Подключение нагрузок к МК. Справочник

[Wolf_X]

Для того чтобы разобраться с подключением нагрузок к микроконтроллеру, решил создать такую тему, так как есть много вопросов. Хочется сделать некий универсальный гайд, думаю такой бы многим пригодился.

Сильно не пинайте, я только собрал информацию и выложил как мне легче понимается. Если будет что неправильно, пишите, дополняйте. Потом вкину все в pdf - будет удобный справочник. Конечно, хорошо если б эту тему написал знающий человек, но похожего сбора информации я не нашел, разве что тут: http://www.getchip.net/posts/062-kak-po ... -nagruzku/. Но там не все охватывается (кстати оформление схем я выбрал похожее). Так что пишите, и рисуйте хотя бы в Paint а я буду переоформлять. Общими усилиями выйдет полезный сборник.
Итак:

1: Подключение нагрузки через резистор. Ток нагрузки не должен превышать максимально допустимый через вывод МК.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимого. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.
Например для 5В и тока 20мА
Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]
Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать – ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки.

В основном это подключение применяется для светодиодов. Тогда расчет резистора такой:
Rгасящий = (Uмк –Uсв) /Iсв
Uмк – напряжение на выходе МК.
Uсв - падение напряжения на светодиоде.
Iсв – рабочий ток светодиода (чтобы не превысить максимальный ток через вывод МК, лучше брать на 20% меньше, пусть будет запас).

Таблица падения напряжений светодиодов в зависимости от цвета:

[Wolf_X]

В основном много непонятного про ключи, а хотелось разобраться с ключами на всех типах транзисторов так что:

2: Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (состояние отсечки).

Выбирается транзистор по току коллектора (ток через нагрузку),напряжению коллектор-эмиттер (напряжение питания нагрузки),рассеиваемой мощности:
Ррасс =Uкэнас* Iк
Iк=(Uн-Uкэнас)/Rн , где
Iк–ток коллектора
Uкэнас- напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0.2 до 0.8В, хотя и может прилично различаться для разных транзисторов). Принимаем равным 0,6В обычно
Rн- сопротивление нагрузки
Uн- напряжение питания нагрузки

В зависимости от проводимости транзистора будет 4 основных схемы:

NPN транзистор
1: Характеристики
Схема с открытым коллектором
Схема с общим эмиттером
Схема не инвертирует сигнал - управление логической "1"
Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности.
При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера.

Примеры:

Спойлер

???? Вопрос нужно ли ставить резистор база - минус в случае с мк. Влияет ли это на скорость закрытия транзистора и надежность

Спойлер

[Wolf_X]

2:
Эмиттерный повторитель
Схема с общим коллектором
Схема не инвертирует сигнал - управление логической "1"
Напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе
Такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение


PNP транзистор

3:
Схема с открытым коллектором
Схема с общим эмиттером
Схема инвертирует сигнал - управление логическим "0"
При таком способе НЕЛЬЗЯ подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание МК
(в случае не с МК для закрытия подавать на базу напряжение не ниже чем на эмиттер )

1:????? Встретил такое утверждение при подключении семисегментников:
«Общий вывод (выбирающий разряд) подключается через транзисторы. Это NPN транзисторы замыкающие вывод на землю для индикаторов с общим катодом или PNP транзисторы, замыкающие на линию питания для индикаторов с общим анодом. Во втором случае можно использовать отдельные линии питания для индикатора и для микроконтроллера.». Почему для индикаторов с общим анодом не делать эмиттерный повторитель на NPN, ведь в случае с PNP все равно нельзя применить большее напряжение питания, только используя до него ключ на NPN.

4:
Эмиттерный повторитель
Схема с общим коллектором
Схема инвертирует сигнал - управление логическим "0"
Напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе
Такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение

2:???? В таком ключе тоже ведь нельзя подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера?.
3:???? Какие преимущества применения ключей с PNP транзисторами?

[Wolf_X]

Расчет базового резистора
Rб=(Uмк - Uбэнас)/Iб
Uбэнас - напряжение насыщения перехода база-эмиттер - принимаем 0,6В
Рассчитываем ток базы
Iб=Iк/hfe
hfe(h21э) - коэффициент усиления транзистора, смотрим минимальное значение в даташите,
либо принимаем 10
Рассчитываем ток коллектора:
Ik=(Uн-Uкэнас)/Rн
Uкэнас- напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0.2 до 0.8В, хотя и может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В
Rн- сопротивление нагрузки
Uн- напряжение питания нагрузки

Полученное сопротивление Rб делим на 2, для того чтобы транзистор точно вошел в режим насыщения.
Сильно уменьшать нельзя, так как уменьшается скорость закрытия транзистора. Меньше 250 Ом тоже нельзя: напряжение на выходе(5В)/максимальный ток через выход мк(20мА)

[Wolf_X]

А что делать если нужно запитать нагрузку большим напряжением подавая плюс (например индикатор с общим анодом и питанием выше питания МК):


В данном случае базовый резистор - вреден! Недостаток такого ключа в том, что при изменении уровня лог.1 МК - уходят параметры схемы.
R1 задаёт ток базы Q2. Iб = (Uлог1-Uбэ)/R1. Т.е. ток, который пойдёт через резистор R1 при подаче напряжения на базу минус падение на эмиттерном переходе (обычно 0.6в). R2 - резистор для утечки обратного тока коллектора Q2, следует выбирать таким, чтобы ток утечки (обратный ток коллектора) на этом резисторе не создал напряжение, которое позволяет течь току через эмиттерный переход. Для кремниевых при токе вводящем транзистор в насыщение, на переходе Б-Э падает 0.6в. Значит, зададимся 0.3в. В одном справочнике, для КТ315Б написано Icbo=1 мка. 0,3в/1мка= 300 кОм и меньше.
для МП42 Icbo=25uA, Uбэ=0.2v. Так что R4 надо бы брать 4кОм или меньше.

Ток, который отводит этот резистор, считается просто (для случая насыщенного транзистора). Так как он стоит параллельно переходу Б-Э, то падение на нём будет 0.6 в для кремниевого или 0.2в для германиевого. Дальше, опять закон ома 0.2в/4кОм=50мка. Ну в данном случае, если ма расчитали, что ток базы должен быть 2ма. По закону Кигхгофа ток через R2 будет 2ма+50мка. Как видите, эти 50 мка, вроде большую погрешность не вносят, поэтому в расчете можно не учитывать.

Старый вариант:

Спойлер

R1 - определяет ток базы второго транзистора
R2 - закрывает первый транзистор

4???? Какие минусы такой схемы, вроде второй транзистор не входит в режим насыщения? R1иR2 как рассчитываются?

[Wolf_X]

3: Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Полевой транзистор в отличие от биполярного управляется напряжением(потенциалом на затворе) а не током


Для прямого сопряжения с MK подойдут те полевые транзисторы, которые имеют низкое напряжение отсечки «затвор — исток» (параметр Gate Theshold Voltage в пределах 0.5…2.5 В). Мощные полевые транзисторы обычно подключаются к MK через буферные каскады.
Главным параметром при выборе транзистора является напряжение отсечки затвора, которое при рабочем токе нагрузки Rн не должно превышать напряжение питания MK

Ключ на N канальном полевике:
Управление логической "1"


Резистор Rз защищает линию MK от наводок большой амплитуды через цепь затвора со стороны стока при коммутации мощных нагрузок. Так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор. При этом замедляется заряд затвора и уменьшается ток (скорость заряда равна R*C - C емкость затвора)

Если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии(рестарт мк) полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.

Ключ на P канальном полевике:
Управление логическим "0"

5???? Такой ключ можно запитывать большим напряжением? Ток через 10к небольшой же. Есть еще особенности данного ключа? То есть его можно использовать как замену двум транзисторам из предыдущего поста?

[Wolf_X]

Немного непонятен подбор полевиков. Допустим есть у меня такой IRFL014N, смотрим в даташит:
VDSS = 55V RDS(on) = 0.16Ω ID = 1.9A
VGS(th) Gate Threshold Voltage 2.0 ––– 4.0 V выходит за предел 0.5…2.5 В
Но по графику при 5В можно получить ток 1,6А то есть его можно использовать при таком токе и ниже?
Какая мощность рассеивания будет?
Есть ли определенные серии полевиков для мк


Если кого не затруднит можете привести схемы ключей с простыми буферными каскадами( биполярник или оптрон) для мощной нагрузки а можно также и с драйверами ключей

[uldemir]

Ну и поток... на что вам ответить? Многое тут правильно. А остальное станет понятно, если понять, что все компоненты смотрят напряжения только относительно себя и их не волнует, что мы считаем общим проводом.

по поводу схемы

Второй транзистор - насыщается. Rb - не нужен. Нет - вреден! Недостаток в том, что при изменении уровня лог.1 МК - уходят параметры схемы.
R1 задаёт ток базы Q2. Iб = (Uлог1-Uбэ)/R1. Т.е. ток, который пойдёт через резистор R1 при подаче напряжения на базу минус падение на эмиттерном переходе (обычно 0.6в). R2 - резистор для утечки обратного тока коллектора Q2. Для современных транзисторов можно ставить на порядок больше.

Уже писал:

следует выбирать таким, чтобы ток утечки (обратный ток коллектора) на этом резисторе не создал напряжение, которое позволяет течь току через эмиттерный переход. Для кремниевых при токе вводящем транзистор в насыщение, на переходе Б-Э падает 0.6в. Значит, зададимся 0.3в. В одном справочнике, для КТ315Б написано Icbo=1 мка. 0,3в/1мка= 300 кОм и меньше.
для МП42 Icbo=25uA, Uбэ=0.2v. Так что R4 надо бы брать 4кОм или меньше.

Ток, который отводит этот резистор, считается просто (для случая насыщенного транзистора). Так как он стоит параллельно переходу Б-Э, то падение на нём будет 0.6 в для кремниевого или 0.2в для германиевого. Дальше, опять закон ома 0.2в/4кОм=50мка. Ну в данном случае, если ма расчитали, что ток базы должен быть 2ма. По закону Кигхгофа ток через R2 будет 2ма+50мка. Как видите, эти 50 мка, вроде большую погрешность не вносят, поэтому в расчете можно не учитывать.

[Wolf_X]

Ну и поток... на что вам ответить? Многое тут правильно. А остальное станет понятно, если понять, что все компоненты смотрят напряжения только относительно себя и их не волнует, что мы считаем общим проводом.

Что поделать накопилось вопросов, на те что смог ответы нашел. Поправляйте что неправильно, ведь я думаю не только мне это пригодится.
Не понял как это: все компоненты смотрят напряжения только относительно себя и их не волнует, что мы считаем общим проводом

Второй транзистор - насыщается. Rb - не нужен. Нет - вреден! Недостаток в том, что при изменении уровня лог.1 МК - уходят параметры схемы.
R1 задаёт ток базы Q2. Iб = (Uлог1-Uбэ)/R1. Т.е. ток, который пойдёт через резистор R1 при подаче напряжения на базу минус падение на эмиттерном переходе (обычно 0.6в). R2 - резистор для утечки обратного тока коллектора Q2. Для современных транзисторов можно ставить на порядок больше.

Для транзистора BC846 R2 вышел 20мОм, действительно на порядок больше. Rb - понятно ток то небольшой будет через базу можно не беспокоиться за вывод МК. Один вопрос снят, спасибо за ответ.

[uldemir]

Не понял как это: все компоненты смотрят напряжения только относительно себя и их не волнует, что мы считаем общим проводом

А это значит, что между схемами
и
нет никакой разницы. Просто во втором случае общим проводом является +Uн. И проблемы возникают, если этот +Uн не является питание микроконтроллером. Это примерно так как в правой схеме эмиттер подключить куда-нибудь в другое место.

Rb - понятно ток то небольшой будет

Нет! Rб там недопустим! Меня раз критиковали за такое описание, но еще раз приведу.

Транзистор Q1 задаёт базовый ток для транзистора Q2. Как это происходит. При подаче положительного потенциала на базу транзистора Q1 начинает течь ток. Ток ограничен резистором R1 и без коллекторной нагрузки напряжения распределяются следующим образом: 0.6 вольт падает на эмиттерном переходе, а остальное на резисторе. Но когда транзистор откроется и потечет коллекторный ток, а потечет он через эмиттер тоже, этот ток создаст на резистроре R1 падение напряжения, и тогда наше соотношение нарушится - на эмиттерном переходе напряжение упадёт ниже 0.6 вольт и транзистор начнет закрываться, за счет чего упадет коллекторный ток, следовательно упадет ток через эмиттер, из-за чего уменьшится падение на резисторе R1, которое вызовет увеличение напряжения на эмиттерном переходе... Вообще-то, просто установится равновесное состояние, не позволяющее коллекторному току превысить некую величину. Эта величина и задается резистором R1. Как эта величина расчитывается? Исходя из вышеприведенного описания, получается так, что равновесие наступает, когда коллекторный ток создает на R1 падение напряжения на 0.6 вольт ниже чем напряжение управления. Т.е. выбранный номинал рассчитан для тока: напр. лог.1 4.3вольт - 0.6 = 3.7 вольт падает на резисторе. Далее по закону ома I=U/R получаем 3.7/1.3=2.8 мА. Этот ток потечет через переход база-эмиттер транзистора Q2 и откроет его.

[YS]

Вопрос нужно ли ставить резистор база - минус в случае с мк. Влияет ли это на скорость закрытия транзистора и надежность

По-хорошему нужен. Влияет на надежность.

База не должна висеть в воздухе. А именно это происходит, когда ножка МК настроена на вход. В целом, практика показывает, что от нескольких (десятков) микросекунд висения в воздухе (пока программа в МК начнет работать и настроит порт на выход) транзисторам ничего не делается. Однако резистор стоит копейки, а надежность (на случай отказа МК) повышает. Лучше ставить.

Я, кстати, ставлю его до базового резистора. Так получается универсальный вариант, пригодный и для полевиков. В противном случае мы получаем делитель, который может снизить напряжение на затворе ниже допустимого уровня.

[Wolf_X]

Спасибо за ответы.
После прочтения 80 страниц по ключам тут на форуме мозг вскипел. Тем не менее такие дополнения:
1)Если не ставить резистор параллельно Э-Б, то транзистор может лавинообразно открыться за счет обратного тока коллектора ( режим "с оторванной базой" ). Номинал ограничен сверху обратным током коллектор-база: ток×это сопротивление должно быть меньше 0,7 В.

2) В ключах PNP нельзя использовать нагрузку с большим напряжением питания чем питание МК (переход эмиттер - база по сути диод)

3) Р-канальный ключ управляется не относительно общего провода схемы с положительным питанием, а относительно САМОГО ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ПИТАНИЯ, то есть относительно своего ИСТОКА.
Таким образом, напряжением запирания на ЗАТВОРЕ этого Р-ключа будет напряжение на его ИСТОКЕ, а напряжением отпирания этого ключа будет отрицательное напряжение за затворе ОТНОСИТЕЛЬНО ИСТОКА. Таким образом такой ключ тоже нельзя питать большим напряжением питания чем питание МК - он просто будет приоткрытым. Для большего напряжения тоже нужен еще один ключ.

4) Полевые транзисторы логического уровня серии IRLML

[Wolf_X]

Я, кстати, ставлю его до базового резистора. Так получается универсальный вариант, пригодный и для полевиков. В противном случае мы получаем делитель, который может снизить напряжение на затворе ниже допустимого уровня.

Я считал что и для биполярников и для полевиков резистор ставится после базового.

[uldemir]

Уточнения. По 1.пункту "Номинал ограничен сверху обратным током коллектор-база: ток×это сопротивление должно быть меньше 0,7 В." - следует уменьшить до 0.2 - 0.3в. При 0.6в на эмиттерном переходе - транзистор уже вовсю открыт!

2-й пункт надо воспринимать как и 3-й. Главная суть в том, что напряжения и токи надо смотреть относительно ключа. Если ток через эмиттерный переход идёт - ключ открыт.

Я считал что и для биполярников и для полевиков резистор ставится после базового

Тут есть еще нюанс - если резистор около базы/затвора - он изображает из себя делитель. В некоторых случаях это вредно (как в случае с полевиком - понижает напряжение на затворе), но есть случаи когда это необходимо. Вот ссылка на сообщение http://www.radiokot.ru/forum/viewtopic. ... 92#p470292 - в последнем абзаце как раз рассмотрен этот резистор для случая биполярного транзистора. И он, бывает, там необходим.

[Wolf_X]

нет никакой разницы. Просто во втором случае общим проводом является +Uн. И проблемы возникают, если этот +Uн не является питание микроконтроллером. Это примерно так как в правой схеме эмиттер подключить куда-нибудь в другое место.

ДОШЛО!) Вот укоренилось у меня в голове что земля это общий, и запутало совсем. А для PNP и P канального ключа ОБЩИЙ то + и выше и ниже никак не подашь, посмотрел на вашу схему с индикаторами и дошло
Надо было так изображать

Тут есть еще нюанс - если резистор около базы/затвора - он изображает из себя делитель. В некоторых случаях это вредно (как в случае с полевиком - понижает напряжение на затворе), но есть случаи когда это необходимо. Вот ссылка на сообщение http://www.radiokot.ru/forum/viewtopic. ... 92#p470292 - в последнем абзаце как раз рассмотрен этот резистор для случая биполярного транзистора. И он, бывает, там необходим.

То есть если уровень лог.1 близкий к напряжению питания, ставим до базового резистора. Если лог.1 меньше напряжения питания делаем делитель.
А для микроконтроллера ставим до и не заморачиваемся.

Осталось только разобраться с подбором полевиков по даташиту. И базовый резистор для полевиков ведь чем меньше - тем лучше, но ограничен максимальным током через вывод мк ( для 5В и 20мА ставим 300 Ом -меньше нельзя, больше - увеличиваем скорость заряда )

[ARV]

после того, как вы устраните все свои пробелы в знаниях, ваш справочник окажется никому не нужен потому что вы, как и большинство, будете ПОНИМАТЬ ПРОЦЕССЫ в этих примитивных схемах, а те, кто из-за недостатка знаний не будут их понимать, вряд ли смогут ими пользоваться, не пройдя ваш путь.

иначе говоря, надо просто читать книжку H&H "Искусство схемотехники"

[Wolf_X]

после того, как вы устраните все свои пробелы в знаниях, ваш справочник окажется никому не нужен потому что вы, как и большинство, будете ПОНИМАТЬ ПРОЦЕССЫ в этих примитивных схемах, а те, кто из-за недостатка знаний не будут их понимать, вряд ли смогут ими пользоваться, не пройдя ваш путь.

иначе говоря, надо просто читать книжку H&H "Искусство схемотехники"

Такая мысль тоже в голову пришла. Но с другой стороны мне например помогла статья http://www.getchip.net/posts/062-kak-po ... -nagruzku/ но в ней не хватило информации. И так как всю информацию в голове не удержишь, а понадобиться она может через год (лично мне), вспоминай потом как резистор рассчитывать. А так удобно открыл посмотрел, нашел что нужно.

[КРАМ]

И так как всю информацию в голове не удержишь, а понадобиться она может через год (лично мне), вспоминай потом как резистор рассчитывать.

Практика показывает, что в голове нужно держать не варианты и формулы, а ПРИНЦИПЫ (точнее их ПОНИМАНИЕ).
Тогда хватит обычных законов Ома, Кирхгофа и немного Джоуля-Ленца.