Comment connecter des transistors (BJT) et MOSFET avec Arduino

L'interfaçage de périphériques d'alimentation tels que les BJT et les MOSFET avec sortie Arduino est une configuration cruciale qui permet de commuter des charges de puissance élevée via des sorties de faible puissance d'un Arduino.

Dans cet article, nous discutons en détail des méthodes correctes d'utilisation ou de connexion des transistors comme les BJT et les mosfets avec n'importe quel microcontrôleur ou un Arduino.

Ces étapes sont également appelées 'Level Shifter' car cette étape fait passer le niveau de tension d'un point inférieur à un point supérieur pour le paramètre de sortie concerné. Par exemple, ici, le décalage de niveau est mis en œuvre de la sortie Arduino 5V à la sortie MOSFET 12V pour la charge 12V sélectionnée.

Quel que soit le niveau de programmation ou de codage de votre Arduino, s'il n'est pas correctement intégré à un transistor ou à un matériel externe, cela pourrait entraîner un fonctionnement inefficace du système ou même endommager les composants impliqués dans le système.

Par conséquent, il devient extrêmement important de comprendre et d'apprendre les bonnes méthodes d'utilisation de composants actifs externes tels que les mosfets et les BJT avec un microcontrôleur, afin que le résultat final soit efficace, fluide et efficace.

Avant de discuter des méthodes d'interfaçage des transistors avec Arduino, il serait utile d'apprendre les caractéristiques de base et le fonctionnement des BJT et des mosfets.

Caractéristiques électriques des transistors (bipolaires)

BJT signifie transistor à jonction bipolaire.

La fonction de base d'un BJT est d'allumer une charge connectée en réponse à un déclenchement de tension externe. La charge est censée être la plupart du temps plus lourde en courant que le déclencheur d'entrée.

Ainsi, la fonction de base d'un BJT est d'allumer une charge de courant plus élevée en réponse à un déclenchement d'entrée de courant plus faible.

Techniquement, cela s'appelle aussi polarisation du transistor , ce qui signifie utiliser le courant et la tension pour faire fonctionner un transistor pour une fonction prévue, et cette polarisation doit être effectuée de la manière la plus optimale.

Les BJT ont 3 fils ou 3 broches, à savoir base, émetteur, collecteur.

La broche de base est utilisée pour alimenter le déclencheur d'entrée externe, sous forme de faible tension et courant.

La broche de l'émetteur est toujours connectée à la terre ou à la ligne d'alimentation négative.

La broche du collecteur est connectée à la charge via l'alimentation positive.

Les BJT peuvent être trouvés avec deux types de polarités, NPN et PNP. La configuration de base des broches est la même pour NPN et PNP comme expliqué ci-dessus, sauf la polarité d'alimentation CC qui devient exactement le contraire.

Le les brochages d'un BJT pourraient être compris à travers l'image suivante:

Dans l'image ci-dessus, nous pouvons voir la configuration de brochage de base d'un NPN et d'un transistors PNP (BJT). Pour le NPN, l'émetteur devient la ligne de masse et est connecté à l'alimentation négative.

Normalement, lorsque le mot «masse» est utilisé dans un circuit CC, nous supposons qu'il s'agit de la ligne d'alimentation négative.
Cependant, pour un transistor, la ligne de masse associée à l'émetteur se réfère à sa base et aux tensions de collecteur, et la «masse» de l'émetteur ne signifie pas nécessairement la ligne d'alimentation négative.

Oui, pour un NPN BJT, la masse peut être la ligne d'alimentation négative, mais pour un Transistor PNP la «masse» est toujours référencée à la ligne d'alimentation positive, comme le montre la figure ci-dessus.

La fonction d'activation / désactivation des deux BJT est fondamentalement la même, mais la polarité change.

Puisque l'émetteur d'un BJT est le passage de «sortie» pour le courant entrant dans la base et le collecteur, il doit être «mis à la terre» sur une ligne d'alimentation qui doit être opposée à la tension utilisée aux entrées de la base / collecteur. Sinon, le circuit ne se terminera pas.

Pour un NPN BJT, la base et les entrées de collecteur sont associées à une tension de déclenchement ou de commutation positive, par conséquent l'émetteur doit être référencé à la ligne négative.

Cela garantit que les tensions positives entrant dans la base et le collecteur peuvent atteindre la ligne négative à travers l'émetteur et compléter le circuit.

Pour un PNP BJT, la base et le collecteur sont associés à une entrée de tension négative, donc naturellement l'émetteur d'un PNP doit être référencé à la ligne positive, afin que l'alimentation positive puisse entrer par l'émetteur et terminer son trajet depuis la base et les broches collectrices.

Notez que le flux de courant pour le NPN va de la base / collecteur vers l'émetteur, tandis que pour le PNP, il va de l'émetteur vers la base / collecteur.

Dans les deux cas, l'objectif est d'allumer la charge du collecteur via une petite entrée de tension à la base du BJT, seule la polarité change c'est tout.

La simulation suivante montre le fonctionnement de base:

Dans la simulation ci-dessus, dès que le bouton est enfoncé, l'entrée de tension externe entre dans la base du BJT et atteint la ligne de masse via l'émetteur.

Pendant ce temps, le passage collecteur / émetteur à l'intérieur du BJT s'ouvre et permet à l'alimentation positive du haut de pénétrer dans l'ampoule et de passer à travers l'émetteur jusqu'à la masse, allumant l'ampoule (charge).

Les deux commutations se produisent presque simultanément en réponse à la pression du bouton-poussoir.

La broche d'émetteur devient ici le brochage de «sortie» commun pour les deux alimentations d'entrée (base et collecteur).

Et la ligne d'alimentation de l'émetteur devient la ligne de masse commune pour le déclencheur d'alimentation d'entrée, ainsi que la charge.

Ce qui signifie que la ligne d'alimentation connectée à l'émetteur BJT doit également être strictement connectée à la terre de la source de déclenchement externe et à la charge.

Pourquoi nous utilisons une résistance à la base d'un BJT

La base d'un BJT est conçue pour fonctionner avec des entrées de faible puissance, et cette broche ne peut pas accepter de grandes entrées de courant, et nous utilisons donc une résistance, juste pour nous assurer qu'aucun courant important n'est autorisé à entrer dans la base.

La fonction de base de la résistance est de limiter le courant à une valeur spécifiée correcte, conformément à la spécification de charge.

Veuillez noter que, pour les BJT, cette résistance doit être dimensionnée en fonction du courant de charge côté collecteur.

Pourquoi?

Parce que les BJT sont des «commutateurs» dépendant du courant.

Cela signifie que le courant de base doit être augmenté ou diminué ou ajusté conformément aux spécifications de courant de charge du côté du collecteur.

Mais la tension de commutation requise à la base d'un BJT peut être aussi basse que 0,6 V ou 0,7 V. Cela signifie que la charge du collecteur BJT peut être activée avec une tension aussi basse que 1 V sur la base / l'émetteur d'un BJT.
Voici la formule de base pour calculer la résistance de base:

R = (Us - 0,6) Hfe / courant de charge,

Où R = résistance de base du transistor,

Us = Source ou la tension de déclenchement de la résistance de base,

Hfe = Gain de courant direct du transistor (peut être trouvé à partir de la fiche technique du BJT).

Bien que la formule semble soignée, il n'est pas absolument nécessaire de toujours configurer la résistance de base avec autant de précision.

C'est simplement parce que les spécifications de base du BJT ont une large plage de tolérance et peuvent facilement tolérer de grandes différences dans les valeurs de résistance.

Par exemple, pour connecter un relais ayant une résistance de bobine de 30mA, la formule peut fournir à peu près une valeur de résistance de 56K pour un BC547 à une entrée d'alimentation de 12V .... mais je préfère normalement utiliser 10K, et cela fonctionne parfaitement.

Cependant, si vous ne suivez pas les règles optimales, il pourrait y avoir quelque chose de mal avec les résultats, non?

Techniquement, cela a du sens, mais encore une fois, la perte est si faible par rapport à l'effort consacré aux calculs, elle peut être négligée.

Par exemple, l'utilisation de 10K au lieu de 56K peut forcer le transistor à fonctionner avec un courant de base légèrement plus élevé, le faisant chauffer un peu plus, peut être de quelques degrés plus haut ... ce qui n'a pas d'importance du tout.

Comment connecter BJT avec Arduino

OK, arrivons maintenant au point réel.

Étant donné que nous avons jusqu'à présent largement appris comment un BJT doit être biaisé et configuré sur ses 3 broches, nous pouvons rapidement saisir les détails concernant son interface avec n'importe quel microcontrôleur tel qu'Arduino.

Le but principal de la connexion d'un BJT avec un Arduino est généralement d'allumer une charge ou un paramètre du côté du collecteur, en réponse à une sortie programmée de l'une des broches de sortie Arduino.

Ici, l'entrée de déclenchement pour la broche de base BJT est censée provenir de l'Arduino. Cela implique que la fin de la résistance de base doit simplement être attachée avec la sortie correspondante de l'Arduino, et le collecteur du BJT avec la charge ou tout paramètre externe prévu.

Puisqu'un BJT nécessite à peine 0,7 V à 1 V pour une commutation efficace, 5 V de la broche de sortie Arduino devient parfaitement adéquat pour piloter un BJT et faire fonctionner des charges raisonnables.
Un exemple de configuration peut être voir l'image suivante:

Dans cette image, nous pouvons voir comment un Arduino programmé est utilisé pour faire fonctionner une petite charge sous forme de relais via un étage de pilotage BJT. La bobine de relais devient la charge du collecteur, tandis que le signal de la broche de sortie Arduino sélectionnée agit comme le signal de commutation d'entrée pour la base BJT.

Bien qu'un relais devienne la meilleure option pour faire fonctionner des charges lourdes via un pilote de transistor, lorsque la commutation mécanique devient un facteur indésirable, la mise à niveau des BJT devient un meilleur choix pour faire fonctionner des charges CC à courant élevé, comme indiqué ci-dessous.

Dans l'exemple ci-dessus, un réseau de transistors Darlington peut être vu, configuré pour gérer la charge de 100 watts à courant élevé indiquée sans dépendre d'un relais. Cela permet une commutation transparente de la LED avec un minimum de perturbations, assurant une longue durée de vie pour tous les paramètres.

Continuons maintenant et voyons comment les mosfets peuvent être configurés avec un Arduino

Caractéristiques électriques du MOSFET

Le but de l'utilisation d'un mosfet avec un Arduino est généralement similaire à celui de BJT comme indiqué ci-dessus.

Cependant, puisque normalement Les MOSFET sont conçus Pour gérer efficacement les spécifications de courant plus élevées par rapport aux BJT, ils sont principalement utilisés pour la commutation de charges de forte puissance.

Avant de comprendre l'interfaçage d'un mosfet avec Arduino, il serait intéressant de connaître les bases différence entre les BJT et les mosfets

Dans notre discussion précédente, nous avons compris que Les BJT sont des appareils dépendant du courant , car leur courant de commutation de base dépend du courant de charge du collecteur. Des courants de charge plus élevés exigeront un courant de base plus élevé, et vice versa.

Pour les mosfets, ce n'est pas vrai, en d'autres termes, la porte mosfets qui est équivalente à la base BJT, nécessite un courant minimal pour s'allumer, quel que soit le courant de drain (la broche de drain du mosfet est équivalente à la broche de collecteur de BJT).

Cela dit, bien que le courant ne soit pas le facteur décisif pour la commutation d'une porte mosfet, la tension est.

Par conséquent, les mosfets sont considérés comme des appareils dépendant de la tension

La tension minimale requise pour créer une polarisation saine pour un mosfet est de 5 V ou 9 V, 12 V étant la plage la plus optimale pour allumer complètement un mosfet.

Par conséquent, nous pouvons supposer que pour allumer un mosfet et une charge sur son drain, une alimentation de 10 V peut être utilisée à travers sa porte pour un résultat optimal.

Broches équivalentes des Mosfets et BJT

L'image suivante montre les broches complémentaires des mosfets et des BJT.

Base correspond à Gate-Collector correspond à Drain-Emitter correspond à Source.

Quelle résistance doit être utilisée pour une porte Mosfet

De nos tutoriels précédents, nous avons compris que la résistance à la base d'un BJT est cruciale, sans laquelle le BJT peut être instantanément endommagé.

Pour un MOSFET, cela peut ne pas être si pertinent, car les MOSFET ne sont pas affectés par les différences de courant à leurs grilles, mais une tension plus élevée pourrait être considérée comme dangereuse. En général, tout ce qui dépasse 20 V peut être mauvais pour une porte MOSFET, mais le courant peut être sans importance.

Pour cette raison, une résistance à la porte n'est pas pertinente car des résistances sont utilisées pour limiter le courant et la porte mosfet ne dépend pas du courant.

Cela dit, les MOSFET sont extrêmement vulnérable aux pics soudains et aux transitoires à leurs portes, par rapport aux BJT.

Pour cette raison, une résistance de faible valeur est généralement préférée aux grilles des MOSFET, juste pour s'assurer qu'aucune pointe de tension soudaine n'est capable de traverser la porte MOSFET et de la déchirer en interne.

Typiquement toute résistance entre 10 et 50 ohms pourraient être utilisés aux portes MOSFET pour protéger leurs portes contre les pics de tension inattendus.

Interfaçage d'un MOSFET avec Arduino

Comme expliqué dans le paragraphe ci-dessus, un mosfet aura besoin d'environ 10V à 12V pour s'allumer correctement, mais comme les Arduinos fonctionnent avec 5V, sa sortie ne peut pas être directement configurée avec un mosfet.

Puisqu'un Arduino fonctionne avec une alimentation 5V, et toutes ses sorties sont conçues pour produire 5V en tant que signal logique d'alimentation haute. Bien que ce 5V puisse avoir la capacité d'allumer un MOSFET, cela peut entraîner une commutation inefficace des appareils et des problèmes de chauffage.

Pour une commutation MOSFET efficace et pour transformer la sortie 5V d'Arduino en un signal 12V, un étage tampon intermédiaire peut être configuré comme indiqué dans l'image suivante:

Sur la figure, le MOSFET peut être vu configuré avec un couple d'étages de tampon BJT qui permet au MOSFET d'utiliser le 12V de l'alimentation électrique et de s'allumer lui-même et la charge efficacement.

Deux BJT sont utilisés ici car un seul BJT amènerait le MOSFET à se conduire de manière opposée en réponse à tous les signaux Arduino positifs.

Supposons qu'un BJT soit utilisé, puis pendant que le BJT est allumé avec un signal Arduino positif, le mosfet serait éteint, car sa porte serait mise à la terre par le collecteur BJT, et la charge serait allumée alors que l'Arduino est éteint.

Fondamentalement, un BJT inverserait le signal Arduino pour la porte mosfet, ce qui entraînerait une réponse de commutation opposée.

Pour corriger cette situation, deux BJT sont utilisés, de sorte que le second BJT inverse la réponse et permet au mosfet de s'allumer pour tous les signaux positifs uniquement de l'Arduino.

Dernières pensées

À présent, vous devriez avoir parfaitement compris la méthode correcte de connexion des BJT et des mosfets avec un microcontrôleur ou un Arduino.

Vous avez peut-être remarqué que nous avons principalement utilisé des BJT NPN et des mosfets à canal N pour les intégrations, et que nous avons évité d'utiliser les périphériques PNP et à canal P. En effet, les versions NPN fonctionnent idéalement comme un commutateur et sont faciles à comprendre lors de la configuration.

C'est comme conduire une voiture normalement vers l'avant, plutôt que de regarder derrière et de la conduire en marche arrière. Dans les deux cas, la voiture fonctionnerait et se déplacerait, mais la conduite en marche arrière est très inefficace et n'a pas de sens. La même analogie s'applique ici, et l'utilisation de dispositifs NPN ou à canal N devient une meilleure préférence par rapport aux mosfets PNP ou à canal P.

Si vous avez des doutes, ou si vous pensez que j'ai peut-être manqué quelque chose ici, veuillez utiliser la zone de commentaire ci-dessous pour une discussion plus approfondie.