены в электронике, потому что являются более эффективными.
Полевый транзистор
Полевые транзисторы отличаются от биполярных внутренним устройством. Наиболее распространены в любительской электронике МОП транзисторы. МОП — это аббревиатура от металл-оксид-проводник. То-же самое по английски: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor сокращённо MOSFET. МОП транзисторы позволяют управлять большими мощностями при сравнительно небольших размерах самого транзистора. Управление транзистором обеспечивается напряжением, а не током. Поскольку транзистором управляет электрическое поле, транзистор и получил своё название — полевой.
Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:
Сток (англ. drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
Затвор (англ. gate) — на него подаётся напряжение для управления транзистором
Исток (англ. source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»
Здесь должна быть анимация с полевым транзистором, но она ничем не будет отличаться от биполярного за исключением схематического отображения самих транзисторов, поэтому анимации не будет.
N канальные и P канальные полевые транзисторы
Полевые транзисторы тоже делятся на 2 типа в зависимости от устройства и поведения. N канальный (N channel) открывается, когда на затвор подаётся напряжение и закрывается. когда напряжения нет. P канальный (P channel) работает наоборот: пока напряжения на затворе нет, через транзистор протекает ток. При подаче напряжения на затвор, ток прекращается. На схеме полевые транзисторы изображаются несколько иначе:
По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.
P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.
Обозначение N канальных (слева) и P канальных (справа) транзисторов на схеме
Существует заблуждение, согласно которому полевой транзистор может управлять переменным током. Это не так. Для управления переменным током, используйте реле.
Транзистор Дарлингтона
Транзистора Дарлингтона не совсем корректно относить к отдельному типу транзисторов. Однако, не упомянуть из в этой статье нельзя. Транзистор Дарлингтона чаще всего встречается в виде микросхемы, включающей в себя несколько транзисторов. Например, ULN2003. Транзистора Дарлингтона характеризуется возможность быстро открываться и закрывать (а значит, позволяет работать с ШИМ) и при этом выдерживает большие токи. Он является разновидностью составного транзистора и представляет собой каскадное соединение двух или, редко, более транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка эмиттера предыдущего транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов.
Схема составного транзистора дарлингтона
Не секрет, что плата Ардуино способна подать на вывод напряжение 5 В с максимальным током до 40 мА. Этого тока не хватит для подключения мощной нагрузки. Например, при попытке подключить к выводу напрямую светодиодную ленту или моторчик, вы гарантированно повредите вывод Ардуино. Не исключено, что выйдет из строя всё плата. Кроме того, некоторые подключаемые компоненты могут требовать напряжения более 5 В для работы. Обе эти проблемы решает транзистор. Он поможет с помощью небольшого тока с вывода Ардуино управлять мощным током от отдельного блока питания или с помощью напряжения в 5 В управлять бОльшим напряжением (даже самые слабые транзисторы редко имеют предельное напряжение ниже 50 В). В качестве примера рассмотрим подключение мотора:
Подключение мощного мотора с помощью транзистора
На приведённой схеме мотор подключается к отдельному источнику питания. Между контактом мотора и источником питания для мотора мы поместили транзистора, который будет управляться с помощью любого цифрового пина Arduino.
При подаче на вывод контроллера сигнала HIGH с вывода контроллера мы возьмём совсем небольшой ток для открытия транзистора, а большой ток потечёт через транзистор и не повредит контроллер. Обратите внимание на резистор, установленный между выводом Ардуино и базой транзистора. Он нужен для ограничения тока, протекающего по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля и предотвращения короткого замыкания. Как упоминалось ранее, максимальный ток, который можно взять с вывода Arduino — 40 мА. Поэтому, нам понадобится резистор не менее 125 Ом (5В/0,04А=125Ом). Можно без опаски использовать резистор на 220 Ом. На самом деле, резистор стоит подбирать с учётом тока, который необходимо подать на базу для получения необходимого тока через транзистор. Для правильного подбора резистора нужно учитывать коэффициент усиления (hfe).
ВАЖНО!! Если вы подключаете мощную нагрузку от отдельного блока питания, то необходимо физически соединить между собой землю («минус») блока питания нагрузки и землю (пин «GND») Ардуино.
Иначе управлять транзистором не получится.
При использовании полевого транзистора, токоограничительный резистор на затворе не нужен. Транзистор управляется исключительно напряжением и ток через затвор не течёт.
Приводные двигатели с Arduino — SparkFun Learn
- Главная
- Учебники
- Приводные двигатели с Arduino
≡ Страниц
Авторы: bri_huang
Избранное Любимый 2
Прежде чем мы перейдем к делу, давайте взглянем на транзистор. Мы лишь кратко покажем, как транзистор работает в этом приложении. Если вам интересно узнать больше, у нас есть полное руководство по транзисторам здесь.
Существует множество различных типов транзисторов; тот, который мы рассмотрим, называется транзистором NPN BJT (двухпереходный транзистор).
NPN описывает свойства материала устройства и его поведение. (Примечание: существует также транзистор типа PNP, который работает аналогично, но с другим направлением тока). Типичный рисунок или схема транзистора NPN выглядит так, как показано на рисунке ниже.
Маркировка выводов
Три ножки транзистора помечены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). В зависимости от производителя и типа упаковки порядок этих контактов может отличаться. Важно всегда дважды проверять таблицы данных, если вы не уверены. В электронике используются два очень распространенных NPN-транзистора. Это 2N2222 и BC337.
Транзистор — NPN, 50В 800мА (BC337)
В наличии COM-13689
Избранное Любимый 21
Список желаний
Маркировка контактов и их ориентация одинаковы как для 2N2222, так и для BC337.
Если вы посмотрите на верхнюю часть транзистора, вы заметите, что он имеет форму заглавной буквы D. Одна сторона изогнута, а другая плоская. Держите транзистор так, чтобы контакты были направлены вниз, а плоский край был обращен влево, контакты расположены в том же порядке, что и на схеме выше: коллектор (вверху), база (посередине) и эмиттер (внизу).
При взгляде на принципиальную схему транзистора база всегда находится посередине; эмиттер имеет стрелку, указывающую в сторону (только для NPN-транзисторов), а коллектор — это последний немаркированный вывод.
Как это работает
Не вдаваясь слишком глубоко в нюансы полупроводников и квантовой физики, вот краткий обзор того, как работает NPN-транзистор. Транзистор работает как переключатель. Представьте, что между коллектором и эмиттером есть переключатель. Когда транзистор «выключен», переключатель разомкнут, и ток не может течь от коллектора к эмиттеру. Когда транзистор включен, ключ закрыт, и ток течет от коллектора к эмиттеру.
Базовый контакт используется для управления транзистором. При подаче напряжения на базу транзистор открывается и по нему течет ток. Преимущество этой конфигурации в том, что слаботочный сигнал от Arduino может использоваться для включения и выключения транзистора. Транзистор работает как переключатель, который можно использовать для замыкания цепи двигателя, подключенного непосредственно к источнику питания.
Теперь давайте подключим это к нашему Arduino.
Почему мне нужны транзисторы и резисторы для вращения двигателя постоянного тока с помощью Arduino, но я могу подключить его напрямую к батарее?
спросил
Изменено 8 месяцев назад
Просмотрено 1к раз
Как говорится в вопросе: я строю схему для запуска двигателя постоянного тока всякий раз, когда датчик движения обнаруживает движение.
Теперь, как следует из этого изображения:
Мне нужен диод + резистор + транзистор, чтобы заставить эту штуку вращаться с помощью Arduino, но я могу сделать то же самое с батареей и подключить каждую из клемм к + и — из батарея. Я так понимаю, это может быть для контроля скорости? Или крутить мотор по разному?
А если мне просто нужно, чтобы он крутился на 100%, нужно ли было все это?
Пробовал подключать двигатель напрямую через резистор к 5 В + GND платы, когда он был включен, но безрезультатно. Я (очевидно) делаю что-то не так, но я хочу использовать эту проблему как способ лучше изучить схемы.
- arduino-uno
- двигатель
- транзистор
- резистор
5
Если вы хотите, чтобы двигатель вращался непрерывно, без использования ШИМ и без включения и выключения двигателя с Arduino, вы можете подключить двигатель напрямую к 5 В и земле. Если вы затем добавите большой резистор, как вы пытались, через двигатель будет проходить недостаточно тока, чтобы вращать его; на изображении резистор предназначен для ограничения тока в транзисторе, а не для ограничения тока в двигателе.
Вы не можете подключить двигатель напрямую к контакту IO, потому что контакт IO может выдавать только около 20 мА, что недостаточно для двигателя. Итак, если вы хотите управлять двигателем с вывода IO, вам нужен транзистор в качестве переключателя, и вы управляете этим транзистором с вывода IO. Транзистор выполняет тяжелую работу и переключает больший ток, необходимый двигателю. Резистор нужен для ограничения тока в транзисторе.
Обратите внимание, что обычно лучше подключать двигатель напрямую к источнику питания 5 В, а не к контакту 5 В на Arduino, поскольку ток, который вы можете получить от этого контакта, ограничен; однако это подойдет для небольших двигателей, если они не тянут больше, чем, давайте будем в безопасности, около 300 мА. Другими словами, предпочтительнее не использовать вывод Arduino 5 В в качестве источника питания, а использовать источник питания 5 В напрямую.
Также обратите внимание, что вам всегда нужен диод на двигателе, как бы вы его ни подключали.
