Verwendung von NPN-Transistoren als Ein-/Ausschalter für eine LED-Schaltung

Ich habe eine sehr einfache LED-Schaltung:

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Alle D#sind 3Vx0.02A LED. Damit diese Schaltung funktioniert, benötigen wir für jedes LED-Quartett einen 25Ω-Widerstand:

Total LEDs current = 0.02A*4 = 0.08A
Voltage drop = 5V - 3V = 2V
Resistor value = 2V/0.08A = 25Ω

Ich hatte keinen 25Ω-Widerstand, also habe ich stattdessen einen 27Ω-Widerstand eingesetzt.

Jetzt möchte ich ein Arduino hinzufügen, um jedes LED-Quartett programmgesteuert ein- und ausschalten zu können. Ich möchte den Arduino nicht überlasten, also dachte ich, es wäre in Ordnung, eine externe Stromversorgung zu haben, die den LEDs den ganzen Strom gibt, den sie zum Arbeiten brauchen, ohne sich Gedanken über das Verbrennen des Arduino selbst machen zu müssen.

Ich dachte, ich könnte entweder Transistoren oder MOSFETs als logische Ein-/Ausschalter verwenden, aber ich habe mich für Transistoren entschieden, weil sie viel billiger sind als MOSFETs.

Ich habe überlegt mir eine zuzulegen 2N3904, da diese bis 200mA unterstützt und die Schaltung 0,08A pro LED-Quartett benötigt.

Soweit ich weiß, sollte die Schaltung in etwa so aussehen:

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Simulieren Sie diese Schaltung

Ich bin definitiv kein Elektronikexperte, ich nahm an, dass es so sein sollte, weil ich eine Seite ansah, die über Arduino-gesteuerte LEDs sprach, die über Transistoren als Ein- / Ausschalter verwendet wurden. Es hat nichts erklärt, es hatte nur die Schaltung, also möchte ich fragen: Warum der 10-kΩ-Widerstand? Stimmt der Wert? Brauche ich einen 1/4W 10kΩ Widerstand oder einen 1/2W Widerstand? Der 27Ω-Widerstand soll 27Ω bleiben oder geändert werden, wenn ein Transistor eingeführt wird?

Es ist normalerweise eine schlechte Idee, LEDs mit nur einem Strombegrenzungswiderstand zu gruppieren. Dies könnte zu allen möglichen Problemen wie ungleichmäßig leuchtenden LEDs führen.
Die obige Aussage ist an dieser Stelle ziemlich FUD. Wenn Sie verstehen, wie LEDs funktionieren, ist es in Ordnung, sie parallel zu schalten. Schauen Sie sich eine batteriebetriebene LED-Kette an. Alle diese LEDs sind parallel

Antworten (2)

Ihr Grundkonzept ist richtig, aber es gibt einige Probleme:

  1. Das Parallelschalten von 4 LEDs ist keine gute Idee. Es wäre besser, jeder LED einen eigenen Widerstand zu geben. Sie sagen, die LEDs fallen um 3 V ab. Stellen Sie etwa 200 mV für den gesättigten Transistor dar, der 1,8 V über dem Widerstand hinterlässt. (1,8 V)/(20 mA) = 90 Ω. Der übliche Wert von 100 Ω würde gut funktionieren.

  2. Sie müssen die Verstärkung des Transistors bei der Bestimmung seines Basiswiderstands berücksichtigen. Wie Sie sagen, wird der Transistor 80 mA passieren, wenn er eingeschaltet ist. Nehmen wir an, wir wollen den Transistor mit einem Kollektor/Basis-Strom von 20:1 betreiben, da man davon ausgehen kann, dass er mehr Verstärkung hat. Das bedeutet, dass Sie ungefähr 4 mA Basisstrom benötigen. Wenn der digitale Ausgang auf 5 V geht, wenn er hoch ist, haben Sie ungefähr 4,3 V über dem Widerstand. Das ergibt (4,3 V)/(4 mA) = 1,08 kΩ. Wir haben etwas Schlupf in den Berechnungen, also sollten 1,1 kΩ gut funktionieren.

    In jedem Fall sind 10 kΩ wahrscheinlich zu hoch. Rückwärts arbeitend, liefert das 430 µA Basisstrom, was bedeutet, dass Sie sich darauf verlassen müssen, dass der Transistor eine Verstärkung von mindestens 186 hat. Das ist weit über dem garantierten Minimum, also sind 10 kΩ eindeutig zu viel Widerstand.

was bedeutet, dass Sie sich darauf verlassen, dass der Transistor eine Verstärkung von mindestens 186 hat . Das Datenblatt besagt, dass die maximale HFE 300 beträgt. Ist diese Information nützlich? Ändert es etwas? Was bedeutet es, dass HFE@100mA so niedrig wie 30 bis 300 sein kann? Außerdem sagt das Datenblatt, dass die Kollektor- / Emitterspannung des Transistors 1 V beträgt. Bedeutet dies, dass der Transistor einen Spannungsabfall von 1 V hat, sodass ich den LED-Widerstandswert für einen Abfall von 0,8 V anstelle von 1,8 V neu berechnen muss?
Tippfehler, glaube ich, in deinem letzten Satz. Du meinst 10k und nicht 1k.
@Back: Maximale Hfe ist hier irrelevant. Wir müssen die Schaltung so entwerfen, dass sie mit der kleinsten Verstärkung arbeitet, die der Transistor haben könnte. In dieser Schaltung verursacht eine höhere Verstärkung kein Problem, und es würde mit unendlicher Verstärkung gut funktionieren.
@OlinLathrop Was ist mit der Frage zum Spannungsabfall?
Wer auch immer das abgelehnt hat, was genau ist Ihrer Meinung nach falsch, irreführend oder schlecht geschrieben? Ich sehe es nicht.
@Back: Das Datenblatt besagt, dass der Transistor eine Verstärkung von mindestens 30 haben wird, sodass die 20 I, die für das Ziel-C / B-Stromverhältnis verwendet werden, ungefähr richtig sind. Der maximale Spannungsabfall ist wahrscheinlich bei maximalem Strom. Bei nur 80 mA und richtiger Sättigung liegt er wahrscheinlich bei etwa 200 mV.
hFE=300 gilt nur als MAXIMUM und bei weniger als der Hälfte des zu schaltenden Stroms. Wir verwenden normalerweise den MINIMUM hFE-Wert als konservative Designrichtlinie. Und wir treiben den Basisstrom auf mindestens das Zweifache des Stroms, der zum Einschalten benötigt wird, damit wir den Transistor für maximale Effizienz in SÄTTIGUNG treiben und den linearen Bereich des Transistors vermeiden, um die Verlustleistung im Transistor zu minimieren = nutzlose Wärme.
@OlinLathrop Ich kann anscheinend keine 1,1-kΩ-Widerstände finden. Glaubst du, 1,2 kΩ reichen aus?
@Back: Gehen Sie zurück zu den Berechnungen, und Sie können sehen, wie viel Slop eingebaut ist. 1 kOhm ist ein sehr häufiger Wert, der gut funktionieren sollte.

Der 10K-Ohm-Widerstand dient dazu, den Strom zu reduzieren, den der Arduino-Ausgang liefern muss. Andernfalls "betrachtet" der Arduino etwa 0,6 Volt, die er versuchen wird, auf etwa 5 Volt hochzuziehen. Irgendetwas wird nachgeben müssen, und es wird wahrscheinlich die Ausgabe des Atmel-Prozessors sein.

Deshalb müssen Sie einen Widerstand durchgehen. Aber warum 10K Ohm? Die meisten gebräuchlichen Transistoren haben ein Beta von etwa 100. Das heißt, der Basis-Emitter-Strom x 100 ist etwa gleich dem Kollektor-Emitter-Strom.

Der Strom im Basis-Emitter-Pfad beträgt also ((5 V - 0,6 V) / 10.000) oder etwa 0,44 mA. Wenn Sie das mit 100 multiplizieren, erhalten Sie 44 mA für den Kollektor-Emitter-Strom. Das ist weniger als die von Ihnen berechneten 80 mA, die notwendig waren. Ihre Schaltung funktioniert also möglicherweise nicht. Um eine funktionierende Schaltung zu erstellen, sollten Sie diesen Widerstand von 10 kOhm auf 5 kOhm oder sogar 1 kOhm ändern.

Außerdem sollten Sie vermeiden, LEDs mit einem gemeinsamen Strombegrenzungswiderstand zu gruppieren. Dies kann zu mehreren Problemen führen. Eine davon könnten ungleichmäßig leuchtende LEDs sein. Betrachten Sie stattdessen das folgende Beispiel von http://playground.arduino.cc :

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn Sie mehr über die Verwendung von Transistoren als Schaltmittel erfahren möchten, lesen Sie diese Webseite .

Danke schön! Was ist mit dem Widerstand? Soll es ein 1/4W oder ein 1/2W sein? Das Datenblatt besagt auch, dass VCE 1 V beträgt: Bedeutet dies, dass ich den 27-Ω-Widerstand in einen 15-Ω-Widerstand ändern sollte (Spannungsabfall von 1 V anstelle von 2 V)?
Ich habe die Schaltung noch nicht gebaut, ich versuche zu verstehen, ob sie richtig ist, bevor ich etwas tue, auch weil ich noch einige Teile kaufen muss, also möchte ich sicher sein, dass alles korrekt ist, bevor ich kaufe. Sie sprechen von Beta : Ich kann es nicht im Datenblatt finden, ist es das HFE? Wenn ja, sagt das Datenblatt, dass der HFE bei 100 mA Kollektorstrom von mindestens 30 auf maximal 300 geht. Welchen Wert sollte ich berücksichtigen und warum?
Nun, ich denke, Ihre Schaltung wird nicht funktionieren, weil das Beta (Hfe) nur 100 beträgt und der Strom, der in die Basis fließt, zu niedrig ist, um den Durchgang von 80 mA vom Kollektor zum Emitter zu unterstützen. Wenn es also funktioniert, großartig, wenn nicht, sollten Sie den 10-kOhm-Widerstand auf 5 kOhm oder sogar 1 kOhm reduzieren. Bei 1K Ohm würde der Strom von 0,44mA auf 4,4mA ansteigen. Dies ist immer noch sehr niedrig und Sie können mit einem Widerstand mit sehr niedriger Wattzahl auskommen.
Diese Hfe-Werte sind der Bereich, den Sie möglicherweise in einer Charge von Transistoren finden. Auch hier interessieren Sie sich hauptsächlich für Cut-Off und Sättigung. (Wir bauen hier keinen High-End-Verstärker mit Transistoren mit passenden Hfes.) Alles, was Sie tun müssen, ist sicherzustellen, dass die Schaltung funktioniert. Die Verwendung von 10 K Ohm kann funktionieren oder auch nicht, die Verwendung von 5 K Ohm funktioniert möglicherweise und die Verwendung von 1 K Ohm wird wahrscheinlich funktionieren.
Ok das ist klar. Letzte Frage (im ersten Kommentar): Im Moment hat der LED-Widerstand einen Spannungsabfall von 1,8 V; Das Datenblatt besagt, dass die Kollektor- / Emitterspannung für den Transistor 1 V beträgt. Bedeutet dies, dass der Transistor einen Spannungsabfall von 1 V hat und ich den LED-Widerstandswert für einen Spannungsabfall von 0,8 V anstelle von 1,8 V neu berechnen sollte?
Hmm, ich sage immer noch, Sie brauchen individuelle Begrenzungswiderstände. In diesem Fall wären Sie weniger besorgt über den Spannungsabfall von Emitter zu Kollektor, da der Abfall über dem Widerstand viel größer wäre (einfacher zu steuern). Ich denke jedoch, dass die Vec bei Sättigung des Transistors nahe 0,1 V liegen wird. Wenn es nicht gesättigt ist, wird Vec wahrscheinlich höher sein. Wenn Sie mehr über die Verwendung von Transistoren als Schalter erfahren möchten, versuchen Sie es auf dieser Webseite .
Verwendung von NPN-Transistoren als Ein-/Ausschalter für eine LED-Schaltung
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