Cara Menghubungkan Transistor (BJT) dan MOSFET dengan Arduino

Antarmuka perangkat daya seperti BJT, dan MOSFET dengan keluaran Arduino adalah konfigurasi penting yang memungkinkan peralihan beban daya tinggi melalui keluaran daya rendah dari Arduino.

Pada artikel ini kami membahas secara terperinci metode yang benar dalam menggunakan atau menghubungkan transistor seperti BJT dan MOSFET dengan mikrokontroler atau Arduino.

Tahapan seperti itu juga disebut sebagai 'Level Shifter' karena tahap ini mengubah level tegangan dari titik yang lebih rendah ke titik yang lebih tinggi untuk parameter keluaran yang relevan. Misalnya di sini pergeseran level diimplementasikan dari output Arduino 5V ke output MOSFET 12V untuk beban 12V yang dipilih.

Tidak peduli seberapa baik program atau kode Arduino Anda, jika tidak terintegrasi dengan benar dengan transistor atau perangkat keras eksternal, dapat mengakibatkan pengoperasian sistem yang tidak efisien atau bahkan kerusakan pada komponen yang terlibat dalam sistem.

Oleh karena itu, menjadi sangat penting untuk memahami dan mempelajari metode yang tepat dalam menggunakan komponen aktif eksternal seperti MOSFET dan BJT dengan mikrokontroler, sehingga hasil akhirnya efektif, lancar dan efisien.

Sebelum kita membahas metode interfacing transistor dengan Arduino, akan berguna untuk mempelajari karakteristik dasar dan cara kerja BJT dan MOSFET.

Karakteristik Listrik Transistor (Bipolar)

BJT adalah singkatan dari transistor junction bipolar.

Fungsi dasar BJT adalah untuk MENGAKTIFKAN beban yang terpasang sebagai respons terhadap pemicu tegangan eksternal. Beban seharusnya lebih berat saat ini dibandingkan dengan pemicu masukan.

Dengan demikian, fungsi dasar dari BJT adalah untuk MENGAKTIFKAN beban arus yang lebih tinggi sebagai respons terhadap pemicu input arus yang lebih rendah.

Secara teknis, ini juga disebut bias transistor , yang berarti menggunakan arus dan tegangan untuk mengoperasikan transistor untuk fungsi yang diinginkan, dan bias ini harus dilakukan dengan cara yang paling optimal.

BJT memiliki 3 lead atau 3 pin yaitu base, emitter, collector.

Pin dasar digunakan untuk memberi makan pemicu input eksternal, dalam bentuk tegangan dan arus kecil.

Pin emitor selalu terhubung ke ground atau jalur suplai negatif.

Pin kolektor terhubung ke beban melalui suplai positif.

BJT dapat ditemukan dengan dua jenis polaritas, NPN dan PNP. Konfigurasi pin dasar sama untuk NPN dan PNP seperti yang dijelaskan di atas, kecuali polaritas suplai DC yang menjadi sebaliknya.

Itu pinouts dari BJT bisa dipahami melalui gambar berikut:

Pada gambar di atas kita dapat melihat konfigurasi pinout dasar dari sebuah NPN dan transistor PNP (BJT). Untuk NPN, emitor menjadi saluran arde, dan dihubungkan dengan suplai negatif.

Biasanya ketika kata 'ground' digunakan dalam rangkaian DC, kami menganggapnya sebagai jalur suplai negatif.
Namun, untuk transistor, garis pembumian yang terkait dengan emitor adalah dengan mengacu pada basisnya dan tegangan kolektor, dan 'pembumian' emitor tidak selalu berarti saluran suplai negatif.

Ya, untuk BJT NPN, ground bisa menjadi jalur suplai negatif, tapi untuk sebuah Transistor PNP 'ground' selalu direferensikan ke jalur suplai positif, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas.

Fungsi sakelar ON / OFF dari kedua BJT pada dasarnya sama, tetapi polaritasnya berubah.

Karena emitor dari BJT adalah lintasan 'keluar' untuk arus yang masuk melalui dan basis dan kolektor, itu harus 'diarde' ke jalur suplai yang harus berlawanan dengan tegangan yang digunakan pada input basis / kolektor. Jika tidak, rangkaian tidak akan selesai.

Untuk NPN BJT, basis dan input kolektor dikaitkan dengan pemicu positif atau tegangan sakelar, oleh karena itu emitor harus direferensikan ke garis negatif.

Ini memastikan bahwa tegangan positif yang memasuki basis dan kolektor dapat mencapai garis negatif melalui emitor dan menyelesaikan rangkaian.

Untuk BJT PNP, basis dan kolektor dikaitkan dengan input tegangan negatif, oleh karena itu secara alami emitor PNP harus direferensikan ke garis positif, sehingga suplai positif dapat masuk melalui emitor dan menyelesaikan perjalanannya dari basis. dan pin kolektor.

Perhatikan bahwa aliran arus untuk NPN adalah dari basis / kolektor menuju emitor, sedangkan untuk PNP, dari emitor menuju basis / kolektor.

Dalam kedua kasus tersebut, tujuannya adalah untuk MENGAKTIFKAN beban kolektor melalui input tegangan kecil di dasar BJT, hanya polaritas yang berubah itu saja.

Simulasi berikut menunjukkan operasi dasar:

Dalam simulasi di atas, segera setelah tombol ditekan, input tegangan eksternal memasuki basis BJT dan mencapai garis ground melalui emitor.

Saat ini terjadi, bagian kolektor / emitor di dalam BJT terbuka, dan memungkinkan suplai positif dari atas masuk ke bohlam, dan melewati emitor ke ground, menyalakan bohlam (beban).

Kedua peralihan terjadi hampir bersamaan sebagai respons atas penekanan tombol.

Pin emitor di sini menjadi pinout 'keluar' umum untuk kedua umpan masukan (basis dan kolektor).

Dan jalur suplai emitor menjadi jalur ground bersama untuk pemicu suplai input, dan juga beban.

Artinya, jalur suplai yang terhubung dengan emitor BJT juga harus terhubung secara ketat dengan arde sumber pemicu eksternal, dan beban.

Mengapa kami menggunakan Resistor di Dasar BJT

Basis BJT dirancang untuk bekerja dengan input daya rendah, dan pin ini tidak dapat menerima input arus besar, dan oleh karena itu kami menggunakan resistor, hanya untuk memastikan tidak ada arus besar yang diizinkan masuk ke basis.

Fungsi dasar resistor adalah untuk membatasi arus ke nilai yang ditentukan dengan benar, sesuai spesifikasi beban.

Tolong dicatat bahwa, untuk BJT resistor ini harus berdimensi sesuai arus beban sisi kolektor.

Mengapa?

Karena BJT adalah 'sakelar' yang bergantung saat ini.

Artinya, arus basis perlu dinaikkan atau diturunkan atau disesuaikan sesuai dengan spesifikasi arus beban di sisi kolektor.

Tetapi tegangan switching yang diperlukan di dasar BJT bisa serendah 0,6V atau 0,7V. Artinya, beban kolektor BJT dapat dinyalakan dengan tegangan serendah 1V melintasi basis / emitor dari BJT.
Berikut rumus dasar untuk menghitung resistor dasar:

R = (Us - 0.6) Hfe / Arus Beban,

Dimana R = resistor basis dari transistor,

Us = Sumber atau tegangan pemicu ke resistor basis,

Hfe = Keuntungan arus maju dari transistor (dapat ditemukan dari lembar data BJT).

Meskipun rumusnya terlihat rapi, tidak selalu perlu untuk selalu mengkonfigurasi resistor dasar secara akurat.

Ini hanya karena, spesifikasi dasar BJT memiliki rentang toleransi yang luas, dan dapat dengan mudah mentolerir perbedaan yang lebar dalam nilai resistor.

Sebagai contoh, untuk menghubungkan relai memiliki resistansi kumparan 30mA, rumusnya mungkin secara kasar memberikan nilai resistor 56K untuk BC547 pada input suplai 12V .... tetapi saya biasanya lebih suka menggunakan 10K, dan bekerja dengan sempurna.

Namun, jika Anda tidak mengikuti aturan yang optimal, mungkin ada yang tidak baik dengan hasilnya, bukan?

Secara teknis itu masuk akal, tetapi sekali lagi kerugiannya sangat kecil dibandingkan dengan upaya yang dihabiskan untuk perhitungan, itu bisa diabaikan.

Misalnya menggunakan 10K daripada 56K dapat memaksa transistor untuk bekerja dengan arus basis yang sedikit lebih banyak, menyebabkannya sedikit lebih hangat, mungkin beberapa derajat lebih tinggi ... yang tidak masalah sama sekali.

Bagaimana Menghubungkan BJT dengan Arduino

Oke, sekarang mari kita ke poin sebenarnya.

Karena sejauh ini kita telah mempelajari secara komprehensif tentang bagaimana BJT perlu bias dan dikonfigurasi di 3 pinout-nya, kita dapat dengan cepat memahami detail mengenai interfacingnya dengan mikrokontroler seperti Arduino.

Tujuan utama menghubungkan BJT dengan Arduino biasanya untuk MENGAKTIFKAN beban atau beberapa parameter di sisi kolektor, sebagai respons terhadap output yang diprogram dari salah satu pin output Arduino.

Di sini, input pemicu untuk pin basis BJT seharusnya berasal dari Arduino. Ini menyiratkan ujung resistor dasar hanya perlu dipasang dengan output yang relevan dari Arduino, dan kolektor BJT dengan beban atau parameter eksternal yang dimaksudkan.

Karena BJT membutuhkan hampir 0,7V hingga 1V untuk peralihan yang efektif, 5V dari pin keluaran Arduino menjadi sangat memadai untuk menggerakkan BJT dan mengoperasikan beban yang wajar.
Contoh konfigurasinya dapat dilihat pada gambar berikut:

Pada gambar ini kita dapat melihat bagaimana Arduino terprogram digunakan untuk mengoperasikan beban kecil dalam bentuk relay melalui tahap driver BJT. Kumparan relai menjadi beban kolektor, sedangkan sinyal dari pin keluaran Arduino yang dipilih bertindak seperti sinyal switching masukan untuk basis BJT.

Meskipun, relai menjadi opsi terbaik untuk mengoperasikan beban berat melalui driver transistor, ketika peralihan mekanis menjadi faktor yang tidak diinginkan, meningkatkan BJT menjadi pilihan yang lebih baik untuk mengoperasikan beban DC arus tinggi, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Dalam contoh di atas, jaringan transistor Darlington dapat dilihat, dikonfigurasi untuk menangani beban 100 watt arus tinggi yang ditunjukkan tanpa bergantung pada relai. Hal ini memungkinkan peralihan LED yang mulus dengan gangguan minimum, memastikan masa kerja yang lama untuk semua parameter.

Sekarang mari kita melangkah lebih jauh, dan lihat bagaimana mosfets dapat dikonfigurasi dengan Arduino

Karakteristik Listrik MOSFET

Tujuan menggunakan mosfet dengan Arduino biasanya mirip dengan BJT seperti yang dibahas di atas.

Namun, sejak biasanya MOSFET dirancang untuk menangani spesifikasi arus yang lebih tinggi secara efisien dibandingkan dengan BJT, ini sebagian besar digunakan untuk mengalihkan beban daya tinggi.

Sebelum kita memahami interfacing mosfet dengan Arduino, akan menarik untuk mengetahui dasarnya perbedaan antara BJT dan MOSFET

Dalam diskusi kami sebelumnya, kami memahami itu BJT adalah perangkat yang bergantung saat ini , karena arus sakelar basisnya bergantung pada arus beban kolektor. Arus beban yang lebih tinggi akan menuntut arus basis yang lebih tinggi, begitu pula sebaliknya.

Untuk mosfets hal ini tidak benar, dengan kata lain gate mosfets yang ekuivalen dengan basis BJT, membutuhkan arus minimal untuk menghidupkan ON, terlepas dari arus drain (pin drain mosfet ekivalen dengan pin kolektor BJT).

Karena itu, meskipun arus bukanlah faktor penentu untuk mengganti gerbang MOSFET, tegangan adalah.

Oleh karena itu MOSFET dianggap sebagai perangkat yang bergantung pada tegangan

Tegangan minimum yang diperlukan untuk menciptakan biasing yang sehat untuk mosfet adalah 5V atau 9V, 12v adalah rentang paling optimal untuk menyalakan mosfet sepenuhnya.

Oleh karena itu kita dapat mengasumsikan bahwa untuk mengaktifkan MOSFET, dan beban melintasi salurannya, pasokan 10V dapat digunakan melintasi gerbangnya untuk hasil yang optimal.

Pin yang setara dari MOSFET dan BJT

Gambar berikut menunjukkan pin pelengkap dari MOSFET dan BJT.

Base sesuai dengan Gate-Collector sesuai dengan Drain-Emitter sesuai dengan Source.

Resistor Apa yang Harus Digunakan untuk Gerbang Mosfet

Dari tutorial kami sebelumnya, kami memahami bahwa resistor di dasar BJT sangat penting, tanpanya BJT dapat langsung rusak.

Untuk MOSFET ini mungkin tidak begitu relevan, karena MOSFET tidak terpengaruh dengan perbedaan arus di gerbangnya, sebaliknya tegangan yang lebih tinggi dapat dianggap berbahaya. Biasanya apa pun di atas 20V bisa berdampak buruk untuk gerbang MOSFET, tetapi arus mungkin tidak material.

Karena itu, resistor di gerbang tidak relevan karena resistor digunakan untuk membatasi arus, dan gerbang MOSFET tidak bergantung pada arus.

Yang mengatakan, MOSFET adalah sangat rentan terhadap lonjakan dan transien mendadak di gerbang mereka, dibandingkan dengan BJT.

Untuk alasan ini resistor nilai rendah umumnya lebih disukai di gerbang MOSFET, hanya untuk memastikan tidak ada lonjakan tegangan tiba-tiba yang dapat melewati gerbang MOSFET dan merobeknya secara internal.

Khas resistor apa pun antara 10 dan 50 ohm dapat digunakan di gerbang MOSFET untuk melindungi gerbang mereka dari lonjakan tegangan yang tidak terduga.

Menghubungkan MOSFET dengan Arduino

Seperti yang dijelaskan pada paragraf di atas, sebuah mosfet akan membutuhkan sekitar 10V hingga 12V untuk menyalakan dengan benar, tetapi karena Arduino bekerja dengan 5V, outputnya tidak dapat langsung dikonfigurasi dengan mosfet.

Karena Arduino berjalan dengan suplai 5V, dan semua outputnya dirancang untuk menghasilkan 5V sebagai sinyal suplai logika tinggi. Meskipun 5V ini mungkin memiliki kemampuan untuk MENGAKTIFKAN MOSFET, ini dapat mengakibatkan peralihan perangkat yang tidak efisien dan masalah pemanasan.

Untuk peralihan MOSFET yang efektif, dan untuk mengubah output 5V dari Arduino menjadi sinyal 12V, tahap penyangga perantara dapat dikonfigurasi seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Pada gambar, MOSFET dapat dilihat dikonfigurasi dengan beberapa tahap penyangga BJT yang memungkinkan MOSFET menggunakan 12V dari catu daya dan menyalakannya sendiri dan beban secara efektif.

Dua BJT digunakan di sini karena satu BJT akan menyebabkan MOSFET bekerja berlawanan dalam menanggapi setiap sinyal Arduino positif.

Misalkan satu BJT digunakan, maka ketika BJT ON dengan sinyal Arduino positif, mosfet akan dimatikan, karena gerbangnya akan di-ground oleh kolektor BJT, dan beban akan dinyalakan sementara Arduino dalam keadaan OFF.

Pada dasarnya, satu BJT akan membalikkan sinyal Arduino untuk gerbang mosfet yang menghasilkan respons switching yang berlawanan.

Untuk memperbaiki situasi ini, dua BJT digunakan, sehingga BJT kedua membalikkan respons kembali dan memungkinkan mosfet untuk AKTIF untuk setiap sinyal positif hanya dari Arduino.

Pikiran Akhir

Sekarang Anda seharusnya sudah memahami secara komprehensif metode yang benar untuk menghubungkan BJT dan MOSFET dengan mikrokontroler atau Arduino.

Anda mungkin telah memperhatikan bahwa kami sebagian besar telah menggunakan NPN BJT dan mosfet saluran-N untuk integrasi, dan telah menghindari penggunaan perangkat saluran-PNP dan P. Ini karena versi NPN bekerja secara ideal seperti sakelar dan mudah dipahami saat dikonfigurasi.

Ini seperti mengendarai mobil biasanya ke arah depan, daripada melihat ke belakang dan mengendarainya dengan gigi mundur. Dalam kedua cara tersebut mobil akan beroperasi dan bergerak, tetapi mengemudi dengan gigi mundur jauh lebih tidak efisien dan tidak masuk akal. Analogi yang sama berlaku di sini, dan menggunakan perangkat NPN atau N-channel menjadi preferensi yang lebih baik dibandingkan dengan mosfet PNP atau P-channel.

Jika Anda ragu, atau jika Anda merasa saya melewatkan sesuatu di sini, silakan gunakan kotak komentar di bawah untuk diskusi lebih lanjut.