Benötigen Stromversorgung und Eingang in einer Schaltung, die von einem NPN-Transistor geschaltet wird, dieselbe Masse?

Ich versuche, eine Schaltung zu erstellen, mit der ich ein Relais einschalten kann, das eine LED einschaltet. Das Relais ist jedoch für 12 V ausgelegt, und ich habe nur einen Eingang von 5 V, daher verwende ich einen NPN-Transistor . um das Relais ein- und auszuschalten. Hier ist der Schaltplan:

Ich bin jedoch in einigen Punkten verwirrt (Beachten Sie, dass die Erdung sowohl für das 12-V-Netzteil als auch für das 5-V-Netzteil nicht spezifiziert ist):

1. Wenn mein 5-V-Netzteil ein Arduino ist, kann ich die Erdung dafür für die Erdung des 12-V-Netzteils verwenden?

2. Ist es in Ordnung, wenn die Basis und der Emitter unterschiedliche Erdungen am Transistor haben? Oder müssen sie gleich sein?

3. Wenn mein 12-V-Netzteil aus 8 AA-Batterien besteht (nicht nachhaltig, aber ich verwende es nur zum Testen), wie würde ich das an dieselbe Masse wie das Arduino anschließen, anstatt an die negative Seite der Batterien?

4. Wie kann ich anhand des Transistors herausfinden, wie R1 und R2 aussehen sollten? Ich habe einige Dinge online gelesen, bin aber immer noch verwirrt.

5. Gibt es andere Dinge, die ich nicht berücksichtige, die ich sein sollte?

Ich bin völlig neu in diesem Bereich, daher wird jede Hilfe sehr geschätzt.

1. Ja, Sie müssen die 5-V- und 12-V-Erdung in dieser Schaltung anschließen, damit der Transistor schaltet. Denken Sie daran, dass es einen Rückweg für den Basisstrom geben muss. Sie können kein Signal mit nur 1 Draht senden.

2. Siehe oben, der Emitter muss dieselbe Masse wie die Signalquelle (Arduino) verwenden, sonst gibt es keinen Rückweg.

3. Verbinden Sie den Minuspol der unteren Batterie (vorausgesetzt, Sie haben 8 in Reihe) mit der Arduino-Masse.
   "Masse" ist nur ein Begriff für einen Referenzpunkt zum Messen von Spannungen in Ihrem Stromkreis. Sie können einen beliebigen Punkt auswählen (obwohl es sich normalerweise um ein Netz handelt, das an den Minuspol einer Versorgung angeschlossen ist). Zum Beispiel könnten Sie den Punkt, an den der Pluspol im Stromkreis angeschlossen ist, als "Masse" bezeichnen, und dann wäre die "ursprüngliche Masse" (die Masse, wie in Ihrem Stromkreis gezeigt) -12 V relativ dazu. Der negative Anschluss bedeutet nicht, dass die Spannung negativ ist, sondern zeigt nur an, in welche Richtung der Strom fließt.

4. (a) R1 soll den Strom zur Basis des Transistors begrenzen. Um den Wert zu berechnen, müssen wir wissen, wie viel Strom wir schalten (dh wie viel das Relais benötigt) und welche Stromverstärkung der Transistor hat. Nehmen wir an, wir verwenden einen Transistor mit einer Stromverstärkung von 200, und das Relais benötigt 20 mA zum Schalten. Da der Strom durch die Basis durch die Stromverstärkung verstärkt wird, wissen wir, dass der Basisstrom mindestens 20 mA / 200 = 0,1 mA betragen muss.
   Die Basisspannung eines typischen Bipolartransistors liegt bei etwa 0,7 V, daher muss der Vorwiderstand (R1) maximal betragen: (5 V - 0,7 V) / 0,1 mA = 43 kΩ
   Da die Verstärkung variieren kann (gehen Sie aus Sicherheitsgründen vom Mindestwert im Datenblatt ab), können Sie 33 kΩ auswählen, um einen Basisstrom zu sparen. Beachten Sie, dass der Transistor als effektiver Schalter gesättigt werden soll, da die effektive Verstärkung am Knie zwischen linearem und Sättigungsmodus abfällt (wie von Shokran erwähnt). Wir wählen also einen Widerstand mit einem niedrigeren Wert als berechnet, um sicherzustellen, dass wir den Kollektor in Bodennähe ziehen können. In Fällen mit z. B. Leistungstransistoren, in denen die Minimierung der Verlustleistung wichtig ist, ist es ratsam, einen Wert zu wählen, der mindestens fünfmal niedriger als berechnet ist (oder eine Verstärkung von ~ 20 annimmt), damit im obigen Beispiel nur 4,3 k erreicht werden.

   (b) R2 dient dazu, sicherzustellen, dass die Basis gegen Masse gezogen wird, wenn der Antriebsstrom entfernt wird. Dies dient dazu, den Leckstrom zu stoppen, indem der Transistor teilweise eingeschaltet wird. Der Wert muss nicht zu genau sein, gerade genug, um den Leckstrom (Datenblatt) zu überbrücken, und nicht zu niedrig, um zu viel Basisantriebsstrom zu stehlen. Das 5- bis 10-fache des Vorwiderstands (oder 1 kΩ bis 500 kΩ) ist ein ungefährer Bereich. 100k & Omega ist in den meisten Fällen ein vernünftiger Wert, obwohl ich hier 330k wählen würde, da der Leckstrom minimal sein sollte. Wenn Sie viel tiefer gehen müssen, müssen Sie den Vorwiderstand einstellen, um dies zu kompensieren.
   Beachten Sie, dass wenn der Arduino-Pin auf 0 V angesteuert wird (dh auf Ausgang und logische 0 eingestellt ist), R2 nicht wirklich notwendig ist, sondern nur, wenn der Pin auf Hochimpedanz (dh Eingang) eingestellt ist.
   Hinweis 2 - dass dies bei BJTs sehr selten zu befürchten ist (MOSFETs sind eine andere Sache und möchten definitiv nicht schweben). Wenn Sie einen Transistor mit sehr hoher Verstärkung (insbesondere Darlington), eine verrauschte Umgebung und / oder sehr viel haben Hohe Temperatur (Leckage steigt mit der Temperatur) und ein sehr hoher Kollektorwiderstand können zu Problemen führen, aber im Allgemeinen ist der Leckstrom zu gering, um eine Rolle zu spielen.

5. Nicht, dass ich es jetzt erkennen könnte (es ist jedoch 4:48 Uhr morgens hier, so dass mein Gehirn längst in Rente gegangen ist, also behalte ich mir das Recht vor, etwas Offensichtliches verpasst zu haben ;-))

1), 2) und 3)
Wenn Sie in einem Stromkreis unterschiedliche Netzteile verwenden, müssen Sie diese auf die eine oder andere Weise anschließen, damit sie eine gemeinsame Referenz haben. Sie werden fast immer Erdungen verbinden, da diese Ihre Referenz sind. Die Spannung ist relativ: Wenn Sie das Plus der Batterien als Referenz nehmen, liegt das Minus bei -12 V, wenn Sie das Minus als Referenz nehmen, liegt das Plus bei +12 V. Nur wenige Schaltkreise verwenden das Plus als Referenz, wie wir möchten positive Spannungen besser. Das Minus der Batterien geht also auf den Boden des Arduino.

Warum müssen sie verbunden werden? Ihr Transistor sieht zwei Ströme: einen Basisstrom, der in die Basis eintritt und über den Emitter zur 5-V-Versorgung zurückkehrt, und einen Kollektorstrom, der in den Kollektor eintritt und über den Emitter ebenfalls zur Batterie zurückkehrt. Da die Ströme den Emitter gemeinsam haben (es wird als gemeinsamer Emitterkreis bezeichnet), werden dort beide Stromversorgungen angeschlossen.

Woher weiß der Basisstrom, welchen Weg er gehen muss, wenn er den Transistor über den Emitter verlässt? Strom kann nur in einem geschlossenen Kreislauf fließen, vom Plus von der Stromversorgung zum Minus. Der Basisstrom begann bei +5 V, sodass die Schleife nicht geschlossen wurde, wenn sie den Weg der Batteriemasse ging.

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

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

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

Wählen wir einen 10 kΩ Widerstand. Das ist ein viel niedrigerer Wert als wir brauchten, aber wir werden in Ordnung sein. Der Basisstrom wird ungefähr 0,5 mA betragen, den der Arduino gerne liefert, und der Transistor wird versuchen, diese 100 mA zu erzeugen, aber auch hier wird er auf unsere 35 mA begrenzt sein. Im Allgemeinen ist es eine gute Idee, einen gewissen Spielraum zu haben, falls die 5 V etwas geringer wären oder welche Abweichungen es sonst in den Parametern geben könnte. Wir haben einen Sicherheitsabstand von Faktor drei, der in Ordnung sein sollte.

Was ist mit R2? Das haben wir nicht benutzt und alles scheint in Ordnung zu sein. Das ist richtig und wird es in den meisten Fällen sein. Wann würden wir es brauchen? Wenn die Ausgangsspannung des Arduino nicht unter 0,7 V fallen würde, würde der Transistor auch im ausgeschalteten Zustand Strom erhalten. Das wird nicht der Fall sein, aber nehmen wir an, die Ausgangsspannung würde bei 1 V bleiben. R1 und R2 bilden einen Widerstandsteiler, und wenn wir R1 = R2 wählen, wird der 1-V-Eingang zu 0,5 V Basisspannung und die Transistor würde keinen Strom bekommen.

Wir hatten im eingeschalteten Zustand einen Basisstrom von 0,5 mA, aber mit R2 parallel zum Basisemitter verlieren wir dort einen Teil dieses Stroms. Wenn R2 10 kΩ beträgt, werden 0,7 V / 10 kΩ = 70 µA gezogen. Unser Basisstrom von 500 µA beträgt also 430 µA. Wir hatten viel Spielraum, so dass wir immer noch genug Strom haben, um das Relais zu aktivieren.

Eine andere Verwendung für R2 wäre das Ablassen von Leckstrom. Angenommen, der Transistor wird von einer Stromquelle wie dem Fototransistor eines Optokopplers angesteuert. Wenn der Optokoppler Strom liefert, geht alles in die Basis. Wenn der Optokoppler ausgeschaltet ist, erzeugt der Fototransistor immer noch einen kleinen Leckstrom, den sogenannten "Dunkelstrom". Oft nicht mehr als 1 µA, aber wenn wir nichts dagegen tun, fließt es in die Basis und erzeugt einen Kollektorstrom von 200 µA. Während es Null sein sollte. Also führen wir R2 ein und wählen dafür 68 kΩ. Dann erzeugt R2 einen Spannungsabfall von 68 mV / µA. Solange der Spannungsabfall weniger als 0,7 V beträgt, fließt der gesamte Strom durch R2 und keiner in die Basis. Das ist bei 10 µA. Wenn der Strom höher ist, wird der Strom von R2 bei diesen 10 µA abgeschnitten, und der Rest fließt durch die Basis. Wir können also R2 verwenden, um einen Schwellenwert zu erstellen. Der Dunkelstrom aktiviert den Transistor nicht, weil er zu niedrig ist.

Mit Ausnahme dieses Falles wird stromgesteuertes R2 sehr selten notwendig sein. Du wirst es hier nicht brauchen.

Erwähnenswert scheint, dass Sie, wenn Sie wirklich zwei separate Gründe benötigen, die Option eines Optoelement-AKA-Halbleiterrelais haben. Diese sind jedoch um ein Vielfaches sperriger und teurer als Transistoren (für ein kleines Projekt immer noch nicht schlecht). Verwenden Sie sie daher nur, wenn sie wirklich benötigt werden.