Подключение транзистора к микроконтроллеру

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). Подробнее...

Подключение транзистора к микроконтроллеру дело не очень хитрое. Однако у новичков, особенно не сильно знающих электронику, это может вызвать затруднения.

Зачем подключают транзистор, то есть для чего это надо и зачем усложнять себе жизнь, я рассказал здесь. В этой же статье расскажу непосредственно о том, как подключить транзистор в режиме ключа, то есть для того, чтобы микроконтроллер через транзистор мог управлять нагрузкой - включать и выключать её.

Сразу скажу, что эта статья для начинающих. И она не охватывает все нюансы использования транзистора в ключевом режиме. Но этих знаний вам вполне хватит для того, чтобы самостоятельно выполнить подключение нагрузки через транзистор. Если же этого начала вам уже недостаточно, то советую изучить вот этот курс.

А теперь - к делу.

Как правильно подключать транзистор

Начнём с того, что транзисторы бывают разные. Например, полевые и биполярные, кремниевые и германиевые. И это только самые распространённые. Также биполярные транзисторы имеют разную структуру - p-n-p или n-p-n. По идее, всё это вы должны знать и понимать.

Но эта статья скорее для программистов, которые хотят собрать устройство на микроконтроллере, чем для электронщиков. Поэтому я рассмотрю только один вариант подключения транзистора к микроконтроллеру. И это будет вариант использования биполярного транзистора структуры n-p-n.

Итак, схема подключения транзистора к дискретному выходу микроконтроллера приведена ниже. Такая схема называется “схема с открытым коллектором”.

Биполярный транзистор имеет три вывода: база, эмиттер и коллектор. Когда транзистор работает в ключевом режиме, то обычно к выходу микроконтроллера подключается база, эмиттер подключается к общему проводу (к минусовому), а нагрузка подключается к коллектору. Где на корпусе транзистора располагаются база, эмиттер и коллектор - зависит от типа транзистора (можно узнать в справочных материалах).

Проблема в том, что как базу в общем случае нельзя напрямую подключить к микроконтроллеру, так и нагрузку не всегда можно напрямую подключить к коллектору. Поэтому надо использовать резисторы для ограничения тока.

Самое сложное для новичка - подобрать сопротивление этих резисторов.

Далее я расскажу об одном простом (хотя, может, и не совсем правильном) способе расчёта резистора, через который база транзистора подключается к выходу микроконтроллера.

Итак, исходные данные:

• U1 - напряжение питания нагрузки.
• U2 - напряжение питания микроконтроллера.
• U3 - напряжение на выходе микроконтроллера, когда микроконтроллер включает нагрузку (зависит от вашей программы, от типа микроконтроллера, и от напряжения питания микроконтроллера U2). Для упрощения можно считать, что U3 = U2.
• Iн - ток нагрузки.

Если ток нагрузки вам неизвестен, но известно её сопротивление Rн, то

Iн = U1 / Rн

Задача: обеспечить на выходе транзистора ток не менее Iн.

Для этого мы должны знать такие характеристики транзистора:

• В - коэффициент усиления h21э. Это значение берётся из документации на транзистор. Бывает, что в документации указан диапазон значений, например, 20...50. Тогда надо брать наименьшее значение, то есть 20.
• Ikmax - наибольший допустимый ток коллектора. Это наибольший ток, который может течь через переход эмиттер-коллектор без выхода транзистора из строя. То есть это наибольший возможный ток нагрузки в нашем случае. Надо всегда оставлять какой-то запас. Например, если Ikmax = 1A, то желательно, чтобы ток нагрузки Iн был не более 0,5...0,7А. Если ток нагрузки 1 ампер и более, то транзистор, как правило, надо устанавливать на охлаждающий радиатор - но это уже другая история.

Как вы понимаете, даже если Ikmax = 1А, то это не значит, что через транзистор будет течь ток 1А. Это значит, что допускается подключать к транзистору нагрузку до 1А. А какой будет ток Iн на самом деле, зависит от напряжения U3, от сопротивления нагрузки Rн, от характеристик транзистора и от резистора R1.

Идём дальше. Ток базы транзистора равен:

Iб = kн * (Ik / B) = kн * (Iн / B)

Здесь Ik - это ток коллектора. Он же ток нагрузки Iн, потому что на коллекторе для нормальной работы нагрузки мы должны обеспечить именно этот ток.

kн - это коэффициент насыщения. Не будем заморачиваться с этим коэффициентом. Обычно его берут в пределах 2...5. Давайте будем считать, что он равен 3.

Все значения в этой формуле нам известны, поэтому мы можем вычислить ток базы.

А, зная ток базы и напряжение U3, мы можем вычислить сопротивление R1 по закону Ома:

R1 = U3 / Iб

Подставляем вместо тока базы формулу его вычисления:

R1 = U3 / Iб = U3 / (kн * (Iн / B))

Вот и всё.

Давайте для примера решим эту задачку в цифрах. Итак, допустим что у нас:

U3 = 5 В
kн = 3
Iн = 0,5 А
В = 50

Тогда:

R1 = 5 / (3 * (0,5 / 50)) = 5 / 0,03 = 167 Ом

Берём ближайший по номиналу резистор из стандартного ряда 160 Ом.

А теперь ещё надо рассчитать фактический ток на выходе микроконтроллера, чтобы убедиться, что он находится в допустимых пределах. Он рассчитывается также по закону Ома:

R1 = U3 / Iб, следовательно

Iб = U3 / R1 = 5 / 160 = 0,031 А = 31 мА

Если к выходу вашего микроконтроллера допускается подключать такую нагрузку, то всё хорошо - эту схему можно использовать. Если же нет, то придётся немного подумать, как выкрутиться из этой ситуации. Например, если ваш микроконтроллер способен выдержать на выходе только 20 мА, то эту схему подключать к нему нельзя. Придётся что-то менять. Возможные варианты:

• Подобрать нагрузку с меньшим током потребления.
• Уменьшить коэффициент насыщения (нежелательно).
• Использовать ещё один дополнительный транзистор.
• Подобрать транзистор с большим коэффициентом усиления.

В большинстве случаев проще использовать последний вариант. Например, если мы выберем транзистор с коэффициентом усиления 100, то получим при тех же остальных характеристиках:

R1 = 5 / (3 * (0,5 / 100)) = 5 / 0,015 = 333 Ом

Ближайший по номиналу резистор из стандартных - 330 Ом. Проверяем:

Iб = U3 / R1 = 5 / 330 = 0,015 А = 15 мА

Ура! Уложились!

Если хотите знать больше о транзисторах, то изучайте этот курс.

Чтобы не рассчитывать всё это вручную, воспользуйтесь калькулятором ниже:

Вступить в группу "Основы программирования" Подписаться на RUTUBE-канал Подписаться на Дзен-канал Подписаться на рассылки по программированию

Микроконтроллеры для ЧАЙНИКОВ Бесплатная рассылка о микроконтроллерах. Рассылка содержит как бесплатную информацию для начинающих, так и ссылки на платные продукты (книги, видеокурсы и др.) для тех, кто захочет вникнуть в тему более глубоко. Подробнее...