Relé Arduno umožňuje pripojiť zariadenia pracujúce v režimoch s relatívne vysokými prúdmi alebo napätím. K Arduino doske nemôžeme priamo pripojiť výkonné čerpadlá, motory, ba ani obyčajnú žiarovku - doska nie je určená na takúto záťaž a nebude fungovať. Preto budeme musieť do obvodu pridať relé, ktoré nájdete v akomkoľvek projekte. V tomto článku budeme hovoriť o tom, čo sú relé, aké sú a ako ich môžete pripojiť k svojmu projektu Arduino.

Relé je brána, ktorá umožňuje prepojiť elektrické obvody s úplne odlišnými parametrami. Typický riečny uzáver spája vodné kanály umiestnené v rôznych výškach otváraním alebo zatváraním brán. Relé v Arduine zapína alebo vypína externé zariadenia, určitým spôsobom uzatvára alebo otvára samostatnú elektrickú sieť, ku ktorej sú pripojené. Pomocou Arduina a relé riadime proces zapínania alebo vypínania rovnakým spôsobom, ako zapíname alebo vypíname svetlá doma – odoslaním príkazu na zatvorenie alebo otvorenie. Arduino vydá signál a samotné zatvorenie alebo otvorenie „výkonného“ obvodu vykoná relé prostredníctvom špeciálnych vnútorných mechanizmov. Relé možno považovať za diaľkové ovládanie, pomocou ktorého vykonávame potrebné činnosti pomocou relatívne „slabých“ signálov.

Relé sa vyznačuje nasledujúcimi parametrami:

• Spúšťacie napätie alebo prúd.
• Uvoľnite napätie alebo prúd.
• Časy aktivácie a uvoľnenia.
• Prevádzkový prúd a napätie.
• Vnútorný odpor.

V závislosti od typu týchto vnútorných vypínacích mechanizmov a vlastností zariadenia možno rozlíšiť dve hlavné skupiny relé: elektromechanické relé (spínané elektromagnetom) a polovodičové relé (spínané špeciálnymi polovodičovými komponentmi).

Elektromagnetické a polovodičové relé

Elektromagnetické relé

Elektromagnetické relé je elektrické zariadenie, ktoré mechanicky uzatvára alebo otvára zaťažovací obvod pomocou magnetu. pozostáva z elektromagnetu, pohyblivej kotvy a spínača. Elektromagnet je drôt, ktorý je navinutý na feromagnetickej cievke. Doska z magnetického materiálu pôsobí ako kotva. Niektoré modely zariadení môžu mať vstavané prídavné zariadenia elektronické komponenty: rezistor pre presnejšiu činnosť relé, kondenzátor na zníženie rušenia, dióda na elimináciu prepätí.

Relé funguje vďaka elektromagnetickej sile generovanej v jadrách, keď je prúd dodávaný cez závity cievky. V počiatočnom stave pružina drží kotvu. Keď sa aplikuje riadiaci signál, magnet začne priťahovať kotvu a zatvára alebo otvára obvod. Po vypnutí napätia sa kotva vráti do pôvodnej polohy. Zdrojmi riadiaceho napätia môžu byť snímače (tlak, teplota atď.), elektrické mikroobvody a iné zariadenia, ktoré dodávajú nízky prúd alebo nízke napätie.

Elektromagnetické relé sa používajú v automatizačných obvodoch, pri riadení rôznych technologických zariadení, elektrických pohonov a iných zariadení. Relé je určené na reguláciu napätí a prúdov, môže byť použité ako pamäťové alebo konvertorové zariadenie a dokáže zaznamenávať aj odchýlky parametrov od normálnych hodnôt.

Klasifikácia elektromagnetických relé:

• Riadiaci prúd môže byť konštantný alebo striedavý. V prvom prípade môže byť zariadenie neutrálne alebo polarizované. Pre striedavý prúd je kotva vyrobená z elektroocele na zníženie strát.
• Kotvové alebo jazýčkové relé. Pre typ kotvy prebieha proces zatvárania a otvárania pohybom kotvy, pre jazýčkový spínač je typická absencia jadra, magnetické pole pôsobí na elektródu s kontaktmi.
• Výkon – do 50 ms, do 150 ms a od 1 s.
• Ochranný kryt – zapečatený, zakrytý a otvorený.

V porovnaní s polovodičovými zariadeniami má elektromagnetické relé výhody - je lacné, spína veľkú záťaž pri malej veľkosti zariadenia a produkuje málo tepla na cievke. Nevýhody zahŕňajú pomalú odozvu, hluk a ťažkosti so spínaním indukčných záťaží.

Polovodičové relé

Polovodičové relé sa považujú za dobrú alternatívu k elektromagnetickým, ide o modulárne polovodičové zariadenie, ktoré sa vyrába hybridnou technológiou. Relé obsahujú tranzistory, triaky alebo tyristory. V porovnaní s elektromagnetickými zariadeniami majú polovodičové relé množstvo výhod:

• Dlhá životnosť.
• Výkon.
• Malé veľkosti.
• Neexistuje žiadny vonkajší hluk, akustické rušenie alebo chvenie kontaktov.
• Nízka spotreba energie.
• Vysoko kvalitná izolácia.
• Odolné voči vibráciám a nárazom.
• Neexistuje žiadny oblúkový výboj, čo umožňuje prácu vo výbušnom prostredí.

Pracujú podľa nasledujúceho princípu: do LED je privedený riadiaci signál, dôjde ku galvanickému oddeleniu riadiaceho a spínaného obvodu, potom signál ide do matrice fotodiód. Napätie je regulované vypínačom.

Polovodičové relé majú tiež niekoľko nevýhod. Po prvé, počas spínania sa zariadenie zahrieva. Zvýšenie teploty zariadenia vedie k obmedzeniu regulovaného prúdu - pri teplotách nad 60 stupňov sa hodnota prúdu znižuje, maximálna prevádzková teplota je 80 stupňov.

Polovodičové relé sú klasifikované podľa nasledujúcich kritérií:

• Typ záťaže – jednofázové a trojfázové.
• Spôsob ovládania - prepínanie nastáva v dôsledku DC napätie, variabilné alebo manuálne ovládanie.
• Spôsob spínania: riadenie prechodu cez nulu (používa sa pre slabo indukčné, kapacitné a odporové záťaže), náhodné spínanie (indukčné a odporové záťaže, ktoré vyžadujú okamžitú aktiváciu) a fázové riadenie (kolísanie výstupného napätia, regulácia výkonu, ovládanie žiaroviek).

Relé v projektoch Arduino

Najbežnejšie relé pre dosku Arduino je vyrobené vo forme modulu, napríklad SONGLE SRD-05VDC. Prístroj je ovládaný napätím 5 V, dokáže spínať až 10 A 30 V DC a 10 A 250 V AC.

Schéma je znázornená na obrázku. Relé pozostáva z dvoch neprepojených obvodov - riadiaceho obvodu A1 a A2 a riadeného obvodu 1, 2 a 3.

Medzi A1 a A2 je kovové jadro. Ak ním prejdete elektrickým prúdom, pritiahne sa k nemu kotva (2). 1, 3 – pevné kontakty. Pri absencii prúdu bude kotva blízko kolíka 3.

Pripojenie relé k Arduinu

Zvážte jednokanálový reléový modul. Má len 3 kontakty, k Arduino Uno sa pripájajú nasledovne: GND – GND, VCC – +5V, In – 3. Reléový vstup je invertovaný, takže vysoký stupeň On In vypne cievku a low ju zapne.

Na indikáciu sú potrebné LED - pri rozsvietení červenej LED1 je do relé privedené napätie, pri rozsvietení zelenej LED2 dochádza ku skratu. Keď sa mikrokontrolér zapne, tranzistor sa vypne. Na jej otvorenie je potrebné mínus na základni, dodávanej pomocou funkcie digitalWrite(pin, LOW);. Tranzistor sa otvorí, prúd preteká obvodom a relé pracuje. Na vypnutie sa na základňu aplikuje znamienko plus pomocou digitalWrite(pin, HIGH);.

Schéma zapojenia lampy a vzhľad rozloženie sú znázornené na obrázkoch.

Tranzistor je všadeprítomnou a dôležitou súčasťou modernej mikroelektroniky. Jeho účel je jednoduchý: umožňuje, používanie slabý signál ovládanie oveľa silnejšie.

Najmä môže byť použitý ako riadený „tlmič“: absenciou signálu na „bráne“ blokuje tok prúdu a jeho napájaním ho umožňuje. Inými slovami: toto je tlačidlo, ktoré sa nestlačí prstom, ale privedením napätia. Toto je najbežnejšia aplikácia v digitálnej elektronike.

Tranzistory sú dostupné v rôznych baleniach: ten istý tranzistor môže vyzerať úplne inak. Pri prototypovaní sú najbežnejšie prípady:

TO-92 - kompaktný, pre ľahké zaťaženie

TO-220AB - masívny, dobrý odvod tepla, pre veľké zaťaženie

Označenie na schémach sa tiež líši v závislosti od typu tranzistora a štandardu označenia použitého v kompilácii. Ale bez ohľadu na variáciu, jeho symbol zostáva rozpoznateľný.

Bipolárne tranzistory

Bipolárne tranzistory (BJT, bipolárne tranzistory) majú tri kontakty:

Kolektor - je naň privedené vysoké napätie, ktoré chcete ovládať

Báza - cez ňu sa dodáva malé množstvo prúd odomknúť veľké; základňa je uzemnená, aby ju blokovala

Emitor - prúd cez neho preteká z kolektora a základne, keď je tranzistor „otvorený“

Hlavnou charakteristikou bipolárneho tranzistora je indikátor h fe tiež známy ako zisk. Odráža, koľkokrát viac prúdu v sekcii kolektor-emitor môže prejsť tranzistorom v porovnaní s prúdom báza-emitor.

Napríklad, ak h fe= 100, a cez bázu prejde 0,1 mA, potom cez seba prejde tranzistor maximálne 10 mA. Ak je v tomto prípade vo vysokoprúdovej sekcii súčiastka, ktorá spotrebuje napríklad 8 mA, bude mať 8 mA a tranzistor bude mať „rezervu“. Ak existuje súčiastka, ktorá odoberá 20 mA, bude poskytnutá len s maximálnym prúdom 10 mA.

Dokumentácia pre každý tranzistor tiež uvádza maximálne prípustné napätia a prúdy na kontaktoch. Prekročenie týchto hodnôt vedie k nadmernému zahrievaniu a zníženiu životnosti a silné prekročenie môže viesť k zničeniu.

NPN a PNP

Vyššie opísaný tranzistor je takzvaný NPN tranzistor. Nazýva sa tak preto, že pozostáva z troch vrstiev kremíka spojených v poradí: Negatívny-Pozitívny-Negatívny. Kde negatívna je zliatina kremíka s prebytkom negatívnych nosičov náboja (n-dopovaná) a pozitívna je zliatina s prebytkom kladných nosičov náboja (p-dopovaná).

NPN sú efektívnejšie a bežnejšie v priemysle.

Pri označovaní PNP tranzistorov sa líšia v smere šípky. Šípka vždy ukazuje z P na N. Tranzistory PNP majú „obrátené“ správanie: prúd nie je blokovaný, keď je základňa uzemnená a blokovaná, keď ňou preteká prúd.

Tranzistory s efektom poľa

Tranzistory s efektom poľa (FET, Field Effect Transistor) majú rovnaký účel, líšia sa však vnútornou štruktúrou. Konkrétnym typom týchto komponentov sú tranzistory MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Umožňujú vám pracovať s oveľa väčším výkonom pri rovnakých rozmeroch. A ovládanie samotnej „klapky“ sa vykonáva výlučne pomocou napätia: hradlom netečie žiadny prúd, na rozdiel od bipolárnych tranzistorov.

Tranzistory s efektom poľa majú tri kontakty:

Odtok - je naň privedené vysoké napätie, ktoré chcete ovládať

Brána - na ňu je aplikované napätie, ktoré umožňuje prúdenie prúdu; brána je uzemnená, aby blokovala prúd.

Zdroj - prúd cez neho preteká z odtoku, keď je tranzistor „otvorený“

N-kanál a P-kanál

Analogicky s bipolárnymi tranzistormi sa tranzistory poľa líšia polaritou. N-kanálový tranzistor bol opísaný vyššie. Sú najbežnejšie.

P-kanál, keď je označený, sa líši v smere šípky a opäť má „obrátené“ správanie.

Pripojenie tranzistorov na pohon vysokovýkonných komponentov

Typickou úlohou mikrokontroléra je zapnutie a vypnutie konkrétneho komponentu obvodu. Samotný mikrokontrolér má zvyčajne skromné ​​charakteristiky spracovania energie. Takže Arduino s výstupom 5 V na pin dokáže vydržať prúd 40 mA. Výkonné motory alebo ultrasvietivé LED diódy dokážu čerpať stovky miliampérov. Pri priamom pripojení takýchto záťaží môže čip rýchlo zlyhať. Navyše, pre fungovanie niektorých komponentov je potrebné napätie vyššie ako 5 V a Arduino nedokáže vyprodukovať viac ako 5 V z digitálneho výstupného pinu.

Ale stačí jednoducho ovládať tranzistor, ktorý zase bude riadiť veľký prúd. Povedzme, že potrebujeme pripojiť dlhý LED pásik, ktorý vyžaduje 12 V a spotrebuje 100 mA:

Teraz, keď je výstup nastavený na logickú jednotku (vysoká), 5 V vstupujúcich do základne otvorí tranzistor a cez pásku potečie prúd - bude svietiť. Keď je výstup nastavený na logickú nulu (nízka), základňa bude cez mikrokontrolér uzemnená a tok prúdu bude zablokovaný.

Dávajte pozor na odpor obmedzujúci prúd R. Je potrebné, aby pri privedení riadiaceho napätia nevznikol skrat na trase mikrokontrolér - tranzistor - zem. Hlavnou vecou nie je prekročiť povolený prúd cez kontakt Arduino 40 mA, takže musíte použiť odpor s hodnotou najmenej:

Tu U d- toto je pokles napätia na samotnom tranzistore. Závisí od materiálu, z ktorého je vyrobený a zvyčajne je 0,3 – 0,6 V.

Ale absolútne nie je potrebné udržiavať prúd na prípustnom limite. Je len potrebné, aby vám zosilnenie tranzistora umožnilo riadiť požadovaný prúd. V našom prípade je to 100 mA. Prijateľné pre použitý tranzistor h fe= 100, potom nám bude stačiť riadiaci prúd 1 mA

Pre nás je vhodný rezistor s hodnotou od 118 Ohm do 4,7 kOhm. Pre stabilnú prevádzku na jednej strane a mierne zaťaženie čipu na strane druhej je 2,2 kOhm dobrou voľbou.

Ak namiesto bipolárneho tranzistora použijete tranzistor s efektom poľa, môžete to urobiť bez odporu:

Je to spôsobené tým, že brána v takýchto tranzistoroch je riadená výlučne napätím: v sekcii mikrokontroléra - brána - zdroj nie je žiadny prúd. A vďaka svojim vysokým charakteristikám vám obvod využívajúci MOSFET umožňuje riadiť veľmi výkonné komponenty.

Nasledujúce články budú obsahovať zariadenia, ktoré potrebujú ovládať externé zaťaženie. Vonkajšou záťažou myslím všetko, čo je pripevnené k nohám mikrokontroléra - LED diódy, žiarovky, relé, motory, akčné členy... no, chápete. A bez ohľadu na to, ako unavený táto téma, ale aby som sa v nasledujúcich článkoch neopakoval, stále riskujem, že nebudem originálny - to mi odpustíte :). Stručne v odporúčacej forme ukážem najbežnejšie spôsoby pripojenia záťaže (ak chcete niečo doplniť, budem len rád).
Okamžite sa zhodneme, že hovoríme digitálny signál(mikrokontrolér je stále digitálne zariadenie) a neodbočujme od všeobecnej logiky: 1 - zahrnuté, 0 -vypnutý. Poďme začať.

Jednosmerné záťaže zahŕňajú: LED diódy, lampy, relé, jednosmerné motory, servá, rôzne akčné členy atď. Takáto záťaž je najjednoduchšie (a najčastejšie) pripojená k mikrokontroléru.

1.1 Pripojenie zaťaženie cez odpor.
Najjednoduchšia a pravdepodobne najčastejšie používaná metóda, pokiaľ ide o LED diódy.

Rezistor je potrebný na obmedzenie prúdu pretekajúceho cez nohu mikrokontroléra na prípustnú hodnotu 20 mA. Hovorí sa tomu predradník alebo tlmenie. Hodnotu odporu môžete približne vypočítať tak, že poznáte odpor záťaže Rн.

Rkalenie =(5V / 0,02A) – Rn = 250 - Rн

Ako vidíte, aj v najhoršom prípade, keď je odpor záťaže nulový, stačí 250 Ohmov, aby sa zabezpečilo, že prúd neprekročí 20 mA. To znamená, že ak tam nechcete niečo počítať, vložte 300 ohmov a budete chrániť port pred preťažením. Výhoda metódy je zrejmá – jednoduchosť.

1.2 Pripojenie zaťaženie pomocou bipolárneho tranzistora.
Ak sa stane, že vaša záťaž spotrebuje viac ako 20 mA, potom tu samozrejme odpor nepomôže. Potrebujete nejako zvýšiť (čítaj posilniť) prúd. Čo sa používa na zosilnenie signálu? Správny. Tranzistor!

Je vhodnejšie použiť na posilňovanie n-p-n tranzistor zapojený podľa obvodu OE. Touto metódou môžete k mikrokontroléru pripojiť záťaž s vyšším napájacím napätím ako je napájací zdroj. Rezistor na základni je obmedzujúci. Môže sa meniť v širokom rozsahu (1-10 kOhm), v každom prípade bude tranzistor pracovať v režime nasýtenia. Tranzistor môže byť čokoľvek n-p-n tranzistor. Zisk je prakticky nepodstatný. Tranzistor je vybraný na základe kolektorového prúdu (prúd, ktorý potrebujeme) a napätia kolektor-emitor (napätie, ktoré napája záťaž). Dôležitý je aj rozptyl výkonu – aby sa neprehriali.

Z bežných a ľahko dostupných môžete použiť BC546, BC547, BC548, BC549 s ľubovoľnými písmenami (100mA) a postačí aj rovnaká KT315 (tí, čo majú zvyšky zo starých zásob).
- Technický list pre bipolárny tranzistor BC547

1.3 Pripojenie zaťaženie pomocou tranzistora s efektom poľa.
Čo ak je prúd našej záťaže do desiatich ampérov? Nebude možné použiť bipolárny tranzistor, pretože riadiace prúdy takéhoto tranzistora sú veľké a s najväčšou pravdepodobnosťou prekročia 20 mA. Výstupom môže byť buď kompozitný tranzistor (čítaj nižšie) alebo tranzistor s efektom poľa (známy ako MOS, aka MOSFET). Tranzistor s efektom poľa je jednoducho úžasná vec, pretože nie je riadený prúdom, ale potenciálom na bráne. To umožňuje, aby mikroskopický hradlový prúd ovládal veľké záťažové prúdy.

Pre nás Akékoľvek bude stačiť n-kanálový tranzistor s efektom poľa. Vyberáme, podobne ako bipolárne, podľa prúdu, napätia a straty výkonu.

Pri zapínaní tranzistora s efektom poľa musíte zvážiť niekoľko bodov:
- keďže hradlo je v skutočnosti kondenzátor, pri spínaní tranzistora ním tečú veľké prúdy (krátkodobo). Na obmedzenie týchto prúdov je v bráne umiestnený obmedzovací odpor.
— tranzistor je riadený nízkymi prúdmi a ak je výstup mikrokontroléra, ku ktorému je hradlo pripojené, vo vysokoimpedančnom Z-stave, spínač poľa sa začne nepredvídateľne otvárať a zatvárať a zachytí rušenie. Aby sa toto správanie eliminovalo, musí byť noha mikrokontroléra „pritlačená“ k zemi odporom asi 10 kOhm.
Pri tranzistore s efektom poľa na pozadí toho všetkého pozitívne vlastnosti je tu nevýhoda. Náklady na riadenie nízkeho prúdu sú pomalosť tranzistora. Samozrejme zvládne PWM, no pri prekročení povolenej frekvencie na vás zareaguje prehriatím.

1.4 Pripojenie zaťaženie pomocou zloženého Darlingtonovho tranzistora.
Alternatívou k použitiu tranzistora s efektom poľa pre vysokoprúdové zaťaženie je použitie kompozitného Darlingtonovho tranzistora. Navonok je to rovnaký tranzistor ako povedzme bipolárny, ale vnútorne sa na ovládanie výkonného výstupného tranzistora používa obvod predzosilňovača. To umožňuje nízkym prúdom poháňať silnú záťaž. Použitie Darlingtonovho tranzistora nie je také zaujímavé ako použitie zostavy takýchto tranzistorov. Existuje taký nádherný mikroobvod ako ULN2003. Obsahuje až 7 Darlingtonových tranzistorov, z ktorých každý môže byť zaťažený prúdom až 500 mA a pre zvýšenie prúdu je možné ich zapojiť paralelne.

Mikroobvod sa veľmi ľahko pripája k mikrokontroléru (stačí kolík na kolík), má pohodlné zapojenie (vstup oproti výstupu) a nevyžaduje ďalšie zapojenie. Výsledkom tohto úspešného dizajnu je ULN2003 široko používaný v rádioamatérskej praxi. V súlade s tým nebude ťažké ho získať.
- Technický list pre zostavu Darlington ULN2003

Ak potrebujete ovládať AC zariadenia (najčastejšie 220v), potom je všetko komplikovanejšie, ale nie veľa.

2.1 Pripojenie zaťaženie pomocou relé.
Najjednoduchšie a pravdepodobne najspoľahlivejšie spojenie je pomocou relé. Samotná reléová cievka je vysokoprúdová záťaž, takže ju nemôžete pripojiť priamo k mikrokontroléru. Relé môže byť pripojené cez poľný alebo bipolárny tranzistor alebo cez rovnaký ULN2003, ak je potrebných niekoľko kanálov.

Výhody tejto metódy sú vysoký spínací prúd (v závislosti od zvoleného relé), galvanické oddelenie. Nevýhody: obmedzená rýchlosť/frekvencia aktivácie a mechanické opotrebovanie dielov.
Nemá zmysel odporúčať niečo na použitie - relé je veľa, vyberajte podľa požadovaných parametrov a ceny.

2.2 Pripojenie zaťaženie pomocou triaku (triaku).
Ak potrebujete ovládať výkonnú striedavú záťaž a najmä ak potrebujete ovládať výkon dodávaný do záťaže (diméry), potom sa bez použitia triaku (alebo triaku) jednoducho nezaobídete. Triak sa otvára krátkym prúdovým impulzom cez riadiacu elektródu (pre záporné aj kladné polvlny napätia). Triak sa sám uzavrie, keď na ňom nie je napätie (keď napätie prejde nulou). Tu začínajú ťažkosti. Mikrokontrolér musí riadiť moment prechodu napäťovej nuly a to presne určitý moment dávať impulz na otvorenie triaku je konštantná obsadenosť ovládača. Ďalším problémom je nedostatok galvanickej izolácie v triaku. Musíte to urobiť na samostatných prvkoch, čo komplikuje obvod.

Aj keď sú moderné triaky riadené pomerne nízkym prúdom a môžu byť pripojené priamo (cez obmedzovací odpor) k mikrokontroléru, z bezpečnostných dôvodov musia byť zapnuté cez optické oddeľovacie zariadenia. Navyše to platí nielen pre triakové riadiace obvody, ale aj pre nulové riadiace obvody.

Pomerne nejednoznačný spôsob pripojenia záťaže. Keďže na jednej strane vyžaduje aktívnu účasť mikrokontroléra a pomerne zložitý návrh obvodu. Na druhej strane umožňuje veľmi flexibilne manipulovať s nákladom. Ďalšou nevýhodou používania triakov je veľké množstvo digitálny šum vznikajúci pri ich činnosti – sú potrebné obvody na potlačenie.

Triaky sú pomerne široko používané a v niektorých oblastiach sú jednoducho nenahraditeľné, takže nie je problém ich zohnať. V amatérskych rádiách sa veľmi často používajú triaky typu BT138.

Tranzistor

Tranzistor je polovodičové zariadenie, ktoré umožňuje ovládať silnejší signál pomocou slabého signálu. Kvôli tejto vlastnosti sa často hovorí o schopnosti tranzistora zosilniť signál. Aj keď v skutočnosti nič nevylepšuje, ale jednoducho umožňuje zapnúť a vypnúť veľký prúd s oveľa slabšími prúdmi. Tranzistory sú v elektronike veľmi bežné, pretože výstup akéhokoľvek regulátora môže zriedka produkovať prúd väčší ako 40 mA, preto ani 2-3 LED diódy s nízkym výkonom nemôžu byť napájané priamo z mikrokontroléra. Tu prichádzajú na pomoc tranzistory. Článok pojednáva o hlavných typoch tranzistorov, Rozdiely P-N-P z N-P-N bipolárnych tranzistorov, P-kanál z N-kanálových tranzistorov s efektom poľa, sú zvážené hlavné jemnosti spojovacích tranzistorov a je odhalený rozsah ich použitia.

Nezamieňajte tranzistor s relé. Relé je jednoduchý spínač. Podstatou jeho práce je zatváranie a otváranie kovových kontaktov. Tranzistor je zložitejší a jeho činnosť je založená na prechode elektrón-diera. Ak máte záujem dozvedieť sa o tom viac, môžete si pozrieť vynikajúce video, ktoré popisuje činnosť tranzistora od jednoduchých po zložité. Nenechajte sa zmiasť rokom výroby videa – fyzikálne zákony sa odvtedy nezmenili a novšie video, ktoré by materiál tak dobre prezentovalo, nebolo možné nájsť:

Typy tranzistorov

Bipolárny tranzistor

Bipolárny tranzistor je určený na riadenie slabej záťaže (napríklad motory s nízkym výkonom a servá). Má vždy tri výstupy:

Kolektor - dodáva sa vysoké napätie, ktoré riadi tranzistor

• Základňa - prúd sa dodáva alebo vypína na otvorenie alebo zatvorenie tranzistora

Emitter (anglicky: emitter) - „výstupný“ výstup tranzistora. Preteká ním prúd z kolektora a základne.

Bipolárny tranzistor je riadený prúdom. Čím väčší prúd je dodávaný do základne, tým väčší prúd potečie z kolektora do emitora. Pomer prúdu prechádzajúceho z emitora do kolektora k prúdu na báze tranzistora sa nazýva zisk. Označené ako h fe (v anglickej literatúre sa tomu hovorí gain).

Napríklad, ak h fe= 150, a cez bázu prejde 0,2 mA, potom cez seba prejde tranzistor maximálne 30 mA. Ak je pripojený komponent, ktorý odoberá 25 mA (napríklad LED), bude mu poskytnutých 25 mA. Ak je pripojený komponent, ktorý odoberá 150 mA, bude mať k dispozícii maximálne 30 mA. Dokumentácia ku kontaktu uvádza maximálne prípustné hodnoty prúdov a napätí základ-> žiarič A zberateľ -> žiarič . Prekročenie týchto hodnôt vedie k prehriatiu a poruche tranzistora.

Smiešne obrázky:

Bipolárne tranzistory NPN a PNP

Existujú 2 typy polárnych tranzistorov: NPN A PNP. Líšia sa striedaním vrstiev. N (od záporu) je vrstva s prebytkom záporných nosičov náboja (elektrónov), P (z kladného) je vrstva s prebytkom kladných nosičov náboja (diery). Viac informácií o elektrónoch a dierach je popísaných vo videu vyššie.

Správanie tranzistorov závisí od striedania vrstiev. Zobrazuje sa animácia vyššie NPN tranzistor. IN PNP riadenie tranzistora je naopak - prúd preteká tranzistorom, keď je základňa uzemnená a je zablokovaná, keď prúd prechádza základňou. Ako je znázornené na diagrame PNP A NPN sa líšia v smere šípky. Šípka vždy ukazuje na prechod z N Komu P:

Označenie tranzistorov NPN (vľavo) a PNP (vpravo) v schéme

NPN tranzistory sú bežnejšie v elektronike, pretože sú efektívnejšie.

Tranzistor s efektom poľa

Tranzistory s efektom poľa sa líšia od bipolárnych tranzistorov svojou vnútornou štruktúrou. MOS tranzistory sú najbežnejšie v amatérskej elektronike. MOS je skratka pre metal-oxid-conductor. To isté v angličtine: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, skrátene MOSFET. Tranzistory MOS vám umožňujú ovládať vysoké výkony s relatívne malými veľkosťami samotného tranzistora. Tranzistor je riadený napätím, nie prúdom. Keďže tranzistor je riadený el lúka, tranzistor dostal svoje meno - lúka zavýjať.

Tranzistory s efektom poľa majú aspoň 3 vývody:

Odtok - je naň privedené vysoké napätie, ktoré chcete ovládať

Brána - na ňu je privedené napätie na ovládanie tranzistora

Zdroj - prúd cez neho preteká z odtoku, keď je tranzistor „otvorený“

Mala by byť animácia s tranzistorom s efektom poľa, ktorý sa však nebude nijako líšiť od bipolárneho tranzistora okrem schematického zobrazenia samotných tranzistorov, takže animácia nebude.

N kanálové a P kanálové tranzistory s efektom poľa

Tranzistory s efektom poľa sa tiež delia na 2 typy v závislosti od zariadenia a správania. N kanál(kanál N) sa otvorí, keď je na bránu privedené napätie a zatvorí sa. keď nie je napätie. P kanál(kanál P) funguje naopak: kým na hradle nie je žiadne napätie, tranzistorom preteká prúd. Keď je na bránu privedené napätie, prúd sa zastaví. Na diagrame sú tranzistory s efektom poľa znázornené trochu inak:

Analogicky s bipolárnymi tranzistormi sa tranzistory poľa líšia polaritou. N-kanálový tranzistor bol opísaný vyššie. Sú najbežnejšie.

P-kanál, keď je označený, sa líši v smere šípky a opäť má „obrátené“ správanie.

Existuje mylná predstava, že tranzistor s efektom poľa môže ovládať striedavý prúd. Toto je nesprávne. Na ovládanie striedavého prúdu použite relé.

Darlingtonov tranzistor

Nie je úplne správne klasifikovať Darlingtonov tranzistor ako samostatný typ tranzistora. Nemožno ich však v tomto článku nespomenúť. Darlingtonov tranzistor sa najčastejšie vyskytuje vo forme mikroobvodu, ktorý obsahuje niekoľko tranzistorov. Napríklad ULN2003. Darlingtonov tranzistor sa vyznačuje schopnosťou rýchleho otvárania a zatvárania (a teda umožňuje s ním pracovať) a zároveň odolávať vysokým prúdom. Ide o typ zloženého tranzistora a ide o kaskádové spojenie dvoch alebo zriedkavo viacerých tranzistorov spojených tak, že záťaž v emitore predchádzajúceho stupňa je prechod báza-emitor tranzistora nasledujúceho stupňa, tj. je, že tranzistory sú spojené kolektormi a emitor vstupného tranzistora je pripojený k základnému dňu voľna. Okrem toho môže byť odporová záťaž emitora predchádzajúceho tranzistora použitá ako súčasť obvodu na urýchlenie zatvárania. Takéto spojenie ako celok sa považuje za jeden tranzistor, ktorého prúdové zosilnenie sa pri prevádzke tranzistorov v aktívnom režime približne rovná súčinu zosilnenia všetkých tranzistorov.

Tranzistorové pripojenie

Nie je žiadnym tajomstvom, že doska Arduino je schopná dodať na výstup napätie 5 V s maximálnym prúdom až 40 mA. Tento prúd nestačí na pripojenie výkonnej záťaže. Ak sa napríklad pokúsite pripojiť LED pásik alebo motor priamo na výstup, zaručene poškodíte výstup Arduina. Je možné, že celá doska zlyhá. Navyše, niektoré pripojené komponenty môžu vyžadovať viac ako 5 V na prevádzku. Tranzistor rieši oba tieto problémy. Pomôže pomocou malého prúdu z pinu Arduino ovládať silný prúd zo samostatného zdroja alebo pomocou napätia 5 V ovládať vyššie napätie (aj tie najslabšie tranzistory majú málokedy maximálne napätie pod 50 V) . Ako príklad zvážte pripojenie motora:

Vo vyššie uvedenom diagrame je motor pripojený k samostatnému zdroju energie. Medzi kontakt motora a zdroj pre motor sme umiestnili tranzistor, ktorý bude ovládaný pomocou ľubovoľného digitálneho pinu Arduino. Keď privedieme signál HIGH na výstup regulátora z výstupu regulátora, odoberieme veľmi malý prúd na otvorenie tranzistora a cez tranzistor pretečie veľký prúd, ktorý nepoškodí regulátor. Venujte pozornosť odporu nainštalovanému medzi kolíkom Arduino a základňou tranzistora. Je potrebné obmedziť prúd tečúci po trase mikrokontrolér - tranzistor - zem a zabrániť skratom. Ako už bolo spomenuté, maximálny prúd, ktorý je možné odobrať z kolíka Arduino, je 40 mA. Preto budeme potrebovať rezistor aspoň 125 Ohm (5V/0,04A=125 Ohm). Pokojne môžete použiť 220 Ohmový odpor. V skutočnosti by mal byť rezistor vybraný s prihliadnutím na prúd, ktorý musí byť dodaný do základne, aby sa získal požadovaný prúd cez tranzistor. Ak chcete vybrať správny odpor, musíte vziať do úvahy faktor zosilnenia ( h fe).

DÔLEŽITÉ!! Ak pripojíte výkonnú záťaž zo samostatného napájacieho zdroja, musíte fyzicky pripojiť zem („mínus“) napájacieho zdroja záťaže a uzemnenie („GND“ kolík) Arduina. V opačnom prípade nebudete môcť ovládať tranzistor.

Pri použití tranzistora s efektom poľa nie je potrebný odpor obmedzujúci prúd na hradle. Tranzistor je riadený výlučne napätím a cez hradlo netečie žiadny prúd.

Mosfet alebo MOS tranzistor je taká vec na riadenie záťaže. Niečo ako relé, ale lepšie

Existujú typy N a P. Pomôže obrázok:

Musíte si zapamätať obrázok, aby ste sa neskôr v dokumentácii neplietli. Áno, a N-kanály sú zvyčajne chladnejšie

Pripojenie NPN mosfet k arduinu

Nie je tu žiadny problém. Tu je niekoľko možností pripojenia:

Ak potrebuješ aj plynule zapnúť/vypnúť žiarovku, alebo nie na plný výkon, ale napríklad len na polovicu, môžeš z Arduina škrípať podložkou a medzi bránu a zdroj zapojiť ešte 300 mikrofarad kondenzátor.To je potrebné na otvorenie mosfetu na polovicu.. Toto je však vhodné len pre žiarovku s nízkym výkonom, pretože pootvorený mosfet má nekyslý vnútorný odpor a zohrieva sa ako železo.

Pre tento obvod je vhodný napríklad mosfet h6n03l. Vo výbere súhrnov však existuje nuansa. Ten medzi Arduinom a bránou - čím väčší odpor, tým menší prúd na nohe Arduina a tým menšia pravdepodobnosť dymenia. A čím väčší odpor, tým pomalšie sa mosfet otvára. Stručne povedané, 150 ohmov je pre Arduino normálne (podľa Ohmovho zákona I = E / R, I = 5 / 150 = 0,033 A - to je 33 miliampérov, normálne). Prečo je to vôbec potrebné? Faktom je, že brána terénneho pracovníka má určitú kapacitu a je do určitej miery kondenzátorom. Takže v momente prepínania prechádzajú bránou veľké prúdy, ktoré Arduino nemusí vydržať. To je dôvod, prečo potrebujete odpor medzi bránou a kolíkom.

A druhý pull-up rezistor typu 10 kOhm je potrebný na to, aby zostal mosfet zatvorený a záťaž vypnutá, kým je port Arduino v nedefinovanom stave, napríklad počas načítania (tzv. Z-stav).

Táto schéma má však nevýhodu - je trochu pomalá. Prepínanie bude trvať 600 ns, čo nie je vhodné pre všetky úlohy. Tu je front a recesia.

Nie je to však vždy potrebné a spravidla postačuje prvá schéma. A mimochodom, existuje lepšia možnosť - o tom na konci článku.

PNP mosfet arduino

Tu je to trochu zložitejšie

Ak potrebujeme aplikovať záťaž 5 voltov:

• R1 obmedzuje prúd brány, aby sa zabránilo rozbitiu Arduina
• R2 pritiahne port k zemi, aby sa zabránilo falošným poplachom
• D1 Schottkyho dióda, aby sa všetko nespálilo - je potrebná len vtedy, ak má záťaž veľkú indukčnosť - napríklad relé alebo motor alebo niečo iné, kde je veľa navinutých drôtov. Mimochodom, potrebuje to aj mosfet NPN. Ale na striedavý prúd to nie je potrebné, inak bude fajčiť)

Ak to potrebujete na motor alebo žiarovku 12 voltov potom je všetko trochu komplikovanejšie. Na otvorenie mosfetu potrebujeme do brány dodať 12 voltov a pri tejto možnosti bude naše Arduino fajčiť. Potrebujete ďalší tranzistor, ako je tento:

Tu je Q1 bipolárny tranzistor - zapína 12 voltov na hradlo Q2 a R1 je potrebný na obmedzenie prúdu, aby Arduino znova nedymilo. Celé to funguje takto:

Je možné ovládať viac ako 12 voltov, napríklad 24 voltov, ak to q1 zvládne. Aby ste sa uistili, že môžete pridať diódu D2:

Riadime pomocou 220 voltov pomocou mosfetu

Mosfet nie je veľmi výhodné riadiť 220 voltov. No, páči sa to všetkým zvrhlíkom. Tu je príklad diagramu:

A pre normálne riadenie záťaže 220 voltov môžete namiesto mosfetov použiť:

Pripojenie Mosfetu k Arduinu dobrým spôsobom

Pre takéto veci ľudia špeciálne prišli so špeciálnymi ovládačmi, ako sú tieto http://voltmaster-samara.ru/catalog/drajvery-mop-i-igbt-tranzistorov

Tu sa ľudia vysmievajú MOS tranzistorom, koľko chcú

Pointa je, že ovládač je potrebný len na prispôsobenie piatich voltov z kolíkov Arduino (ako aj iných mikrokontrolérov) s úrovňami potrebnými na ovládanie brán mosfetov.

Na obrázku prvé dva diagramy a) a b) nie sú veľmi dobré, pretože kvôli krivým rukám vývojky sa všetko môže stať dymovým. Ale to druhé je v poriadku.

A mimochodom, ak potrebujete použiť PWM, potom je lepšie zvoliť vysokorýchlostný ovládač, ako je TC4420.

Výber MOSFETov na pripojenie k Arduinu

Stiahnite si datasheet, napríklad pre FQP30N06. Prvá vec, ktorú musíte venovať pozornosť, je prúd a volty:

Druhým je určiť pokles napätia pomocou takéhoto diagramu. Napríklad, ak ovládame žiarovku so spotrebou 2A a na ovládanie použijeme 5 voltov na bráne:

Pokles napätia bude niekde okolo 5,4 voltov a radšej si nájdeme niečo menej zahrievajúce

Po tretie, ak sa používa PWM, je potrebné špecifikovať časy otvárania a zatvárania:

Ak posereš frekvenciu, daj jej viac, ako zvládne, transyuk sa prehreje.