Реле Ардуно позволяет подключить устройства, работающие в режимах с относительно большими токами или напряжения. Мы не можем напрямую подключить к плате Arduino мощные насосы, двигатели, даже обычную лампочку накаливания – плата не предназначена для такой нагрузки и работать не будет. Именно поэтому нам придется добавить в схему реле, который вы можете встретить в любом проекте. В этой статье мы поговорим о том, что такое реле, какие они бывают, как можно их подключить своем ардуино проекте.
Реле – это шлюз, который позволяет соединить вместе электрические цепи с совершенно разными параметрами. Обычный шлюз на реке соединяет водные каналы, расположенные на разной высоте, открывая или закрывая ворота. Реле в ардуино включает или выключает внешние устройства, определенным образом замыкая или размыкая отдельную электрическую сеть, в которую они подключены. С помощью ардуино и реле мы управляем процессом включения или выключения так же, как включаем или выключаем свет дома – подавая команду на замыкание или размыкание. Ардуино подает сигнал, само же замыкание или размыкание “мощной” цепи будет делать реле через специальные внутренние механизмы. Реле можно представить себе в виде дистанционного пульта, с помощью которого мы выполняем нужные действия с помощью относительно “слабых” сигналов.
Реле характеризуется следующими параметрами:
- Напряжение или ток срабатывания.
- Напряжение или ток отпускания.
- Время срабатывания и отпускания.
- Рабочие ток и напряжение.
- Внутреннее сопротивление.
В зависимости от типа этих внутренних размыкающих механизмов и особенностях устройства можно выделить две основные группы реле: электромеханические реле (включение с помощью электромагнита) и твердотельные реле (включение через специальные полупроводниковые компоненты).
Электромагнитные и твердотельные реле
Электромагнитное реле
Электромагнитное реле – это электрическое устройство, которое механическим путем замыкает или размыкает цепь нагрузки при помощи магнита. состоит из электромагнита, подвижного якоря и переключателя. Электромагнит – это провод, который намотан на катушку из ферромагнетика. В роли якоря выступает пластина из магнитного материала. В некоторые модели устройства могут быть встроены дополнительные электронные компоненты: резистор для более точного срабатывания реле, конденсатор для уменьшения помех, диод для устранения перенапряжений.
Работает реле благодаря электромагнитной силе, возникающей в сердечники при подаче тока по виткам катушки. В исходном состоянии пружина удерживает якорь. Когда подается управляющий сигнал, магнит начинает притягивать якорь и замыкать либо размыкать цепь. При отключении напряжения якорь возвращается в начальное положение. Источниками управляющего напряжения могут быть датчики (давления, температуры и прочие), электрические микросхемы и прочие устройства, которые подают малый ток или малое напряжение.
Электромагнитное реле применяется в схемах автоматики, при управлении различными технологическими установками, электроприводами и другими устройствами. Реле предназначено для регулирования напряжений и токов, может использоваться как запоминающее или преобразующее устройство, также может фиксировать отклонения параметров от нормальных значений.
Классификация электромагнитных реле:
- Управляющий ток может быть как постоянным, так и переменным. В первом случае устройство может быть нейтральным или поляризованным. Для переменного тока якорь выполняется из электротехнической стали, чтобы уменьшить потери.
- Якорное или герконовое реле. Для якорного процесс замыкания и размыкания происходит при помощи перемещения якоря, для герконового характерно отсутствие сердечника, магнитное поле воздействует на электрод с контактами.
- Быстродействие – до 50 мс, до 150 мс и от 1 с.
- Зщитное покрытие – герметизированное, зачехленное и открытое.
По сравнению с полупроводниковыми устройствами электромагнитное реле обладает преимуществами – оно стоит недорого, коммутация большой нагрузки при небольшом размере устройства, малое выделение тепла на катушке. Из недостатков можно выделить медленное срабатывание, помехи и сложность коммутации индуктивных нагрузок.
Твердотельные реле
Твердотельные реле считаются хорошей альтернативой электромагнитным, они представляет собой модульное полупроводниковое устройство, которое производится по гибридной технологии. В составе реле имеются транзисторы, симисторы или тиристоры. По сравнению с электромагнитными устройствами твердотельные реле обладают рядом преимуществ:
- Долгий срок эксплуатации.
- Быстродействие.
- Малые размеры.
- Отсутствуют посторонние шумы, акустические помехи, дребезги контактов.
- Низкое потребление энергии.
- Качественная изоляция.
- Стойкость к вибрации и ударам.
- Нет дугового разряда, что позволяет работать во взрывоопасных местах.
Работают по следующему принципу: подается управляющий сигнал на светодиод, происходит гальваническая развязка управляющей и коммутируемой цепей, затем сигнал переходит на фотодиодную матрицу. Напряжение регулирует силовым ключом.
Твердотельные реле также имеют несколько недостатков. Во-первых, при коммутации происходит нагрев устройства. Повышение температуры устройства приводит к ограничению регулируемого тока – при температурах, превышающих 60 градусов, уменьшается величина тока, максимальная рабочая температура 80 градусов.
Твердотельные реле классифицируются по следующим признакам:
- Тип нагрузки – однофазные и трехфазные.
- Способ управления – коммутация происходит за счет постоянного напряжения, переменного или ручного управления.
- Метод коммутации: контроль перехода через ноль (применяется для слабоиндуктивных, емкостных и резистивных нагрузок), случайное включение (индуктивные и резистивные нагрузки, которым необходимо мгновенное срабатывание) и фазовое управление (изменение выходного напряжения, регулировка мощности, управление лампами накаливания).
Реле в проектах Ардуино
Наиболее распространенное реле для платы Ардуино выполняется в виде модуля, например, SONGLE SRD-05VDC. Устройство управляется напряжением 5 В, может коммутировать до 10 А 30 В DC и 10 А 250 В AC.
Схема изображена на рисунке. Реле состоит из двух не связанных между собой цепей – управляющая цепь А1 и А2 и управляемая 1, 2 и 3.
Между А1 и А2 имеется металлический сердечник. Если пустить по нему электрический ток, к нему притянется якорь (2). 1, 3 – неподвижные контакты. При отсутствии тока якорь будет около контакта 3.
Подключение реле к Ардуино
Рассмотрим одноканальный модуль реле. Он имеет всего 3 контакта, подключаются они к Ардуино Uno следующим образом: GND – GND, VCC – +5V, In – 3. Вход реле – инвертирован, так что высокий уровень на In выключает катушку, а низкий – включает.
Светодиоды нужны для индикации – при загорании красного LED1 подается напряжение на реле, при загорании зеленого LED2 происходит замыкание. Когда включается микроконтроллер, транзистор закрыт. Для его открытия на базу нужен минус, подается при помощи функции digitalWrite(pin, LOW);. Транзистор открывается, протекает ток через цепь, реле срабатывает. Чтобы его выключить, на базу подается плюс при помощи digitalWrite(pin, HIGH);.
Схема подключения лампы и внешний вид макета представлены на рисунках.
Платформа для любителей робототехники и автоматики славится своей модульной конструкцией и простотой работы. Порой я натыкаюсь на рекламу, где заявляют, что можно собрать своего робота, практически, не будучи знакомым с электроникой. Но это не совсем так.
При неверном подключении некоторых исполнительных устройств и механизмов вы можете сжечь порты ардуинки (о чем я уже рассказывал в статье про то, ). А если вы не знаете, как обращаться с цифровыми устройствами - в лучшем случае вам просто не удастся установить связь.
Я купил несколько модулей для ардуино, что делать дальше?
Чтобы узнать об особенностях подключения, напряжениях питания, логических уровнях и прочем нужно ознакомиться с даташитом на ваш модуль.
Datasheet или даташит - это техническая документация на изделие. Такую документацию можно скачать на любую микросхему или датчик. Обычно они есть на сайте производителя. Более того, в сети существуют специальные ресурсы, на которых собрана целая масса технической документации, одним из таких является http://www.alldatasheet.com/
Внимательно ознакомьтесь с информацией из даташита, но на что следует обратить внимание? Во-первых, у микросхемы, кроме основной части названия обычно присутствует переменная часть или приставка - чаще всего это одна или несколько букв.
Это свидетельствует о некоторых особенностях конкретной микросхемы, например о максимальной мощности, напряжениях питания и логических уровнях (если устройство цифровое), возможно о корпусе, в котором она исполнена и пр.
Если вы не нашли в даташите сведений о питании и лог. уровнях обратитесь в русскоязычные сообщества arduino, на их форумах обычно рассмотрены особенности всех распространенных модулей.
У ArduinoUno напряжение питания и логических уровней 5 В, если внешнее устройство работает в 3.3 В диапазоне - вам придется сформировать их, питание можно устроить с помощью LDO стабилизатора (линейных с низким падением, для стабилизации ему нужно не менее 1.3 вольт «лишнего напряжения при максимальном токе, против 2-х вольт на стабилизаторах 78xx серии, что позволяет получить 3.3 вольта от 4.5 вольт (трёх пальчиковых батареек).
В технической документации для цифровых датчиков и устройств также указываются и названия протоколов, по которым они «общаются» друг с другом. Это могут быть индивидуальные протоколы и стандартные, те же:
Ардуино работает с ними. Это облегчит вам задачу в поиске готовых библиотек и примеров кода.
Согласование и усиление сигналов
Вопросы о согласовании устройств и исполнительных механизмов с ардуиной довольно часто возникают у новичков. Мы рассмотрим часто встречающиеся:
1. Согласование цепей по напряжению.
2. Согласование мощности выходного пина и исполнительного устройства, иными словами усиление напряжения и/или тока.
Что делать если на моём модуле логические уровни 3.3 Вольта, а на ардуино 5 Вольт? Довольно просто использовать конвертер логически уровней. Его можно собрать из дискретных элементов, а можно приобрести готовый модуль на плате, к примеру такой:
Такой преобразователь двунаправленный, т.е. он понижает высокий уровень и повышает ответный низкий. LV(1,2,3,4) - площадки для подключения низкоуровневых сигналов, HV(1,2,3,4) - высоких уровней, HV и LV без цифр - это напряжения 5 и 3.3 Вольта, как и у источников преобразуемых сигналов, GND - земля или минусовой провод. В конкретном экземпляре есть 4 независимых канала.
Вероятность появления высокого потенциала на плате ардуино в этом случае крайне мала, это обеспечивается отсутствием электрического контакта, а связь осуществляется через оптический канал, т.е. с помощью света. Подробнее об этом вы можете узнать изучив фото- и оптоэлектронные приборы.
Если и произойдет большой скачок - то сгорит оптопара, на картинке это PC8171, но никак вы не перегрузите порты микроконтроллера.
Подключение мощных потребителей
Так как микроконтроллер может только УПРАВЛЯТЬ работой устройств, вы не можете подключить мощный потребитель к её порту. Примеры таких потребителей:
Электродвигатели;
Сервоприводы.
1. Подключение сервопривода
Основная задача сервопривода - это задать положение ротора подключенного к исполнительным механизмам, контролировать и изменять его с помощью малых усилий. То есть, вы, с помощью потенциометра, если сервопривод рассчитан на вращение в пределах половины оборота (180 градусов) или с помощью энкодера, если необходимо круговое вращение (360 градусов) можете управлять положением вала сервопривода (электродвигателя в нашем случае) произвольной мощности.
Многие любители робототехники используют ардуину в качестве основы своих роботов. Здесь сервоприводы нашли отличное применение. Их используют в качестве привода поворотных механизмов для камер, датчиков и механических рук. Радиомоделисты используют для привода поворота колес в моделях автомобилей. В промышленности используют большие приводы в ЧПУ станках и прочей автоматизации.
В любительских маленьких сервах плата с датчиком положения и электроникой встроена в корпус. Из них обычно выходит три провода:
Красный - плюс питания, если привод мощный лучше подключать к внешнему источнику, а не к плате ардуино;
Черный или коричневый - минус, по подключению также, как и плюс;
Желтый или оранжевый - управляющий сигнал - его подают из цифрового пина микроконтроллера (digital out).
Для управления сервой предусмотрена специальная библиотека, обращение к ней объявляется в начале кода, командой "#include servo.h".
Подключение электродвигателя
Для привода в движение механизмов и регулировки скорости их вращения проще всего использовать ДПТ (щеточный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов). Такие моторчики вы, наверняка, видели в радиоуправляемых машинках. Они легко реверсируются (включаются на вращение в нужном направлении) нужно просто сменить полярность. Не пытайтесь их подключить к пинам напрямую!
Лучше использовать транзистор. Подойдет , хоть прямой (pnp), хоть обратной (npn) проводимости. Полевые тоже подойдут, но при выборе конкретного убедитесь, работает ли его затвор с логическим уровнями?
В противном случае он не будет открываться полностью, либо вы сожжете цифровой выход микроконтроллера во время заряда затворной емкости - для них используют драйвер, простейший способ - раскачка сигнала через биполярный транзистор. Ниже приведена схема управления через .
Если между G и S не поставить резистора - тогда затвор (G) не будет притянут к земле и может самопроизвольно “гулять” от помех.
Как определить, что полевой транзистор пригоден для прямого управления с микроконтроллера смотрите ниже. В даташите найдите параметр Vgs, например для IRL540 все измерения и графики привязаны к Vgs=5v, даже такой параметр, как сопротивления открытого канала указан для этого напряжения между затвором и истоком.
Кроме щеточного ДПТ по такой же схеме можно подключить куллер от компьютера, хотя там безщеточный двигатель, обмотки которого управляются встроенным преобразователем плата которого расположена прямо в его корпусе.
Обороты этих двух типов двигателей легко регулировать изменяя питающее напряжение. Это можно сделать если базу транзистора подключить не в цифровому (digital output), а шим пину (~pwm), значение которого определяется функцией "analogWrite()".
Реле и соленоиды
Для коммутации цепей, где не нужно регулирование и частое переключение удобно использовать реле. Правильно подобрав подходящее, вы можете коммутировать любые токи и напряжения при минимальных потерях в проводимости и нагреве силовых линий.
Для этого нужно подать напряжение нужной на катушку реле. На схеме реле, его катушка рассчитана на управление 5-ю вольтами, силовые контакты могут коммутировать и пару вольт и сетевые 220 В.
Привод замков дверей автомобиля;
Электромагнитные клапана;
Электромагнит в металлургическом производстве;
Силовая установка пушки гаусса и прочее.
В любом случае типовая схема подключения катушек постоянного тока к микроконтроллеру или логике выглядит так:
Транзистор для усиления управляющего тока, диод подключен в обратном направлении для защиты выхода микроконтроллера от всплесков ЭДС самоиндукции.
Устройства ввода и датчики
Вы можете управлять своей системой с помощью кнопок, резисторов, энкодеров. Кнопкой вы можете подать сигнал на цифровой вход ардуины высокого (high/5V) или низкого (low/0V) уровня.
Для этого есть два варианта включения. Нужна нормально-разомкнутая кнопка без фиксации для некоторых целей нужен тумблер или кнопка с фиксацией - выбирайте сами в зависимости от ситуации. Чтобы подать единицу нужно первый контакт кнопки подключить к источнику питания, а второй к точке соединения резистора и входа микроконтроллера.
Когда кнопка нажата на сопротивлении падает напряжение питания, то есть высокий (high) уровень. Когда кнопка не нажата - тока в цепи нет, потенциал на резисторе низкий, на вход подается сигнал "Low/0V". Это состояние называется "пин подтянут к земле, а резистор "pull-down".
Если нужно, чтобы, при нажатии на кнопку, микроконтроллер получал 0 вместо 1, подключите по этой же схеме нормально-замкнутую кнопку или читайте дальше как это сделать с нормально-разомкнутой.
Чтобы давать микроконтроллеру команду нулевым сигналом схема немного изменяется. К напряжению питания подключается одна нога резистора, вторая к точке соединения нормально-разомкнутой кнопки и цифрового входа ардуины.
Когда кнопка отпущена все напряжение остается на ней, вход получает высокий уровень. Это состояние называется "пин подтянут к плюсу", а резистор "pull-up". Когда вы нажмете кнопку вы шунтируете (замыкаете) вход на землю.
Делитель напряжения и ввод сигнала с потенциометра и резистивных аналоговых
Делитель напряжения применяется для подключения переменных сопротивлений, таких как терморезисторы, фоторезисторы и прочее. За счет того, что один из резисторов постоянный, а второй переменный - можно наблюдать изменение напряжения в их средней точки, на картинке выше оно обозначено, как Ur.
Таким образом можно подключать различные аналоговые датчики резистивного типа и датчики которые под воздействием внешних сил изменяют свою проводимость. А также потенциометры.
На картинке ниже вы видите пример подключения таких элементов. Потенциометр можно подключать без дополнительного резистора, тогда в крайнем положении будет полное напряжение, однако в минимальном положении нужно обеспечить стабилизацию или ограничение тока - иначе будет .
Выводы
Чтобы без ошибок подключить любой модуль и дополнение к микроконтроллеру нужно знать основы электротехники, закон Ома, общие сведения об электромагнетизме, а также основы работы полупроводниковых приборов. На самом деле вы можете убедиться, что это всё гораздо проще сделать, чем слушать эти сложные слова. Пользуйтесь схемами из этой статьи в своих проектах!
Алексей Бартош
Для системы «Умный дом» основной задачей является управление бытовыми приборами с управляющего устройства будь то микроконтроллер типа Ардуино, или микрокомпьютер типа Raspberry PI или любое другое. Но сделать этого напрямую не получится, давайте разберемся как управлять нагрузкой 220 В с Ардуино.
Для управления цепями переменного тока средств микроконтроллера недостаточно по двум причинам:
1. На выходе микроконтроллера формируется сигнал постоянного напряжения.
2. Ток через пин микроконтроллера обычно ограничен величиной в 20-40 мА.
Мы имеем два варианта коммутации с помощью реле или с помощью симистора. Симистор может быть заменен двумя включенными встречно-параллельно тиристорами (это и есть внутренняя структура симистора). Давайте подробнее рассмотрим это.
Управление нагрузкой 220 В с помощью симистора и микроконтроллера
Внутренняя структура симистора изображена на картинке ниже.
Тиристор работает следующим образом: когда к тиристору приложено напряжение в прямом смещении (плюс к аноду, а минус к катоду) ток через него проходить не будет, пока вы не подадите управляющий импульс на управляющий электрод.
Я написал импульс не просто так. В отличие от транзистора тиристор является ПОЛУУПРАВЛЯЕМЫМ полупроводниковым ключом. Это значит, что при снятии управляющего сигнала ток через тиристор продолжит протекать, т.е. он останется открытым. Чтобы он закрылся нужно прервать ток в цепи или сменить полярность приложенного напряжения.
Это значит, что при удержании положительного импульса на управляющем электроде нужно тиристор в цепи переменного тока будет пропускать только положительную полуволну. Симистор может пропускать ток в обоих направлениях, но т.к. он состоит из двух тиристоров подключенных навстречу друг другу.
Управляющие импульсы по полярности для каждого из внутренних тиристоров должны соответствовать полярности соответствующей полуволны, только при выполнении такого условия через симистор будет протекать переменный ток. На практике такая схема реализована в распространенном .
Как я уже сказал микроконтроллер выдает сигнал только одной полярности, для того чтобы согласовать сигналу нужно использовать драйвер построенный на оптосимисторе.
Таким образом, сигнал включает внутренний светодиод оптопары, она открывает симистор, который и подает управляющий сигнал на силовой симистор T1. В качестве оптодрайвера может быть использован MOC3063 и подобные, например, на фото ниже изображен MOC3041.
Zero crossing circuit - цепь детектора перехода фазы через ноль. Нужна для реализации разного рода симисторных регуляторов на микроконтроллере.
Если схема и без оптодрайвера, где согласование организовано через диодный мост, но в ней, в отличие от предыдущего варианта нет гальванической развязки. Это значит, что при первом же скачке напряжения мост может пробить и высокое напряжение окажется на выводе микроконтроллера, а это плохо.
При включении/выключении мощной нагрузки, особенно индуктивного характера, типа двигателей и электромагнитов возникают всплески напряжения, поэтому параллельно всем полупроводниковым приборам нужно устанавливать снабберную RC цепь.
Реле и А рдуино
Для управления реле с А рдуино нужно использовать дополнительный транзистор для усиления тока.
Обратите внимание, использован биполярный транзистор обратной проводимости (NPN-структура), это может быть отечественный КТ315 (всеми любимый и всем известный). Диод нужен для гашения всплесков ЭДС самоиндукции в индуктивности, это нужно чтобы транзистор не вышел из строя от высокого приложенного напряжения. Почему это возникает, объяснит закон коммутации: "Ток в индуктивности не может измениться мгновенно".
А при закрытии транзистора (снятии управляющего импульса) энергии магнитного поля накопленной в катушке реле необходимо куда-то деваться, поэтому и устанавливают обратный диод. Еще раз отмечу, что диод подключен в ОБРАТНОМ направлении, т.е. катодом к плюсу, анодом к минусу.
Такую схему можно собрать своими руками, что значительно дешевле, плюс вы можете использовать , рассчитанное на любое постоянное напряжение.
Или купить готовый модуль или целый шилд с реле для Ардуино :
На фото изображен самодельный шилд, кстати, в нем использованы для усиления тока КТ315Г, а ниже вы видите такой же шилд заводского исполнения:
Заключение
Безопасное управление нагрузкой переменного тока подразумевает прежде всего вся описанная выше информация справедлива для любого микроконтроллера, а не только платы Ардуино .
Главная задача - обеспечить нужные напряжение и ток для управления симистором или реле и гальваническая развязка цепей управления и силовой цепи переменного тока.
Кроме безопасности для микроконтроллера, таким образом, вы подстраховываете себя, чтобы при обслуживании не получить электротравму. При работе с высоким напряжением нужно соблюдать все правила техники безопасности, соблюдать ПУЭ и ПТЭЭП.
Эти схемы можно использовать и . Симисторы и реле в таком случае выступают в роли промежуточного усилителя и согласователя сигналов. На мощных коммутационных приборах большие токи управления катушкой и зависят непосредственно от мощности контактора или пускателя.
Алексей Бартош
Порой наступает такой момент, когда пользователь хочет управлять мощным устройством с помощью . Мы все знаем, что Arduino может выдать на каждом из своих выходов 20 мА (максимум 40 мА). Хорошо, но что делать, когда мы хотим управлять, например двигателем постоянного тока.
В этом случае мы можем использовать, например, биполярный транзистор, если ток не слишком большой, мост L293D или MOSFET транзистор.
Что такое MOSFET?
В нашем проекте мы будем использовать MOSFET транзистор STP16NF06L, который имеет канал N-типа.
MOSFET — полевой транзистор, имеющий 3 ножки: исток (S), затвор (G) и сток (D). Ток протекает между истоком и стоком, по так называемому каналу. Величина протекающего тока зависит от управляющего напряжения, подаваемого на затвор — исток.
MOSFET-транзисторы являются быстродействующими по сравнению с биполярными транзисторами, так как процессы, происходящие в них являются чисто электростатическими. Основным фактором, влияющим на время переключения является наличие емкости затвора.
Подключение MOSFET к Arduino
Затвор (G) MOSFET транзистора должен быть подключен к Arduino. В целом можно сказать, что исток (S) должен быть подключен к минусу нашей схемы, а сток (D) подсоединен к минусу нашего объекта, которым мы собираемся управлять (например, лампочка, двигатель). По мимо этого, стоит подключить резистор между затвором (G) и истоком (S). Это даст нам уверенность в том, что на затворе будет низкий уровень в тот момент, когда от Arduino не будет управляющего сигнала.
Более того, в случае, если у нас произошло повреждение кабеля, у нас будет уверенность в том, что на затворе не будет неопределенного состояния, который может вызвать включение и выключение управляемого объекта.
В нашем случае для управления мы будем использовать двигатель постоянного тока. Наша схема предназначена для увеличения и уменьшения скорости вращения двигателя.
Подключаем все, как показано ниже. Кроме того, вы можете подключить внешний источник питания, незабывая массы блока питания и Arduino соединить друг с другом.
Транзистор - повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.
В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей - разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.
Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:
TO-92 - компактный, для небольших нагрузок
TO-220AB - массивный, хорошо рассеивающий тепло, для больших нагрузок
Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.
Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:
Коллектор (collector) - на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
База (base) - через неё подаётся небольшой ток , чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его
Эмиттер (emitter) - через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»
Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.
Например, если h fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.
Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.
NPN и PNP
Описанный выше транзистор - это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative - это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive - с избытком положительных (p-doped).
NPN более эффективны и распространены в промышленности.
PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.
Полевые транзисторы
Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения : ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.
Полевые транзисторы обладают тремя контактами:
Сток (drain) - на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
Затвор (gate) - на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.
Исток (source) - через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»
N-Channel и P-Channel
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.
Подключение транзисторов для управления мощными компонентами
Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.
Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:
Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток - она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.
Обратите внимание на токоограничивающий резистор R . Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер - транзистор - земля. Главное - не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:
здесь U d - это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.
Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае - это 100 мА. Допустим для используемого транзистора h fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА
Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм - хороший выбор.
Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:
это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер - затвор - исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.
