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

1. Ja, Sie müssen die 5-V- und 12-V-Masse in dieser Schaltung verbinden, 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 die gleiche Masse wie die Signalquelle (Arduino) verwenden oder es gibt 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 mit dem Minuspol einer Versorgung verbunden ist). Zum Beispiel könnten Sie den Punkt, mit dem der positive Anschluss in der Schaltung verbunden ist, als "Masse" bezeichnen, und dann wäre die "ursprüngliche Masse" (die Masse, wie in Ihrer Schaltung gezeigt) -12 V relativ dazu. Der Minuspol bedeutet nicht, dass die Spannung negativ ist, er sagt nur, 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 die Stromverstärkung des Transistors. 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 beträgt 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 sicherheitshalber vom Mindestwert im Datenblatt aus), können wir 33 kΩ auswählen, um etwas Basisstrom übrig zu haben. Beachten Sie, dass wir für einen effektiven Schalter wollen, dass der Transistor gesättigt ist, da die effektive Verstärkung am Knie zwischen linearem und Sättigungsmodus abfällt (wie von Shokran erwähnt). Also wählen wir einen Widerstand mit einem niedrigeren Wert als berechnet, um sicherzustellen, dass wir den Kollektor in die Nähe von Masse ziehen können. In Fällen mit z. B. Leistungstransistoren, in denen die Minimierung der Verlustleistung wichtig ist, ist es ratsam, einen Wert von mindestens 5-mal weniger als berechnet zu wählen (oder eine Verstärkung von ~20 anzunehmen), damit wir im obigen Beispiel bis auf 4,3 k gehen könnten.

   (b) R2 ist da, um sicherzustellen, dass die Basis auf Masse gezogen wird, wenn der Treiberstrom entfernt wird. Dies dient dazu, den Leckstrom zu stoppen, der den Transistor teilweise einschaltet. Der Wert muss nicht zu genau sein, gerade genug, um den Leckstrom (Datenblatt) zu überbrücken, und nicht zu niedrig, um zu viel Basistreiberstrom zu stehlen. Das 5- bis 10-fache des Serienwiderstands (oder 1 kΩ bis 500 kΩ) ist ein grober Bereich, von dem ausgegangen werden kann. 100k&Omega ist für die meisten Fälle ein vernünftiger Wert, obwohl ich hier 330k wählen würde, da der Leckstrom minimal sein sollte. Wenn Sie viel niedriger gehen müssen, müssen Sie den Vorwiderstand anpassen, um dies zu kompensieren.
   Beachten Sie, dass, wenn der Arduino-Pin auf 0 V angesteuert wird (dh auf Ausgang und logisch 0 eingestellt ist), R2 nicht wirklich erforderlich ist, sondern nur, wenn der Pin auf High Impedance (dh Eingang) eingestellt ist.
   Hinweis 2 - dass dies bei BJTs sehr selten ein Grund zur Sorge ist (MOSFETs sind eine andere Sache und möchten definitiv nicht schwebend bleiben). Wenn Sie einen Transistor mit sehr hoher Verstärkung (insbesondere Darlington), eine laute Umgebung und / oder sehr Hohe Temperatur (Leckage steigt mit der Temperatur) und ein sehr hoher Kollektorwiderstand können Probleme verursachen, aber im Allgemeinen ist der Leckstrom zu gering, um eine Rolle zu spielen.

5. Nicht, dass ich es jetzt erkennen könnte (allerdings ist es hier 4:48 Uhr morgens, also hat sich mein Gehirn möglicherweise schon lange zurückgezogen, also behalte ich mir das Recht vor, etwas Offensichtliches übersehen zu haben ;-) )

1), 2) und 3)
Wenn Sie verschiedene Netzteile in einem Stromkreis verwenden, müssen Sie sie auf die eine oder andere Weise verbinden, damit sie eine gemeinsame Referenz haben. Sie werden fast immer Masse verbinden, da sie 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 Schaltungen verwenden das Plus als Referenz, wie wir mögen positive Spannungen besser. Das Minus der Batterien geht also auf den Boden des Arduino.

Warum müssen sie verbunden sein? Ihr Transistor sieht zwei Ströme: einen Basisstrom, der in die Basis eintritt und durch den Emitter zur 5-V-Versorgung zurückkehrt, und einen Kollektorstrom, der in den Kollektor eintritt und auch über den Emitter zur Batterie zurückkehrt. Da die Ströme den Emitter gemeinsam haben (dies wird als gemeinsame Emitterschaltung bezeichnet), werden dort beide Netzteile angeschlossen.

Woher weiß der Basisstrom, welchen Weg er gehen soll, wenn er den Transistor über den Emitter verlässt? Strom kann nur in einer geschlossenen Schleife fließen, vom Plus vom Netzteil zum Minus. Der Basisstrom begann bei +5 V, sodass er die Schleife nicht schließen würde, wenn er den Weg der Batteriemasse gehen würde.

4)
Wir lassen R2 für einen Moment weg. Da der Basis-Emitter als Diode fungiert, liegt die Basis bei etwa 0,7 V. Sie legen 5 V an, um den Transistor zu aktivieren, dann ist gemäß dem Ohmschen Gesetz der Strom durch R1 (der der Basisstrom ist).$\frac{5V-0.7V}{R1}$. Der Transistor verstärkt diesen Strom auf einen ausreichend hohen Kollektorstrom, um das Relais anzusteuern. Was ist ausreichend hoch? Daher müssen Sie das Datenblatt des Relais überprüfen. Es wird Ihnen entweder den erforderlichen Strom oder den Widerstand der Spule mitteilen, und dann können Sie den Strom wieder mit dem Ohmschen Gesetz berechnen. Ein Relais benötigt typischerweise etwa 400 mW zum Aktivieren, für ein 12-V-Relais wäre das also ein Strom von 400 mW/12 V = 35 mA. Das ist der minimale Kollektorstrom.

Um herauszufinden, wie viel Basisstrom wir benötigen, müssen wir in das Datenblatt des Transistors schauen. Nehmen wir an, ich habe 100 000 BC547B s herumliegen (das Komma habe ich bei der Bestellung vergessen) für die ich einen Verwendungszweck benötige. Die aktuelle Verstärkung wird durch die gegeben$h_{FE}$Parameter, den wir auf Seite 2 des Datenblatts finden. Für den BC547B sind das mindestens 200. (Immer Worst-Case-Werte verwenden, z$h_{FE}$das ist der Mindestwert. Wenn Sie typische Werte verwenden, haben Sie möglicherweise für einige Teile zu wenig Strom.)

Um also 35 mA Kollektorstrom zu erhalten, benötigen wir 35 mA/200 = 0,175 mA Basisstrom. Dann muss R1 sein$\frac{4.3 V}{0.175 mA}$= 24600 Ω. Das ist ein Wert, den Sie nicht finden werden, also sollten wir einen höheren oder niedrigeren Wert wählen. Wenn wir einen höheren Wert wählen, ist der Strom niedriger, auch der Kollektorstrom ist geringer und unser Relais wird möglicherweise nicht aktiviert. Es muss also niedriger sein, die 24600 Ω sind die Obergrenze. Jetzt ist nichts falsch daran, zu viel Basisstrom (im Rahmen des Zumutbaren) zu liefern; Der Kollektorstrom wird versuchen zu folgen, aber der Widerstand der Spule wird ihn begrenzen. Wenn der Widerstand der Spule 360 ​​Ω beträgt, besagt das Ohmsche Gesetz, dass Sie bei 12 V nicht mehr als 35 mA erhalten können, egal wie sehr Sie es versuchen.

Nehmen wir einen 10-kΩ-Widerstand. Das ist ein viel niedrigerer Wert als wir brauchten, aber wir werden in Ordnung sein. Der Basisstrom wird etwa 0,5 mA betragen, was der Arduino gerne liefern wird, und der Transistor wird versuchen, diese 100 mA zu erreichen, aber auch hier ist er auf unsere 35 mA begrenzt. Im Allgemeinen ist es eine gute Idee, etwas Spielraum zu haben, falls die 5 V etwas geringer ausfallen oder andere Variationen in den Parametern auftreten. Wir haben eine Sicherheitsspanne von Faktor drei, die in Ordnung sein sollte.

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

Wir hatten 0,5 mA Basisstrom im eingeschalteten Zustand, aber mit R2 parallel zum Basis-Emitter verlieren wir dort etwas von diesem Strom. Wenn R2 10 kΩ beträgt, zieht es 0,7 V/10 kΩ = 70 µA. Unser Basisstrom von 500 µA wird also zu 430 µA. Wir hatten viel Spielraum, so dass wir immer noch genug Strom haben würden, um das Relais zu aktivieren.

Eine andere Verwendung für R2 wäre das Ableiten von Leckströmen. Angenommen, der Transistor wird von einer Stromquelle angesteuert, wie der Fototransistor eines Optokopplers. 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. Obwohl 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 sind 10 µA. Wenn der Strom höher ist, wird der Strom von R2 auf diese 10 µA begrenzt, und der Rest geht durch die Basis. Wir können also R2 verwenden, um einen Schwellenwert zu erstellen. Der Dunkelstrom aktiviert den Transistor nicht, weil zu niedrig.

Abgesehen von diesem Fall wird der stromgesteuerte R2 sehr selten erforderlich sein. Du wirst es hier nicht brauchen.

Erwähnenswert scheint, dass Sie, wenn Sie wirklich 2 separate Erdungen benötigen, die Option eines Optokoppler-AKA-Halbleiterrelais haben. Aber diese sind um ein Vielfaches sperriger und teurer als Transistoren (immer noch nicht schlecht für ein kleines Projekt), also nur verwenden, wenn es wirklich nötig ist.