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.

МОП (по буржуйски MOSFET ) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.

Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной , по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314 , способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I Drain или I D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это V GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I D от V DS при разных значениях V GS . И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t on ,t off , в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО . Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги:).

Использование оптотиристоров

Оптосимисторы МОС301х, МОС302х, МОС303х, МОС304х, МОС306х, МОС308х
Оптосимисторы принадлежат к классу оптронов и обеспечивают очень хорошую гальваническую развязку (порядка 7500 В) между управляющей цепью и нагрузкой. Эти радиоэлементы состоят из инфракрасного светодиода, соединенного посредством оптического канала с двунаправленным кремниевым симистором. Последний может быть дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения.
Эти радиоэлементы особенно незаменимы при управлении более мощными симисторами, например при реализации реле высокого напряжения или большой мощности. Подобные оптопары были задуманы для осуществления связи между логическими схемами с малыми уровнями напряжений и нагрузкой, питаемой сетевым напряжением 220 В. Оптосимистор может размещаться в малогабаритном DIP-корпусе с шестью выводами, его цоколевка и внутренняя структура показаны на рис.1.

В таблице приведена классификация оптосимисторов по величине прямого тока, через светодиод IFT, открывающего прибор, и максимального прямого повторяющегося напряжения, выдерживаемого симистором на выходе (VDRM). В таблице отмечено также и свойство симистора открываться при переходе через нуль напряжения питания. Для снижения помех предпочтительнее использовать симисторы, открывающиеся при переходе через нуль напряжения питания.

Что касается элементов с обнаружением нуля напряжения питания, то их выходной каскад срабатывает при превышении напряжением питания некоторого порога, обычно это 5 В (максимум 20 В). Серии МОС301х и МОС302х чаще используются с резистивной нагрузкой или в случаях, когда напряжение питания нагрузки должно отключаться. Когда симистор находится в проводящем состоянии, максимальное падение напряжения на его выводах обычно равно 1,8В (максимум 3В) при токе до 100мА. Ток удержания (IH), поддерживающий проводимость выходного каскада оптосимистора, равен 100мкА, каким бы он ни был (отрицательным или положительным) за полупериод питающего напряжения.
Ток утечки выходного каскада в закрытом состоянии (ID) варьируется в зависимости от модели оптосимистора. Для оптосимисторов с обнаружением нуля ток утечки может достигать 0,5мА, если светодиод находится под напряжением (протекает ток IF).
У инфракрасного светодиода обратный ток утечки равен 0,05 мкА (максимум 100 мкА), и максимальное падение прямого напряжения 1,5В для всех моделей оптосимисторов. Максимально допустимое обратное напряжение светодиода 3 вольта для моделей МОС301х, МОС302х и МОС303х и 6 вольт для моделей МОС304х. МОСЗО6х и МОСЗО8х.
Предельно допустимые характеристики
Максимально допустимый ток через светодиод в непрерывном режиме - не более 60ма.
Максимальный импульсный ток в проводящем состоянии переключателя выходного каскада - не более 1 А.
Полная рассеиваемая мощность оптосимистора не должна превышать 250 мВт (максимум 120 мВт для светодиода и 150 мВт для выходного каскада при Т - 25˚С).

Применение оптосимисторов

На рис.2 а-д представлены различные схемы типичных применений оптосимисторов, отличающиеся друг от друга характером нагрузки и способами подключения нагрузки и питания.
Сопротивление Rd
Расчет сопротивления этого резистора зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора. Следовательно, Rd = (+V - 1,5) / IF.
Например, для схемы транзисторного управления оптосимистором c напряжением питания +5 В (рис.3) и напряжением на открытом транзисторе (Uкэ нас), равном 0.3 В, +V будет 4,7 В, и IF должен находиться в диапазоне между 15 и 50 ма для МОС3041. Следует принять IF - 20 мА с учетом снижения эффективности светодиода в тече¬ние срока службы (запас 5 мА), целиком обеспечивая работу оптопары с постепенным ослаблением силы тока. Таким образом, имеем:
Rв = (4,7 - 1,5) / 0,02 = 160 Ом.
Следует подобрать стандартное значение сопротивления, то есть 150 Ом для МОС3041 и сопротивление 100 Ом для МОС3020.
Сопротивление R
Резистор R необязательно включать, когда нагрузка чисто резистивная. Однако, если симистор защищен цепочкой RР - CР, чаще всего называемой искрогасящей, резистор R позволяет ограничить ток через управляющий электрод оптосимистора. Действительно, в случае индуктивной нагрузки проходящий через симистор ток и напряжение, приложенное к схеме, находятся в противофазе. Так как симистор перестает быть проводником, когда ток проходит через нуль, конденсатор защитной цепочки СР может разряжаться через оптосимистор. Тогда резистор R ограничивает этот ток разряда. Минимальное значение его сопротивления зависит от максимального напряжения конденсатора и максимально допустимого для оптосимистора тока, поэтому для напряжения питания 220 В:
Rmin = 220 В х 1,41 / 1А - 311 Ом.
С другой стороны, слишком большая величина R может привести к нарушению работы. Поэтому принимают R - 330 или 390 Ом.
Сопротивление RG
Резистор RG необходим только тогда, когда входное сопротивление управляющего электрода очень велико, то есть в случае чувствительного симистора. Значение резистора RG может быть в диапазоне от 100 до 500 Ом.
Резисторы RG и R вводят задержку отпирания симистора, которая будет тем значительнее, чем выше сопротивления этих резисторов. Цепочка Ra - Сa
Чтобы ограничить скорость изменения напряжения dV/dt на выходе оптосимистора, необходима snubber-цепочка (рис.2 г).
Выбор значения сопротивления резистора Ra зависит от чувствительности симистора и напряжения Va, начиная с которого симистор должен срабатывать. Таким образом, имеем:
R + Ra = Va / IG.
Для симистора с управляющим током IG = 25мА и напряжением отпирания Va = 20В получим: R + Ra = 20 / 0,025 - 800 Ом
или: Ra = 800 - 330 = 470 Ом.
Для того чтобы переключение симистора происходило быстро, должно быть выполнено следующее условие: dV / dt = 311 / Ra х Ca.
Для МОС3020 максимальное значение dV / dt - 10 В/мкс.
Таким образом: Сa = 311 / (470 х 107) = 66 нФ.
Выбираем: Сa = 68 нФ.
Замечание.
Что касается snubber-цепочки, то экспериментальные значения, как правило, предпочтительнее теоретических расчетов.
Защита
Настоятельно рекомендуется защищать симистор и оптосимистор при работе на индуктивную нагрузку или при часто воздействующих на сеть помехах.
Для симистора искрогасящая RC-цепочка просто необходима. Для оптосимистора с обнаружением нуля, такой как МОС3041, - желательна. Сопротивление резистора R следует увеличить с 27 Ом до 330 Ом (за исключением случая, когда управляемый симистор малочувствительный).
Если используется модель без обнаружения нуля, то snubber-цепочка Ra - Сa обязательна.

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.

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

---