تغییرکمیت های مختلف مانند دما، موقعیت، فشار، نور و... نیاز به یک محرک دارد. این محرک می تواند هیتر، موتور، پمپ، منبع نور و ... باشد. برای راه اندازی این تجهیزات، نیاز به درایور یا مدارهای ایجاد توان داریم، تا ولتاژ و جریان مورد نیاز آن ها را تامین کنیم. هرچند میکروکنترلرها فرمان ها را صادر می کنند، اما خروجی میکروکنترلرها قادر نیستند، توان لازم جهت تجهیزات محرک را فراهم کنند. ولتاژ خروجی میکروکنترلرها حدود 5 ولت و جریان خروجی آن ها در حد چند میلی آمپر است. خیالتان را راحت کنم، با یک میکروکنترلر موتور کوچک یک اسباب بازی را نمی توان به حرکت در آورد.
مدارهای درایور ولتاژ و جریان لازم برای تجهیزات محرک را فراهم می کنند. در ادامه به بررسی چند نمونه از درایورها می پردازیم.

1_ درایورهای ترانزیستوری نوع BJT :

ترانزیستورها ی BJT کار تقویت جریان را به راحتی انجام می دهند. اگر ما جریان I_B را به بیس بدهیم، جریان کلکتور آن β برابر جریان بیس می شود. از آن جا که ترانزیستورهای مختلف دارای β   متفاوت هستند، پس با انتخاب ترانزیستور مناسب و کنترل جریان بیس می توان جریان مورد نظر را تامین کرد. مدار زیر دو مدار درایور ساده ترانزیستوری را نشان می دهد. همانطور که می بینید، خروجی میکروکنترلر جریان بیس ترانزیستور را تامین می کند.
فرض کنید می خواهیم یک موتور DC را با ترانزیستور درایو کنیم. نحوه انتخاب ترانزیستور و مقدار مقاومت بیس R_B  چقدر باید باشد؟
برای اینکار ابتدا باید ترانزیستور مناسب را انتخاب کنید. برای انتخاب ترانزیستور باید مشخصات موتور DC خود شامل ولتاژ و جریان آنرا بدانید. معمولاً ولتاژ و سرعت موتور بر حسب دور در دقیقه را روی پلاک موتور می نویسند. برای مثال موتور زیر یک موتور 12 ولت با دور 5000rpm است. البته این موتور دارای گیربکس است و دور خروجی گیربکس به 300rpm کاهش یافته است. در صورتیکه جریان آن را ندانیم، موتور را مطابق شکل زیر با یک منبع تغذیه 12 ولت و جریان مناسب روشن کرده و جریان مصرفی آن را بدست می آوریم. ( توجه داشته باشید که جریان منبع تغذیه باید از جریان موتور بیشتر باشد.)


حال با داشتن جریان و ولتاژ موتور، ترانزیستور مناسب را انتخاب می کنیم. جریان ترانزیستور باید حداقل 3 برابر جریان نامی موتور باشد، تا در لحظه راه اندازی که جریان بیشتری موتور می کشد، به ترانزیستور صدمه نخورد. V_CE ترانزیستور را نیز بیشتر از ولتاژ موتور می گیریم. برای بدست آوردن β ترانزیستور نسبت جریان کلکتور به جریانی که می توانیم به بیس ترانزیستور بدهیم را بدست می آوریم. برای مثال در جدول حداکثر جریان خروجی میکروکنترلر در حالت H برابر 20mA است، برای اینکه خروجی میکروکنترلر افت نکند و جریان زیادی از آن نکشیده باشیم، مقدار 10mA را به عنوان جریان خروجی میگیریم. فرض کنید جریان نامی ترانزیستور 400mA باشد، پس جریان کلکتور را 1200mA میگیریم. پس در این مثال داریم:

β>= I_c / I_B = 1200/10=120

پس باید ترانزیستوری با β حداقل 240 انتخاب کنیم.

حال با انتخاب ترانزیستور و با داشتن جریان لازم کلکتور مقدار جریان بیس لازم را بدست می آوریم:

I_B = I_C / β = 1200/120= 10 mA

حال با داشتن جریان بیس مقاومت R_B مناسب را بدست می آوریم :

R_B = (V_out – V_BE ) / I_B =  (5-0.7)/10mA = 430 Ω

حال برای اطمینان از به اشباع رفتن ترانزیستور مقدار R_B را مقداری کمتر می گیریم. برای مثال می توان 390Ω گرفت.

در دو شکل بالا اگر دقت کنید، در شکل سمت چپ بار اهمی است و بار ترانزیستور سمت راست سلفی است. بارهای اهمی مانند لامپ و هیتر هستند و بارهای سلفی مانند موتور و سیم پیچ هستند.
در سوئیچینگ ( قطع و وصل) بار سلفی باید دقت داشت، که پس از روشن شدن ترانزیستور و عبور جریان از بار، با خاموش شدن ترانزیستور و قطع جریان بار سلفی، ولتاژ دو سر آن شدیداً طبق رابطه Ldi/dt افزایش پیدا می کند. برای مقابله با این مشکل یک دیود هرزگرد مطابق شکل با بار موازی می کنند، تا پس از خاموش شدن ترانزیستور جریان در مسیر دیود ادامه یابد، تا زمانیکه جریان مستهلک شود.
معمولاً براحتی ترانزیستوری با ولتاژ و جریان دلخواه خود پیدا می کنید، اما اگر β بالا باشد، ممکن است نتوانید ترانزیستوری با تمام مشخصات مورد نظر خود پیدا کنید. در این حالت باید از دو ترانزیستور که با هم سری شده اند و به آن زوج دارلینگتون می گویند استفاده کنید. هم خودتان می توانید دو ترانزیستور را به صورت دارلینگتون ببندید و هم می توانید از ترانزیستور دارلینگتون آماده استفاده کنید، که قیمت آن کمی بیشتر خواهد شد.

2- درایورهای ترانزیستوری نوع MOSFET :

ترانزیستورهای اثر میدان یا همان FET نیز برای سوئیچینگ و تقویت جریان استفاده می شوند. دربخش قبل دیدیم، در ترانزیستورهای دوقطبی برای کنترل جریان خروجی ( جریان کلکتور) باید جریان بیس را کنترل کرد. اما در ترانزیستورهای اثر میدان برای کنترل جریان خروجی باید ولتاژ ورودی را کنترل کنید، از آنجا که ورودی جریان ناچیزی می کشد، استفاده از FET در مدارهای میکروپروسسوری بسیار بهتر است. ترانزیستورهای اثر میدان انواع مختلفی دارند، ماسفت افزایشی نوع N (N Chanel Enhancement MOSFET) برای کار ما مناسب تر است. شکل و منحنی مشخصه آن در شکل زیر آمده است. این FET سه پایه گیت، درین و سورس دارد. که مطابق شکل زیر با کنترل ولتاژ گیت-سورس V_GS جریان درین I_D را کنترل می کنند. همانطور که در شکل می بینید چنانچه V_GS کمتر از ولتاژ آستانه باشد، جریان خروجی صفر است. با افزایش V_GS مطابق شکل جریان درین افزایش پیدا می کند. در سیستمهای میکروپروسسوری V_GS  صفر یا 5 ولت است و برای روشن کردن FET در ناحیه اشباع بسیار مناسب است. (  انگار این دو را برای هم ساخته اند، این یک شوخی، ولی واقعیت است .)

شکل زیر یک مدار سوئیچ برای روشن کردن یک لامپ با FET را نشان میدهد. هرگاه V_in بیشتر از ولتاژ آستانه MOSFET شود، ترانزیستور روشن و هرگاه صفر شود، ترانزیستور خاموش خواهد شد. مقدار R_IN را کوچک و کمتر از 1KΩ و مقدار R_GS را بزرگ و بیش از 1MΩ انتخاب کنید. ( البته می توانید R_IN را حذف کنید.)

3- درایورهای دو جهته پوش پول :

درایورهای بالا فقط قادر بودند که یک نوع ولتاژ را به بار اعمال کنند. در مواردی ما می خواهیم، ولتاژ مثبت یا منفی را به بار اعمال کنیم. برای مثال برای حرکت موتور در دو جهت چپگرد و راستگرد باید جهت ولتاژ اعمالی به ترمینال های موتور را برعکس کرد و یا برای راستگرد اگر ولتاژ مثبت به موتور می دهیم، برای چپگرد به آن ولتاژ منفی بدهیم. برای اینکار از حالت پوش پول مطابق شکل زیر استفاده می شود. حالت پوش پول را با هر دو نوع ترانزیستور می توان پیاده سازی کرد.

در شکل سمت چپ هرگاه پالس مثبت به ورودی بدهیم، ترانزیستور بالایی روشن و ولتاژ +6v به موتور اعمال می شود و هرگاه یک پالس منفی بدهیم، ترانزیستور پایینی روش و ولتاژ  -6v به موتور تعمال خواهد شد.
به طور مشابه در شکل سمت راست، هرگاه ولتاژ ورودی مثبت باشد، ترانزیستور پایینی روشن و ولتاژ –V_DD به موتور اعمال می شود و هرگاه ولتاژ منفی به ورودی بدهیم، ترانزیستور بالای روشن شده و ولتاژ +V_DD به موتور اعمال خواهد شد.
اشکال روش پوش پول، نیاز به دو منبع تغذیه است.

4- درایورهای دو جهته با پل ترانزیستوری :

برای کنترل یک موتور در دو جهت چپگرد و راستگرد می توان از پل ترانزیستوری می توان استفاده کرد. ایده عملکرد پل ترانزیستوری در شکل زیر آمده است. این پل دارای 4 سوئیچ S1-S4 است. اگر سوئیچ S1 و S4 وصل شوند، جهت جریان در موتور مسیر قرمز می شود و اگر سوئیچهای S3 و S2 وصل شوند، جهت جریان مطابق مسیر سبز خواهد شد. با تغییر مسیر جریان در موتور جهت حرکت موتور تغییر می کند.

سوئیچهای پل بالا را با انواع مختلف ترانزیستورهای BJT و MOSFET می توان ساخت. در زیر دو مدل از پل ترانزیستوری با ترانزیستور BJT آمده است.

در شکل سمت چپ از 4 ترانزیستور npn استفاده شده است. برای روشن شدن ترانزیستورهای npn باید ولتاژ مثبت به بیس آن ها بدهیم. این ولتاژ از طریق مقاومتهای R2 وR4 از خروجی میکروکنترلر تامین می شود. اما برای ترانزیستورهای بالا Q1 و Q3 باید ولتاژ اعمالی حداقل برابر با ولتاژ تغذیه پل باشد، برای اینکار باید از دو ترانزیستور کمکی استفاده کنید.
در مدار سمت راست ترانزیستورهای بالا TIP32 pnp و ترانزیستورهای پایین TIP31 npn انتخاب شده اند. پس برای روشن شدن ترانزیستورهای بالا از آنجا که امیتر آن به +Vcc متصل است، کافی است، بیس آن ها را از طریق مقاومت به زمین وصل کنیم، که اینکار از طریق ترانزیستورهای کمکی npn BC337 انجام شده است. برای روشن کردن ترانزیستورهای TIP32 npn پایین نیز کافی است، به بیس آنها ولتاژ داده شود. این ولتاژ از طریق کلکتور ترانزیستورهای TIP32 بالا تامین می شود. چون با روشن شدن این ترانزیستورها ولتاژ کلکتور آن ها در حد +Vcc خواهد بود. در مجموع مدار سمت راست مناسب تر است.
البته پل های آماده ترانزیستوری در قالب یک آی سی نیز وجود دارد، که در صورت تمین ولتاژ و جریان مورد نیاز شما می توانید از این آی سی ها استفاده کنید. در شکل زیر آی سی L298 که شامل دو پل ترانزیستوری است، نشان داده شده است. همانطور که می بینید، هر پل دارای 4 ترانزیستور npn است که ورودی های IN1 و IN2 جهت حرکت را تعیین می کنند و ورودی EnA برای فعال کردن پل است. توجه داشته باشید تا زمانیکه EnA را فعال نکنید، موتور به چپ یا راست حرکت نمی کند. خروجی های OUT1 و OUT2 به موتور وصل می شوند.
پایه SENSE A برای اندازه گیری و کنترل جریان موتور است. به جای اینکه آنرا به طور مستقیم به زمین متصل کنید، می توانید از طریق یک مقاومت بسیار کوچک، در حدود 200 میلی اهم آن را به زمین متصل کنید و ولتاژ دو سر مقاومت، جریان موتور را به شما می دهد. با اندازه گیری جریان می توان در مورد عملکرد و حفاظت موتور تصمیم گیری کرد.

در پل بالا برای سوئچها مطابق شکل زیر از MOSFET نیز می توان استفاده کرد. . با توجه به N-channel بودن ترانزیستورهای پایین هرگاه ورودی آن ها را H  کنیم، روشن می شوند و برای روشن کردن ترانزیستورهای P-channel بالا باید ورودی آن ها را L کرد.

5- مدارهای درایو با تریستور

مدارهای درایو تریستوری بیشتر برای کنترل ولتاژ ac بکار میروند. همانطور که در شکل زیر می بینید، تریستور از 4 لایه نیمه هادی تشکیل شده است، که تشکیل دو ترانزیستور می دهند، اما در نهایت سه پایه با نام های آند، کاتد و گیت دارد.
در زمانیکه ولتاژ آند از کاتد بیشتر است، با دادن یک پالس به گیت تریستور، که در واقع همان بیس Tr2 است، ترانزیستور Tr2 روشن و به دنبال آن Tr1 روشن خواهد شد و جریان بین آند و کاتد برقرار می شود و مادامیکه آند از کاتد بیشتر باشد، این جریان برقرار است.
به طور خلاصه اگر ولتاژ آند از کاتد تریستور بیشتر باشد و ما یک پالس روی گیت آن بفرستیم، تریستور هدایت خواهد کرد. تریستور یک دیود کنترل شده است.
شکل موج ورودی و خروجی تریستور در سمت راست آمده است. همانطور که گفته شد، تریستور برای کنترل ولتاژهای ac مانند سینوسی به کار می رود. در نیم سیکل اول که ولتاژ آند از کاتد بیشتر است، می توان به گیت پالس داد، از لحظه ای که پالس گیت را بفرستیم، تریستور شروع به هدایت می کند و این عبور سیگنال تا انتهای نیم سیکل ادامه دارد. همانطور که می بینید، در نیم سیکل دوم که ولتاژ آند از کاتد کمتر می شود، به هیچ عنوان هدایتی نداریم.
از آنجا که تریستور بیشتر برای کنترل سیگنال های سینوسی به کار می رود، لحظه ای که به گیت پالس اعمال می کنیم، را با زاویه مشخص می کنند و به آن زاویه آتش می گویند. در شکل زیر پالس t1 در 45 درجه و پالس t2 در زاویه 90 درجه سیگنال ورودی آمده است، پس می گویند زاویه آتش 45 درجه یا 90 درجه است.
هر چه زاویه آتش کمتر باشد، زمان عبور سیگنال بیشتر می شود. مقدار متوسط سیگنال خروجی را می توان به راحتی با محاسبه سطح زیر منحنی بدست آورد.

تا کنون متوجه شده اید، که پس از روشن شدن تریستور نمی توان آن را خاموش کرد و باید به طور طبیعی در انتهای سیکل که ولتاژ آند از کاتد بیشتر نیست، خاموش شود.
اگر بخواهیم تریستور را قبل از رسیدن به انتهای نیم سیکل اول قطع کنیم، باید جریان آنرا به صفر برسانیم و با اعمال ولتاژ منفی شرایط قطع را فراهم کنیم، به اینکار کموتاسیون اجباری می گویند.
شاید بگویید، کار کردن با ترانزیستور راحت تر بود، اما به دلایل زیر در خیلی از موارد از تریستور و ترایک استفاده می کنند. دلیل اول، قیمت کمتر تریستور با ولتاژ و جریان یکسان نسبت به ترانزیستور است. دلیل دوم آسیب پذیری تریستور نسبت به ترانزیستور کمتر است. دلیل سوم، عدم نیاز به دقت بالا در خیلی از موارد ما را به طرف استفاده از تریستور سوق می دهد.
قطعه دیگری که مشابه تریستور است و امکان خاموش کردن آن وجود دارد، GTO (Gate Turn off Thyristor ) است. همانطور که در شکل می بینید، GTO نیز دارای سه پایه آند، کاتد و گیت است. در GTO یک پالس مثبت روی گیت آن را روشن و یک پالس منفی روی گیت آن را خاموش می کند.

6- مدارهای درایو با ترایاک

ترایاک مانند، دو تریستور که بطور معکوس با هم موازی شده، اما با یک گیت است. با این وصف، ترایک همانطور که در شکل می بینید، در هر دو نیم سیکل مثبت و منفی هدایت می کند. برای روشن شدن در هر نقطه از نیم سیکل مثبت یا منفی باید به گیت آن پالس بدهیم.

ترایاک کاربرد وسیعی دارد، امروزه از آن برای کنترل توان وسایل مختلف استفاده می شود. از طرف دیگر جایگزین مناسبی برای رله های مکانیکی است.

نحوه ایجاد پالس گیت تریستور و ترایاک :
پالس گیت از مدارهای فرمان که امروزه میکروپروسسوری هستند، صادر می شود. تریستور و ترایاک بخش قدرت سیستم را تشکیل می دهند. در گذشته برای ایزوله کردن و ایجاد پالس برای گیت از ترانس پالس استفاده می کردند. اما امروز از اپتوکوپلر ها استفاده می شود. اپتوکوپلرها ضمن فراهم کردن ایزولاسیون در حد چند کیلو ولت بین مدار فرمان و قدرت، مدار ساده ای دارند. در شکل زیر مدار گیت ترایاک به کمک اپتوترایاک تحریک شده است. همانطور که می بینید، فرمان میکروکنترلر با کوپلاژ نوری، ترایاک داخلی اپتوترایاک را روشن و به دنبال آن، این ترایاک ولتاژ گیت ترایاک اصلی را فراهم می کند.
بار شما می تواند لامپ، هیتر، موتور و ... باشد. اگر بار سلفی مانند، موتور داشته باشید، بخش اسنابر که در شکل با خط چین نشان داده شده است، لازم است و در بارهای اهمی مانند لامپ و هیتر این بخش را می توانید حذف کنید.

دانشجویان از مدار فوق در پروژه های مختلف استفاده کرده اند.
در پروژه ماشین لباسشویی برای کنترل پمپ، هیتر و موتور
در پروژه فر برقی برای کنترل دمای هیتر
در پروژه گلخانه برای کنترل روشنایی و رطوبت
در پروژه کنترل و حفاظت کولر برای روشن و خاموش کردن حالت های کند و تند
در پروژه تردمیل برای کنترل سرعت موتور DC