Cómo conectar transistores (BJT) y MOSFET con Arduino

La interfaz de dispositivos de potencia como BJT y MOSFET con salida Arduino es una configuración crucial que permite cambiar cargas de alta potencia a través de salidas de baja potencia de un Arduino.

En este artículo discutimos detalladamente los métodos correctos de usar o conectar transistores como BJT y mosfets con cualquier microcontrolador o un Arduino.

Estas etapas también se conocen como 'Cambiador de nivel' porque esta etapa cambia el nivel de voltaje de un punto más bajo a un punto más alto para el parámetro de salida relevante. Por ejemplo, aquí el cambio de nivel se está implementando desde la salida Arduino 5V a la salida MOSFET 12V para la carga 12V seleccionada.

No importa qué tan bien programado o codificado esté su Arduino, si no está integrado correctamente con un transistor o un hardware externo, podría resultar en un funcionamiento ineficiente del sistema o incluso dañar los componentes involucrados en el sistema.

Por lo tanto, se vuelve extremadamente importante comprender y aprender los métodos correctos de uso de componentes activos externos como mosfets y BJT con un microcontrolador, para que el resultado final sea efectivo, fluido y eficiente.

Antes de discutir los métodos de interconexión de transistores con Arduino, sería útil aprender las características básicas y el funcionamiento de BJT y mosfets.

Características eléctricas de los transistores (bipolar)

BJT significa transistor de unión bipolar.

La función básica de un BJT es encender una carga adjunta en respuesta a un disparador de voltaje externo. Se supone que la carga es mayormente más pesada en corriente en comparación con el disparador de entrada.

Por lo tanto, la función básica de un BJT es encender una carga de corriente más alta en respuesta a un disparador de entrada de corriente más baja.

Técnicamente, esto también se llama polarización del transistor , lo que significa usar corriente y voltaje para operar un transistor para una función deseada, y esta polarización debe realizarse de la manera más óptima.

Los BJT tienen 3 cables o 3 pines, a saber, base, emisor, colector.

El pin de la base se utiliza para alimentar el disparador de entrada externo, en forma de pequeño voltaje y corriente.

El pin del emisor siempre está conectado a tierra o la línea de alimentación negativa.

El pin del colector está conectado a la carga a través del suministro positivo.

Los BJT se pueden encontrar con dos tipos de polaridades, NPN y PNP. La configuración básica de los pines es la misma para NPN y PNP, como se explicó anteriormente, excepto que la polaridad de la fuente de CC se convierte en todo lo contrario.

los Los pines de un BJT podrían entenderse a través de la siguiente imagen:

En la imagen de arriba podemos ver la configuración básica de pines de un transistores NPN y PNP (BJT). Para el NPN, el emisor se convierte en la línea de tierra y está conectado con el suministro negativo.

Normalmente, cuando se usa la palabra 'tierra' en un circuito de CC, asumimos que es la línea de alimentación negativa.
Sin embargo, para un transistor, la línea de tierra asociada con el emisor es con referencia a su base y los voltajes del colector, y la 'tierra' del emisor puede no significar necesariamente la línea de suministro negativa.

Sí, para un NPN BJT, la tierra podría ser la línea de suministro negativa, pero para un Transistor PNP la 'tierra' siempre se hace referencia a la línea de suministro positiva, como se muestra en la figura anterior.

La función de encendido / apagado de ambos BJT es básicamente la misma, pero la polaridad cambia.

Dado que el emisor de un BJT es el pasaje de 'salida' para la corriente que ingresa a través de la base y el colector, debe estar 'conectado a tierra' a una línea de suministro que debe ser opuesta a la tensión utilizada en las entradas de la base / colector. De lo contrario, el circuito no se completará.

Para un BJT NPN, la base y las entradas del colector están asociadas con un disparo positivo o voltaje de conmutación, por lo tanto, el emisor debe estar referenciado a la línea negativa.

Esto asegura que los voltajes positivos que ingresan a la base y al colector puedan alcanzar la línea negativa a través del emisor y completar el circuito.

Para un PNP BJT, la base y el colector están asociados a una entrada de voltaje negativo, por lo que naturalmente el emisor de un PNP debe estar referenciado a la línea positiva, para que el suministro positivo pueda entrar por el emisor y terminar su recorrido desde la base. y los pines colectores.

Tenga en cuenta que el flujo de corriente para el NPN es desde la base / colector hacia el emisor, mientras que para el PNP, es desde el emisor hacia la base / colector.

En ambos casos, el objetivo es encender la carga del colector a través de una pequeña entrada de voltaje en la base del BJT, solo cambia la polaridad, eso es todo.

La siguiente simulación muestra el funcionamiento básico:

En la simulación anterior, tan pronto como se presiona el botón, la entrada de voltaje externo ingresa a la base del BJT y llega a la línea de tierra a través del emisor.

Mientras esto sucede, el pasaje colector / emisor dentro del BJT se abre y permite que el suministro positivo desde la parte superior ingrese a la bombilla y pase a través del emisor a tierra, encendiendo la bombilla (carga).

Ambos cambios ocurren casi simultáneamente en respuesta a la presión del botón pulsador.

El pin del emisor aquí se convierte en el pinout de 'salida' común para ambas fuentes de entrada (base y colector).

Y la línea de suministro del emisor se convierte en la línea de tierra común para el disparador de suministro de entrada y también la carga.

Lo que significa que, la línea de suministro que se conecta con el emisor BJT también debe estar estrictamente conectada con la tierra de la fuente de activación externa y la carga.

Por qué usamos una resistencia en la base de un BJT

La base de un BJT está diseñada para funcionar con entradas de baja potencia, y este pin no puede admitir grandes entradas de corriente y, por lo tanto, empleamos una resistencia, solo para asegurarnos de que no se permita que una gran corriente entre en la base.

La función básica de la resistencia es limitar la corriente a un valor especificado correcto, según la especificación de carga.

Tenga en cuenta que, para los BJT, esta resistencia debe dimensionarse según la corriente de carga del lado del colector.

¿Por qué?

Porque los BJT son 'interruptores' dependientes de la corriente.

Es decir, la corriente base debe aumentarse, disminuirse o ajustarse de acuerdo con las especificaciones de corriente de carga en el lado del colector.

Pero el voltaje de conmutación requerido en la base de un BJT puede ser tan bajo como 0,6 V o 0,7 V. Es decir, la carga del colector BJT podría encenderse con un voltaje tan bajo como 1V en la base / emisor de un BJT.
Aquí está la fórmula básica para calcular la resistencia base:

R = (Us - 0.6) Hfe / Corriente de carga,

Donde R = resistencia base del transistor,

Us = Fuente o voltaje de activación a la resistencia base,

Hfe = Ganancia de corriente directa del transistor (se puede encontrar en la hoja de datos del BJT).

Aunque la fórmula parece ordenada, no siempre es absolutamente necesario configurar la resistencia base con tanta precisión.

Es simplemente porque las especificaciones básicas de BJT tienen un amplio rango de tolerancia y pueden tolerar fácilmente grandes diferencias en los valores de la resistencia.

Por ejemplo, para conectar un relé al tener una resistencia de bobina de 30 mA, la fórmula puede proporcionar aproximadamente un valor de resistencia de 56 K para un BC547 a una entrada de suministro de 12 V ... pero normalmente prefiero usar 10 K, y funciona perfectamente.

Sin embargo, si no está siguiendo las reglas óptimas, podría haber algo que no fuera bueno con los resultados, ¿verdad?

Técnicamente, eso tiene sentido, pero una vez más, la pérdida es tan pequeña en comparación con el esfuerzo invertido en los cálculos, que se puede descuidar.

Por ejemplo, el uso de 10K en lugar de 56K puede obligar al transistor a trabajar con una corriente de base ligeramente más, lo que hace que se caliente un poco más, puede ser un par de grados más alto ... lo cual no importa en absoluto.

Cómo conectar BJT con Arduino

Bien, ahora vayamos al punto real.

Dado que hasta ahora hemos aprendido de manera integral sobre cómo un BJT debe estar sesgado y configurado en sus 3 pines, podemos comprender rápidamente los detalles sobre su interfaz con cualquier microcontrolador como Arduino.

El propósito principal de conectar un BJT con un Arduino es generalmente encender una carga o algún parámetro en el lado del colector, en respuesta a una salida programada de uno de los pines de salida de Arduino.

Aquí, se supone que la entrada de activación para el pin de la base BJT proviene del Arduino. Esto implica que el extremo de la resistencia base simplemente debe conectarse con la salida relevante del Arduino y el colector del BJT con la carga o cualquier parámetro externo previsto.

Dado que un BJT requiere apenas de 0,7 V a 1 V para una conmutación efectiva, 5 V del pin de salida de Arduino se vuelven perfectamente adecuados para conducir un BJT y operar cargas razonables.
Un ejemplo de configuración se puede ver en la siguiente imagen:

En esta imagen podemos ver cómo se usa un Arduino programado para operar una pequeña carga en forma de relé a través de la etapa del controlador BJT. La bobina del relé se convierte en la carga del colector, mientras que la señal del pin de salida Arduino seleccionado actúa como la señal de conmutación de entrada para la base BJT.

Aunque un relé se convierte en la mejor opción para operar cargas pesadas a través de un controlador de transistor, cuando la conmutación mecánica se convierte en un factor indeseable, la actualización de los BJT se convierte en una mejor opción para operar cargas de CC de alta corriente, como se muestra a continuación.

En el ejemplo anterior se puede ver una red de transistores Darlington, configurada para manejar la carga de 100 vatios de alta corriente indicada sin depender de un relé. Esto permite una conmutación perfecta del LED con una perturbación mínima, lo que garantiza una larga vida útil para todos los parámetros.

Ahora continuemos y veamos cómo se pueden configurar los mosfets con un Arduino

Características eléctricas del MOSFET

El propósito de usar un mosfet con un Arduino suele ser similar al de BJT como se discutió anteriormente.

Sin embargo, dado que normalmente Los MOSFET están diseñados para manejar especificaciones de corriente más altas de manera eficiente en comparación con los BJT, estos se utilizan principalmente para cambiar cargas de alta potencia.

Antes de comprender la interfaz de un mosfet con Arduino, sería interesante conocer los aspectos básicos diferencia entre BJT y mosfets

En nuestra discusión anterior, entendimos que Los BJT son dispositivos que dependen de la corriente , porque su corriente de conmutación base depende de la corriente de carga del colector. Las corrientes de carga más altas demandarán una corriente de base más alta y viceversa.

Para los mosfets esto no es cierto, en otras palabras, la puerta de los mosfets, que es equivalente a la base BJT, requiere una corriente mínima para encenderse, independientemente de la corriente de drenaje (el pin de drenaje del mosfet es equivalente al pin colector de BJT).

Dicho esto, aunque la corriente no es el factor decisivo para cambiar una puerta mosfet, el voltaje es.

Por lo tanto, los mosfets se consideran dispositivos dependientes del voltaje.

El voltaje mínimo requerido para crear una polarización saludable para un mosfet es de 5 V o 9 V, siendo 12 V el rango más óptimo para encender un mosfet por completo.

Por lo tanto, podemos asumir que para encender un mosfet y una carga a través de su drenaje, se puede usar un suministro de 10 V a través de su puerta para un resultado óptimo.

Pines equivalentes de Mosfets y BJT

La siguiente imagen muestra los pines complementarios de mosfets y BJT.

Base corresponde a Gate-Collector corresponde a Drain-Emitter corresponde a Source.

¿Qué resistencia se debe usar para una puerta Mosfet?

De nuestros tutoriales anteriores, entendimos que la resistencia en la base de un BJT es crucial, sin la cual el BJT puede dañarse instantáneamente.

Para un MOSFET, esto puede no ser tan relevante, porque los MOSFET no se ven afectados por las diferencias de corriente en sus puertas, en cambio, un voltaje más alto podría considerarse peligroso. Normalmente, cualquier valor superior a 20 V puede ser malo para una puerta MOSFET, pero la corriente puede ser irrelevante.

Debido a esto, una resistencia en la puerta no es relevante ya que las resistencias se utilizan para limitar la corriente y la puerta mosfet no depende de la corriente.

Dicho esto, los MOSFET son enormemente vulnerable a picos repentinos y transitorios a sus puertas, en comparación con los BJT.

Por esta razón, generalmente se prefiere una resistencia de bajo valor en las puertas de los MOSFET, solo para garantizar que ningún pico de voltaje repentino pueda atravesar la puerta MOSFET y desgarrarlo internamente.

Típicamente cualquier resistencia entre 10 y 50 ohmios podría usarse en las puertas MOSFET para proteger sus puertas de picos de voltaje inesperados.

Interfaz de un MOSFET con Arduino

Como se explica en el párrafo anterior, un mosfet necesitará alrededor de 10V a 12V para encenderse correctamente, pero como los Arduinos funcionan con 5V, su salida no se puede configurar directamente con un mosfet.

Dado que un Arduino funciona con un suministro de 5 V, y todas sus salidas están diseñadas para producir 5 V como señal lógica de alto suministro. Aunque este 5V puede tener la capacidad de encender un MOSFET, puede resultar en una conmutación ineficiente de los dispositivos y problemas de calentamiento.

Para una conmutación MOSFET efectiva y para transformar la salida de 5 V de Arduino en una señal de 12 V, se puede configurar una etapa intermedia intermedia como se muestra en la siguiente imagen:

En la figura, el MOSFET se puede ver configurado con un par de etapas de búfer BJT que permiten que el MOSFET use los 12V de la fuente de alimentación y se encienda a sí mismo y a la carga de manera efectiva.

Aquí se utilizan dos BJT, ya que un solo BJT haría que el MOSFET se comportara de manera opuesta en respuesta a todas las señales positivas de Arduino.

Supongamos que se usa un BJT, luego, mientras el BJT está ENCENDIDO con una señal positiva de Arduino, el mosfet se apagará, ya que su compuerta estará conectada a tierra por el colector BJT, y la carga se encenderá mientras el Arduino está APAGADO.

Básicamente, un BJT invertiría la señal de Arduino para la puerta mosfet dando como resultado una respuesta de conmutación opuesta.

Para corregir esta situación, se utilizan dos BJT, de modo que el segundo BJT invierte la respuesta y permite que el mosfet se encienda para cada señal positiva solo del Arduino.

Pensamientos finales

A estas alturas, debería haber comprendido completamente el método correcto para conectar BJT y mosfets con un microcontrolador o un Arduino.

Es posible que haya notado que hemos utilizado principalmente NPN BJT y mosfets de canal N para las integraciones, y hemos evitado el uso de dispositivos de canal P y PNP. Esto se debe a que las versiones NPN funcionan idealmente como un conmutador y son fáciles de comprender durante la configuración.

Es como conducir un automóvil normalmente en la dirección de avance, en lugar de mirar hacia atrás y conducirlo en la marcha atrás. En ambos sentidos, el automóvil funcionaría y se movería, pero conducir en la marcha atrás es muy ineficiente y no tiene sentido. La misma analogía se aplica aquí, y el uso de dispositivos NPN o de canal N se convierte en una mejor preferencia en comparación con los mosfets PNP o de canal P.

Si tiene alguna duda, o si cree que me he perdido algo aquí, utilice el cuadro de comentarios a continuación para una mayor discusión.