У ланцюзі, що перемикається транзистором NPN, чи потрібно джерело живлення та вхід однакового заземлення?

Я намагаюся зробити схему, яка дозволить мені включити реле, яке буде включати світлодіод. Однак реле розраховано на 12 В, і у мене є лише вхід 5 В, тому я використовую транзистор NPN . для включення та вимкнення живлення реле. Ось схема:

Однак мене бентежить декілька речей (зверніть увагу на те, що джерело живлення 12 В та джерело живлення 5 В не визначено):

1. Якщо мій 5 В джерело живлення є Arduino, чи можу я використовувати землю для підключення до землі 12 В джерела живлення?

2. Чи добре, що база і емітер мають різні підстави на транзисторі? Або вони повинні бути однаковими?

3. Якщо мій джерело живлення 12 В - це акумулятори 8 АА (не стійкі, але я просто використовую його для тестування), як би я підключив його до того ж заземлення, що і ардуїно, замість негативної сторони батарей?

4. Як я можу зрозуміти, якими повинні бути R1 та R2, базуючись на транзисторі? Я читав деякі речі в Інтернеті, але все ще розгублений.

5. Чи є якісь інші речі, які я не беру до уваги, якими я повинен бути?

Я абсолютно нова в цьому, тому будь-яка допомога дуже цінується.

1. Так, для того, щоб транзистор перемикався, потрібно підключити в цій схемі підстави 5В та 12В. Пам'ятайте, що для базового струму повинен бути зворотний шлях. Не можна надсилати сигнал, використовуючи лише 1 провід.

2. Дивіться вище, випромінювач повинен використовувати ту саму землю, що і джерело сигналу (Arduino) або немає зворотного шляху.

3. Підключіть негативний клем нижньої батареї (якщо у вас є 8 послідовно) до заземлення Arduino.
   "Заземлення" - це лише термін для опорної точки для вимірювання напруг у вашій схемі, ви можете вибрати будь-яку точку (хоча це зазвичай мережа, підключена до негативного терміналу живлення). Наприклад, ви можете назвати точку, до якої в ланцюзі підключається позитивний термінал "земля", і тоді "вихідний заземлення" (земля, як показано у вашій схемі) буде -12В відносно нього. Негативний термінал не означає, що напруга є негативною, воно просто підказує, яким шляхом тече струм.

4. (a) R1 - обмеження струму на базі транзистора. Щоб обчислити значення, нам потрібно знати, скільки струму ми перемикаємо (тобто скільки потрібно реле) і струм посилення транзистора. Скажімо, ми використовуємо транзистор з коефіцієнтом посилення струму 200, а реле потрібно 20 мА для перемикання. Оскільки струм через базу посилюється від посилення струму, ми знаємо, що базовий струм повинен бути принаймні 20mA / 200 = 0,1mA.
   Базова напруга типового біполярного транзистора становить близько 0,7 В, тому серійний резистор (R1) повинен бути максимум: (5 В - 0,7 В) / 0,1 мА = 43 кОм
   Оскільки коефіцієнт підсилення може змінюватись (переходити від мінімального значення в аркуші безпеки, ми можемо вибрати 33 кОм, щоб запастися деякий базовий струм. Зауважимо, що для ефективного перемикання ми хочемо, щоб транзистор наситився, оскільки ефективне посилення починає падати в коліні між лінійним і режимом насичення (як згадував Шокран). Таким чином, ми підбираємо резистор з меншим значенням, ніж розраховане, щоб переконатися, що ми можемо витягнути колектор біля землі. У випадках, наприклад, із силовими транзисторами, де важливо мінімізувати розсіювання, розумно вибрати значення принаймні у 5 разів менше, ніж розраховане (або припустити посилення ~ 20), щоб у вищенаведеному прикладі ми могли досягти 4,3 к.

   (b) R2 є для того, щоб переконатись, що база витягнута на землю при видаленні приводного струму. Це потрібно для зупинки струму витоку, що частково вмикає транзистор. Значення не повинно бути надто точним, достатньо лише для шунтування струму витоку (аркуш) і не надто низьким, щоб викрасти занадто великий базовий струм. У 5-10 разів резистор серії (або від 1 кОм до 500 кОм) є приблизним діапазоном. 100k & Omega - це розумне значення для більшості випадків, хоча я б хотів тут 330 к, оскільки струм витоку повинен бути мінімальним. Якщо вам потрібно піти набагато нижче, то вам доведеться відрегулювати резистор серії для компенсації.
   Зауважте, що якщо штифт Arduino приведений до 0В (тобто встановлений вихід і логіка 0), то R2 насправді не потрібен, це лише якщо штифт встановлений на високий опір (тобто вхід)
   Примітка 2 - що з BJT це дуже рідко хвилюватися (MOSFET - це інша справа і, безумовно, не хочеться залишатись плаваючою) Якщо у вас транзистор із дуже високим коефіцієнтом посилення (esp darlington), галасливе середовище та / або дуже висока температура (витік збільшується з температурою) і дуже високий резистор колектора, то це може спричинити проблеми, але, як правило, струм витоку має велике значення.

5. Не те, що я зараз можу помітити (однак, це 4:48 ранку, щоб мій мозок давно пішов у відставку, тому я залишаю за собою право пропустити щось очевидне ;-))

1), 2) і 3)
Якщо ви використовуєте різні джерела живлення в ланцюзі, вам потрібно підключити їх так чи інакше, щоб вони мали загальну посилання. Ви майже завжди підключатимете підстави, оскільки вони є вашою орієнтиром. Напруга відносна: якщо взяти плюс батареї як еталонний, то мінус становитиме -12 В, якщо ви вважаєте мінус за еталон, плюс буде на рівні +12 В. Мало ланцюгів використовуватимуть плюс як орієнтир, нам подобається позитивні напруги краще. Тож мінус батарей йде до землі Ардуїно.

Чому їх потрібно з'єднувати? Ваш транзистор побачить два струми: базовий струм, що входить в базу і повертається до 5В живлення через випромінювач, і струм колектора, що надходить в колектор, а також повертається до акумулятора через випромінювач. Оскільки струми мають загальний випромінювач (його називають загальною схемою випромінювачів ), там будуть підключені обидва джерела живлення.

Як базовий струм знає, яким шляхом піти, коли він виходить з транзистора через випромінювач? Струм може протікати лише в замкнутому контурі, від плюсу від джерела живлення до мінуса. Базовий струм починався від +5 В, тому він не закривав би контур, коли він піде шляхом заземлення батарей.

$\frac{5V-0.7V}{R1}$

$h_{FE}$$h_{FE}$

$\frac{4.3 V}{0.175 mA}$

Виберемо резистор 10 кОм. Це набагато нижче значення, ніж нам потрібно, але ми будемо в порядку. Базовий струм становитиме близько 0,5 мА, яке Arduino буде живити радісно, ​​а транзистор намагатиметься зробити це 100 мА, але знову ж таки, він буде обмежений нашими 35 мА. Загалом, гарна ідея мати деякий запас, у випадку, якщо 5 В буде трохи менше, або які б там не були варіанти в параметрах. У нас є коефіцієнт три норми безпеки, який повинен бути нормальним.

Що з R2? Ми цього не використовували, і, здається, все гаразд. Це правильно, і це буде в більшості випадків. Коли нам це потрібно? Якщо вихідна низька напруга Arduino не опуститься нижче 0,7 В, так що транзистор також буде отримувати струм при відключенні. Це не буде так, але скажімо, що вихідна низька напруга буде триматися на 1 В. R1 і R2 утворюють резисторний дільник, і якщо ми виберемо R1 = R2, то вхід 1 В став би 0,5 В базовою напругою, і транзистор не отримав би струму.

У нас був 0,5 мА базовий струм, коли він включений, але при R2, паралельному базовому випромінювачу, ми втратимо частину цього струму. Якщо R2 дорівнює 10 кОм, він виведе 0,7 В / 10 кОм = 70 мкА. Отже наш базовий струм 500 мкА стає 430 мкА. У нас було багато запасу, так що це все ще дасть нам достатню кількість струму для активації реле.

Іншим використанням для R2 було б зливу струму витоку. Припустимо, транзистор керується джерелом струму, як фототранзистором оптрону. Якщо джерела оптопару поточні, все це перейде в базу. Якщо оптопар вимкнений, фототранзистор все одно створить невеликий струм витоку, що називається "темний струм". Часто не більше 1 мкА, але якщо ми нічого з цього не зробимо, він втече в основу і створить колекторний струм 200 мкА. Поки має бути нуль. Тому ми вводимо R2 і вибираємо для нього 68 кОм. Тоді R2 створить падіння напруги 68 мВ / мкА. До тих пір, поки падіння напруги буде менше 0,7 В, весь струм буде проходити через R2, а жоден в базу. Це при 10 мкА. Якщо струм більший, ток R2 буде відрізаний при цьому 10 мкА, а решта проходить через базу. Таким чином, ми можемо використовувати R2 для створення порогу. Темний струм не активує транзистор, оскільки занадто низький.

За винятком цього випадку R2, що керується струмом, буде дуже рідко необхідним. Тут вам це не знадобиться.

Здається, варто згадати, що якщо вам справді потрібно мати 2 окремих підстави, тоді у вас є можливість оптопарного твердотільного реле AKA. Але вони в кілька разів більш громіздкі та дорогі, ніж транзистори (все ще непогано для невеликого проекту), тому використовуйте їх лише у разі потреби.