Транзисторы: биполярные, полевые и схема H-моста
Чем биполярный транзистор отличается от полевого, как оценить допустимую нагрузку и как собрать H-мост для мотора.
Электронная кнопка
Транзистор работает как выключатель в цепи питания, которым управляет не палец, а электрический сигнал, например с вывода контроллера. Слабый сигнал таким образом управляет сильным током. Кроме того, транзисторы преобразуют и коммутируют сигналы и служат элементарными ячейками микросхем.
Выводов обычно три: вход, выход и управление. В любительских конструкциях чаще всего встречаются два корпуса: TO-92 для небольших нагрузок и более крупный и мощный TO-220. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые.
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор - простой, надёжный, компактный и недорогой прибор с тремя выводами:
- коллектор - к нему подводится управляемый ток нагрузки;
- эмиттер - соединяется с «землёй» силовой цепи;
- база - управляющий вывод: небольшой ток через неё открывает путь от коллектора к эмиттеру, заземление закрывает.
Базу обычно подключают к выводу Arduino через токоограничивающий резистор, который защищает сам вывод контроллера. Достаточно номинала от 180 Ом.
Главная характеристика - коэффициент усиления hfe, связывающий ток базы и ток нагрузки: Ice = Ibe x hfe. У распространённого BC337 в корпусе TO-92 он по даташиту составляет от 160 до 400. Если принять hfe равным 300 и взять резистор 1 кОм, ток базы при 5 В будет 5 мА, а расчётный ток нагрузки - 1,5 А. Если нагрузка больше расчётной, транзистор открывается не полностью, избыток уходит в тепло, и прибор быстро сгорает.
Однако есть ещё два предела: максимальное напряжение коллектор-эмиттер и максимальный ток коллектора. Для BC337 это 50 В и 0,8 А, так что реальный потолок - 0,8 А, а не полученные по формуле 1,5 А. Поэтому перед выбором транзистора нужно сверять его параметры со свойствами нагрузки.
Биполярные транзисторы бывают структуры NPN и PNP. Рассмотренный BC337 относится к NPN; такие приборы эффективнее и распространены шире. PNP работает по обратной логике: открывается при заземлении базы и закрывается при подаче на неё питания.
Полевые транзисторы
Полевой транзистор в корпусе того же размера управляет гораздо более мощной нагрузкой. Его затвор изолирован от силовой цепи, ток через него не течёт, управление идёт только напряжением, поэтому токоограничивающий резистор не требуется. Выводы называются иначе:
- сток - сюда подключается управляемая нагрузка;
- исток - соединяется с «землёй»;
- затвор - управляющий вывод: напряжение на нём открывает транзистор, заземление закрывает.
Ключевые параметры: максимальное напряжение сток-исток, максимальный ток стока, сопротивление сток-исток и рассеиваемая мощность. Последняя важна потому, что часть проходящей мощности превращается в тепло; при превышении допустимого значения транзистор перегревается и выходит из строя.
Самая известная разновидность - MOSFET. Для работы с контроллерами удобны модели с буквой L в маркировке, например IRLZ44N: они управляются логическим уровнем, и для полного открытия им гарантированно хватает сигнала с вывода, обычно от 2,5 В. Максимальный ток у IRLZ44N достигает 45 А против 0,8 А у BC337, поэтому серьёзные нагрузки рекомендуется коммутировать именно такими транзисторами.
Пример: H-мост для реверса мотора
Более интересное применение, чем простой выключатель, - управление электромотором с реверсом по схеме H-моста. В простейшем варианте мостом управляют два вывода контроллера. Единица на первом и ноль на втором направляют ток через мотор в одну сторону, обратная комбинация - в другую, и вал вращается в противоположном направлении. При одинаковых уровнях на обоих выводах разности потенциалов на контактах мотора нет, и он стоит.
Можно обойтись одним выводом, если второй управляющий вход подключить через логический инвертор, например микросхему 74HC04. Тогда сигналы всегда противоположны, и мотор вращается в ту или другую сторону в зависимости от состояния единственного вывода.