In un circuito commutato da un transistor NPN, l'alimentazione e l'ingresso necessitano della stessa messa a terra?

Sto cercando di creare un circuito che mi permetta di accendere un relè che accenderà un LED. Tuttavia, il relè ha una tensione nominale di 12 V e ho solo un ingresso di 5 V, quindi sto usando un transistor NPN . per accendere e spegnere il relè. Ecco lo schema:

Tuttavia, sono confuso su alcune cose (nota che la terra sia per l'alimentazione a 12 V che per l'alimentazione a 5 V non è specificata):

1. Se il mio alimentatore a 5 V è un Arduino, posso usare la terra per quella per la terra dell'alimentatore a 12 V?

2. Va bene che la base e l'emettitore abbiano motivi diversi sul transistor? O devono essere uguali?

3. Se il mio alimentatore da 12 V è composto da 8 batterie AA (non sostenibili, ma lo sto usando solo per i test), come lo collegherei alla stessa terra dell'arduino, invece del lato negativo delle batterie?

4. Come posso capire cosa dovrebbero essere R1 e R2, in base al transistor? Ho letto alcune cose online, ma sono ancora confuso.

5. Ci sono altre cose che non sto prendendo in considerazione che dovrei essere?

Sono completamente nuovo a questo, quindi ogni aiuto è molto apprezzato.

1. Sì, è necessario collegare le masse 5V e 12V in questo circuito per consentire il passaggio del transistor. Ricorda che deve esserci un percorso di ritorno per la corrente di base. Non è possibile inviare un segnale utilizzando solo 1 filo.

2. Vedi sopra, l'emettitore deve usare la stessa terra della sorgente del segnale (Arduino) o non esiste un percorso di ritorno.

3. Collegare il terminale negativo della batteria inferiore (supponendo che ne siano disponibili 8 in serie) alla terra di Arduino.
   "Terra" è solo un termine per indicare un punto di riferimento per misurare le tensioni nel proprio circuito, è possibile selezionare qualsiasi punto (anche se di solito è una rete collegata al terminale negativo di un alimentatore). Ad esempio, è possibile chiamare il punto a cui si connette il terminale positivo nel circuito "terra", e quindi la "terra originale" (la terra come mostrato nel circuito) sarebbe -12 V rispetto ad esso. Il terminale negativo non significa che la tensione è negativa, ti dice solo in che modo scorre la corrente.

4. (a) R1 deve limitare la corrente alla base del transistor. Per calcolare il valore, dobbiamo sapere quanta corrente stiamo commutando (cioè quanto il relè ha bisogno) e il guadagno di corrente del transistor. Diciamo che stiamo usando un transistor con un guadagno di corrente di 200 e che il relè ha bisogno di 20 mA per commutare. Poiché la corrente attraverso la base è amplificata dal guadagno di corrente, sappiamo che la corrente di base deve essere almeno 20 mA / 200 = 0,1 mA.
   La tensione di base di un tipico transistor bipolare è di circa 0,7 V, quindi il resistore serie (R1) deve essere un massimo di: (5 V - 0,7 V) / 0,1 mA = 43 kΩ
   Dato che il guadagno può variare (passare dal valore minimo nel foglio dati per sicurezza) possiamo scegliere un 33kΩ per avere un po 'di corrente di base da risparmiare. Si noti che per essere un interruttore efficace vogliamo che il transistor si saturi, poiché il guadagno effettivo inizia a scendere al ginocchio tra la modalità lineare e quella di saturazione (come indicato da Shokran). Quindi scegliamo un resistore di valore inferiore a quello calcolato per assicurarci di poter avvicinare il collettore a terra. In casi come ad esempio transistor di potenza in cui è importante ridurre al minimo la dissipazione, è consigliabile scegliere un valore almeno 5 volte inferiore a quello calcolato (o assumere un guadagno di ~ 20) in modo da poter scendere a 4,3k nell'esempio precedente.

   (b) R2 è lì per assicurarsi che la base sia tirata a terra quando viene rimossa la corrente del convertitore. Questo serve a fermare la corrente di dispersione accendendo parzialmente il transistor. Non è necessario che il valore sia troppo preciso, quanto basta per deviare la corrente di dispersione (scheda tecnica) e non troppo basso per rubare troppa corrente di azionamento di base. 5-10 volte il resistore serie (o da 1kΩ a 500kΩ) è un intervallo approssimativo da cui partire. 100k e Omega sono un valore ragionevole per la maggior parte dei casi, anche se qui andrei per 330k poiché la corrente di dispersione dovrebbe essere minima. Se è necessario scendere molto più in basso, è necessario regolare la resistenza in serie per compensare.
   Si noti che se il pin di Arduino è portato a 0 V (cioè impostato su output e 0 logico), R2 non è realmente necessario, è solo se il pin è impostato su High Impedance (cioè input)
   Nota 2: che raramente si tratta di qualcosa di cui preoccuparsi con i BJT (i MOSFET sono un'altra cosa e sicuramente non vogliono essere lasciati galleggianti) Se si dispone di un transistor a guadagno molto elevato (esp darlington), un ambiente rumoroso e / o molto alta temperatura (la perdita aumenta con la temperatura) e una resistenza del collettore molto alta può causare problemi, ma generalmente la corrente di dispersione sarà troppo piccola per la materia.

5. Non che ora riesca a individuare (tuttavia sono le 4:48 del mattino qui, quindi il mio cervello potrebbe essere in pensione da molto tempo, quindi mi riservo il diritto di aver perso qualcosa di ovvio ;-))

1), 2) e 3)
Se si utilizzano alimentatori diversi in un circuito, è necessario collegarli in un modo o nell'altro in modo che abbiano un riferimento comune. Collegherai quasi sempre i motivi, poiché sono il tuo riferimento. La tensione è relativa: se si prende il plus delle batterie come riferimento, il negativo sarà a -12 V, se si prende il meno come riferimento il plus sarà a +12 V. Pochi circuiti useranno il plus come riferimento, ci piace migliori tensioni positive. Quindi il meno delle batterie va a terra di Arduino.

Perché devono essere collegati? Il transistor vedrà due correnti: una corrente di base, che entra nella base e ritorna all'alimentazione a 5 V attraverso l'emettitore, e una corrente del collettore che entra nel collettore e inoltre ritorna alla batteria tramite l'emettitore. Poiché le correnti hanno in comune l'emettitore (si chiama un circuito di emettitore comune ) che sarà dove saranno collegati entrambi gli alimentatori.

Come fa la corrente di base a sapere da che parte andare quando esce dal transistor tramite l'emettitore? La corrente può fluire solo in un circuito chiuso, dal vantaggio dell'alimentazione al meno. La corrente di base è iniziata a +5 V, quindi non chiudeva il circuito quando andava a terra delle batterie.

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

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

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

Scegliamo una resistenza da 10 kΩ. È un valore molto più basso di quello di cui avevamo bisogno, ma staremo bene. La corrente di base sarà di circa 0,5 mA, che Arduino fornirà felicemente e il transistor proverà a produrre quei 100 mA, ma ancora una volta sarà limitato ai nostri 35 mA. In generale è una buona idea avere un margine, nel caso in cui il 5 V sarebbe un po 'meno, o qualunque variazione ci possano essere altri parametri. Abbiamo un margine di sicurezza di fattore tre, che dovrebbe essere OK.

Che mi dici di R2? Non l'abbiamo usato e tutto sembra essere a posto. Esatto, e lo sarà nella maggior parte dei casi. Quando ne avremmo bisogno? Se la bassa tensione di uscita dell'Arduino non scendesse al di sotto di 0,7 V in modo che anche il transistor riceva corrente quando è spento. Non sarà così, ma supponiamo che la bassa tensione di uscita si attacchi a 1 V. R1 e R2 formino un divisore di resistenza, e se scegliamo R1 = R2, l'ingresso 1 V diventerebbe una tensione di base di 0,5 V e il il transistor non riceve corrente.

Avevamo una corrente di base di 0,5 mA quando accesa, ma con R2 parallelo all'emettitore di base perderemo una parte di quella corrente lì. Se R2 è 10 kΩ, assorbirà 0,7 V / 10 kΩ = 70 µA. Quindi la nostra corrente di base di 500 µA diventa 430 µA. Avevamo un sacco di margine, quindi ci avrebbe comunque dato abbastanza corrente per attivare il relè.

Un altro uso di R2 sarebbe quello di scaricare la corrente di dispersione. Supponiamo che il transistor sia pilotato da una sorgente di corrente, come un fototransistor di un fotoaccoppiatore. Se il fotoaccoppiatore si attiva, andrà tutto nella base. Se il fotoaccoppiatore è spento, il fototransistor creerà comunque una piccola corrente di dispersione, quella che viene chiamata "corrente oscura". Spesso non più di 1 µA, ma se non facciamo nulla, fluirà nella base e creerà una corrente di collettore di 200 µA. Mentre dovrebbe essere zero. Quindi introduciamo R2 e scegliamo un 68 kΩ per questo. Quindi R2 creerà una caduta di tensione di 68 mV / µA. Finché la caduta di tensione è inferiore a 0,7 V, tutta la corrente passerà attraverso R2 e nessuna nella base. Questo è a 10 µA. Se la corrente è maggiore, la corrente di R2 verrà troncata a quel 10 µA e il resto passa attraverso la base. Quindi possiamo usare R2 per creare una soglia. La corrente oscura non attiverà il transistor, perché troppo basso.

Tranne che per questo caso di R2 guidato dalla corrente sarà molto raramente necessario. Non ti servirà qui.

Sembra degno di nota il fatto che se hai davvero bisogno di avere 2 motivi separati, allora hai l'opzione di un relè a stato solido AKA optoaccoppia. Ma questi sono molte volte più voluminosi e costosi dei transistor (ancora non male per un piccolo progetto) quindi usali solo se veramente necessari.