Co musisz wiedzieć o tranzystorach?

Rodzaje – ze względu na ich budowę. Podstawowe dwie grupy to bipolarne i unipolarne. My teraz zajmiemy się bipolarnymi. Bipolarne mają dwie podgrupy – tranzystory NPN i PNP. Różnica jest w tym jak poukładany w środku jest materiał półprzewodnikowy, a na zewnątrz różnią się tym jak należy polaryzować poszczególne wyprowadzenie i jak płynie prąd.

Wydaje mi się, że prostszym do zastosowania w przypadku gdy chcemy wysterować z Arduino jest NPN i takim się teraz zajmiemy – bo tranzystor NPN sterujemy napięciem dodatnim a takie Arduino oferuje na swoim wyjściu cyfrowym.

Tranzystory bipolarne mogą pracować w różnych układach i każdy z nich może mieć różne zastosowanie. My potrzebujmy aby mały prąd z wyjścia cyfrowego Arduino włączał i wyłączał przepływ znacznie większego prądu przez tranzystor (gwoli ścisłości układ w jakim będziemy podłączać tranzystor nazywany jest kluczem tranzystorowym).

W tym układzie tranzystor jest przełączany między dwoma stanami: nasycenia i zatkania.

• stan zatkania: napięcie U_BE jest zbyt małe, aby złącze baza-emiter zaczęło przewodzić. W rezultacie żaden prąd nie płynie przez kolektor tranzystora.
• stan nasycenia: do bazy wpływa tak duży prąd, że zależność I_C=h_FE*I_B nie może być spełniona. Wtedy napięcie U_CE spada niemal do zera.

W praktyce prąd kolektora w stanie nasycenia jest ograniczony jedynie obciążeniem, czyli tym, co podłączymy pomiędzy kolektor a zasilanie. Ograniczeniem jest też wydajność zasilacza, którego używamy. Należy również uważać, żeby nie przekroczyć maksymalnego dozwolonego prądu kolektora, który dla obecnie dodawanego do Starter Kitu tranzystora MPS2222A wynosi 600mA.

Jak to wygląda na schemacie?

Zanim zaczniemy szkicować układ – zasady polaryzacji tranzystora NPN tak aby pracował jako przełącznik będą spełnione gdy:

• emiter podłączymy do masy
• na bazę podamy napięcie dodatnie (przełącznik przewodzi) lub 0 (przełącznik jest rozwarty)
• do kolektora podłączymy przez obciążenie zasilanie

Czyli:

Gdy zewrzemy przełącznik S1 (odpowiada to ustawieniu wyjścia cyfrowego Arduino w stanie wysokim), do bazy tranzystora zaczyna płynąć prąd. Musi on być na tyle duży, żeby tranzystor wszedł w stan nasycenia, czyli napięcie U_CE spadło poniżej U_CE(sat) (napięcie nasycenia kolektor-emiter). Według karty katalogowej, wartość U_CE(sat) zależy od prądów I_C oraz I_B i można ją przyjąć mniej więcej jako 0.3V.

W skład Arduino Starter Kit nie wchodzi żaden element, który sam z siebie mógłby służyć jako odbiornik prądu większego niż 40 mA. Ale możemy połączyć równolegle kilka diód LED aby przekroczyć ten próg i zademonstrować całość zagadnienia w praktyce.

Oszacujmy prąd płynący przez jedną diodę – napięcie odkładające się między kolektorem a emiterem w stanie nasycenia to w przybliżeniu 0V. Na diodzie czerwonej odkłada się mniej więcej 1.8V czyli na rezystor zostaje 5-1.8 = 3.2. Przy rezystorach R2-R5 280 ohm prąd przez nie płynący powinien być 3.2/280 = 11.42 mA. Przy 4 diodach powinno to dać nam około 45 mA.

Zanim podłączymy tranzystor musimy wiedzieć która nóżka jest która:

• Emiter
• Baza
• Kolektor

Jak to wygląda w praktyce?

Fizyczne podłączenie elementów zilustrowane we Fritzingu:

I dwa zdjęcia (w lewej części płytki stykowej jest zmontowany inny układ, więc to co widać poniżej rzędu 25 na płytce nie ma żadnego związku z układem tutaj opisywanym). Warto też zauważyć, że zdjęcia przedstawiają nieco inne rozłożenie elementów na płytce stykowej. Obwód jednak wciąż pozostaje taki sam:

Uwaga montażowa – obcięte nóżki rezystorów nadają się doskonale do robienia krótkich zworek na płytce stykowej – na zdjęciu widać je bardzo wyraźnie.

Dla kompletu – bill of materials wygenerowany z Fritzinga (wszystkie potrzebne elementy wchodzą w skład Arduino Starter Kit od Nettigo):

Fritzing Bill of Materials

Sketch:     tranzistor.fz
Date:   Mon Dec 14 10:30:33 2009

Arduino       Arduino Diecimila
Breadboard1   Generic Breadboard
LED1          Red LED - 5mm
LED2          Red LED - 5mm
LED3          Red LED - 5mm
LED4          Red LED - 5mm
Q1            NPN-Transistor
R1            220Ω Resistor
R2            220Ω Resistor
R3            220Ω Resistor
R4            220Ω Resistor
R5            220Ω Resistor

Shopping List

Quantity    Part

5       220Ω Resistor
1       Arduino Diecimila
1       Generic Bajillion Hole Breadboard
1       NPN-Transistor
4       Red LED

Oczywiście rezystory 220Ω to rezystory dodawane w Arduino Starter Kit do diód LED i mogą mieć inne wartości – z przedziału 200Ω do 280Ω. Niezależnie od wartości niniejszy układ będzie działał.

Szkic do Arduino to klasyczny przykład Blink:

int ledPin = 03;
void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  delay(4000);
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  delay(2000);
}

Jeszcze na koniec jakie wartości zostały uzyskane w rzeczywistym układzie? Dla rezystorów 280Ω:

• napięcie zasilania – 4.96V</li>
• napięcie na tranzystorze w stanie aktywnym U_CE 0.03 V
• napięcie na diodach LED podczas świecenia – od 1.86 do 1.93 V
• prąd płynący przez diody (już nie mierząc rzeczywistej rezystancji R2-R5, bo każdy z nich może mieć rozrzut +-5%) – od 10.7 mA do 10.9 mA

Jako ćwiczenie domowe – można zmienić pin użyty do sterowania tranzystorem na któryś obsługujący PWM i zamiast używać digitalWrite użyć pętli z analogWrite i sterować jasnością świecenie diód. Film ilustrujący działanie takiego podłączenia: