Welchen Zweck hat in dieser Transistorschaltung die Diode über dem Motor?

1. Die Diode in dieser Konfiguration wird als "Flyback"-Diode bezeichnet. Ein Motor besteht aus einer Drahtspule, die effektiv ein Induktor (und ein Elektromagnet) ist. Wenn sich der Motor dreht, wird die Spule mit dem Kommutator im Motor ein- und ausgeschaltet, was Spannungsspitzen verursacht. Die Diode bietet einen Weg für diese Energie, sodass sie in die +5-V-Schiene abgeleitet werden kann, anstatt an einen weniger vorhersehbaren Ort zu gehen. Sie finden diese Dioden auch über Relaisspulen. Normalerweise setzt man auch einen Kondensator auf die 5-V-Schiene, um die Spitzen weiter zu absorbieren (sonst bekommt man überall Rauschen). HINWEIS: Ihre Frage lautet "Pin 9-Stromquelle". Das ist falsch, siehe nächste Frage.

2. Ja, aber nicht sehr aktuell. Das ist der Zweck dieser Schaltung. Zur Steuerung eines Motors kann sehr wenig Strom (uA oder mA) verwendet werden (~ 200 mA mit diesem Transistor von + 5 V durch den Motor). Nur etwa 330uA (näher wahrscheinlich an 270uA ... ich habe keine Zahlen in einen Taschenrechner eingegeben) werden von Pin 9 durch den Transistor in Masse fließen. Der Strom für den Motor kommt von der +5V-Schiene.

3. Das ist richtig. Wenn man mit jemandem spricht, fließt Strom immer vom hohen Potential (+) zum niedrigen Potential (-), obwohl die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung gehen. Wirklich, es ist nur eine Konvention, damit alle Zeichen funktionieren.

Um diesen Trick zu verstehen, muss sich ein Anfänger vorstellen, was die Spannungen sind (Größe und Polarität) und wo die Ströme fließen (Richtung und Weg). Ich weiß das aus meiner persönlichen Erfahrung; Deshalb habe ich diese unsichtbaren elektrischen Größen in den Bildern unten durch Spannungsbalken (in rot) und Stromschleifen (in grün) visualisiert. Ich habe die ähnliche, aber einfachere Konfiguration mit einem Induktor (z. B. einer Relaisspule) in Betracht gezogen, aber sie kann auch auf den Motor angewendet werden.

1. Der Schlüssel zum intuitiven Verständnis induktiver Schaltungen besteht darin, sich den Induktor als eine "wiederaufladbare Stromquelle" vorzustellen. Wenn also der Transistor T eingeschaltet wird (Fig. 1), wird die Versorgungsspannung an die Induktivität L angelegt und sie beginnt sich zu laden. Die jetzige$I_{CH}$steigt allmählich von Null auf sein Maximum an (bestimmt durch den Innenwiderstand der Spule). Beachten Sie, dass das Vorzeichen der Spannung am Induktoreingang positiv ist, da es als Last wirkt.

2. Wenn der Transistor abschaltet (Abb. 2) ... und keine Diode angeschlossen ist, "will" die Induktivität, die sich wie eine Stromquelle verhält, denselben Strom durchlassen. Erstens kehrt er die Polarität seiner internen Spannung um$V_L$(Gegen-EMK); Wenn der Stromkreis geöffnet ist, beginnt er dann, diese Spannung zu erhöhen, in der Hoffnung, den Strom durch den Transistor zu leiten. Damit übersteigt seine Spannung die Versorgungsspannung um ein Vielfaches und addiert sich dazu. Es ist, als ob der Transistor von einem Verbundnetzteil mit sehr hoher Spannung versorgt wird ... und wenn seine maximale Spannung nicht hoch genug ist, geht er kaputt.

3. Wenn eine Diode D parallel zur Spule geschaltet wurde (Abb. 3), bietet sie einen Weg für ihren Strom$I_{DSCH}$... und die Spule entlädt sich schnell dadurch. Jetzt wird die Versorgungsspannung nur noch begrenzt$V_{CC} + V_F$, was für den Transistor sicher ist.

Als kleine Randbemerkung dachte ich, ich sollte Tony Stewarts Kommentar verstärken.

Die Schaltung, die Sie betrachten, ist im Prinzip vollkommen in Ordnung, aber sie kann nur für die kleinsten Motoren verwendet werden.

Sagen Sie es so - um viel Strom (und damit viel Drehmoment oder Leistung) vom Motor zu bekommen, muss die Spannung so nahe wie möglich an 5 Volt liegen. Das bedeutet, dass die Spannung am Transistor (Vce) so niedrig wie möglich sein muss und auf jeden Fall weniger als 1 Volt betragen muss. Beachten Sie zusätzlich zu diesem offensichtlichen Problem, dass die im Transistor verbrauchte Leistung das Produkt aus der Spannung (Vce) und dem Strom (meistens Kollektorstrom) ist.

Das ist durchaus möglich, aber es gibt Grenzen. Das Wichtigste ist, dass, wenn der Transistor mit sehr niedriger Vce (typischerweise weniger als einem Volt) betrieben wird, seine Verstärkung erheblich abfällt. Die allgemeine Faustregel für diesen als Sättigung bezeichneten Zustand ist ein Gewinn von 10 bis 20, wobei Sie genau auswählen können, wie optimistisch Sie sein möchten. Der konservative Wert ist 10. Bei diesem Wert können Sie Vce's von ungefähr 0,2 Volt erwarten - solange Sie beachten, dass dies einen bestimmten Strompegel impliziert.

Betrachten Sie nun Ihre Schaltung. Wenn Pin 9 eine maximale Spannung von 3,3 Volt hat, beträgt die Spannung am Basiswiderstand etwa 3,3 - 0,6 Volt oder etwa 2,7 Volt. Die 0,6 kommt vom Basis-Emitter-Spannungsabfall. 2,7 Volt geteilt durch 10 k ergibt einen Basisstrom von etwa 270 uA. Das Ansteuern der Basis mit diesem Strom ergibt einen maximalen Kollektorstrom von etwa 2,7 mA oder 5,4 mA bei einer Sättigungsverstärkung von 20. Wenn der Transistor vollständig "EIN" ist, beträgt Vce etwa 0,2 Volt. Die maximal für den Motor verfügbare Leistung beträgt also etwa 4,8 Volt mal 2,7 bis 5,4 mA oder etwas in der Größenordnung von 13 bis 26 mW. Nur als Referenzpunkt: 1 PS entspricht etwa 750 Watt, Sie sprechen also von 17 bis 34 Mikro-PS.

Das ist kaum nutzlos; Mit einem Motor mit geringer Leistung können Sie einen kleinen Indikator ganz gut drehen. Es ist nur so, dass Sie (zum Beispiel) kein Fahrzeug bauen können und auch keine Lasten mit einem Flaschenzug heben können.

Wenn Sie Ihre Schaltung tatsächlich bauen möchten, was benötigen Sie für einen Motor? Es muss für 5 Volt oder mehr ausgelegt sein, mit so nahe wie möglich an 5 Volt. Kaufen Sie sich ein billiges DMM (Digitalmultimeter) für 10 bis 20 Dollar und messen Sie den Widerstand des Motors. Er muss in der Größenordnung von 900 bis 2 kOhm oder mehr liegen. Widerstand ist gleich Spannung über Strom. 4,8 Volt geteilt durch 0,0027 bis 0,0054 ergeben die Zahlen (denken Sie daran, dass wir von mA und nicht von Ampere gesprochen haben).

Offensichtlich können Sie mehr Strom erhalten, indem Sie den Transistor härter ansteuern, und Sie tun dies, indem Sie den Basiswiderstand verringern. Beachten Sie jedoch, dass der Arduino irgendwann nicht mehr in der Lage sein wird, genügend Strom von Pin 9 zu treiben, und die Spannung am Pin beginnt zu fallen. Sie sollten den Widerstand auf 1 k und möglicherweise auf etwa 330 Ohm reduzieren können, was zu einer Erhöhung des Transistor- (und Motor-) Stroms führt. Ich ermutige Sie, dies systematisch zu untersuchen. Überprüfen Sie dabei auch regelmäßig die Temperatur des Transistors. 2N3904s sind keine Hochleistungsgeräte, wundern Sie sich also nicht, wenn es heiß wird. Glücklicherweise sind sie auch sehr billig, also werden Sie nicht zu paranoid, wenn Sie ein paar verbrennen.

Im schlimmsten Fall erfahren Sie von Magic Smoke. Wussten Sie, dass Transistoren tatsächlich durch Magie funktionieren? In der Mitte jedes Transistors befindet sich eine kleine Tasche Magic Smoke. Wenn Sie den Magic Smoke herauslassen, hört der Transistor auf zu arbeiten, und dies beweist, dass der Magic Smoke dafür gesorgt hat, dass er funktioniert.

Rechts?

Um Ihre Fragen zu beantworten: Die Schaltung funktioniert zwar ohne die Diode, ihr Zweck besteht jedoch darin, die empfindlichen elektronischen Komponenten vor sehr hohen Spannungsspitzen zu schützen, die vom Motor beim Abschalten kommen. Sehen Sie, die Wicklungen des Motors wirken nicht nur als Elektromagnet, sondern auch als Induktor, der in seinem Magnetfeld viel Energie speichert. Wenn die Stromversorgung des Motors abgeschaltet wird, bricht dieses Feld zusammen und entlädt seine gesamte gespeicherte Energie in einem großen Stoß zurück in den Stromkreis, wodurch die elektronischen Komponenten beschädigt werden können. Die Diode fungiert dann als "Kurzschluss" für den Motor und bietet den Wicklungen einen Weg zum Entladen, ähnlich wie ein Ableitwiderstand über einem großen Kondensator.

Als nächstes wurde in Bezug auf die Richtung des Stroms historisch angenommen, dass Strom von Punkten mit + Ladung zu Punkten mit - Ladung fließt, es wurde jedoch schließlich entdeckt, dass Elektronen selbst tatsächlich von - zu + Punkten fließen. Dieses Konzept wird als "Elektronenstrom" bezeichnet, während die ursprüngliche Idee als "konventioneller Strom" bezeichnet wird.

Da die zur Berechnung elektronischer Werte verwendeten Formeln mit der Weisheit der damaligen Zeit entwickelt wurden, wird beim Entwerfen neuer Schaltungen immer noch häufig "herkömmlicher Strom" verwendet.

Daher wäre es richtiger zu sagen, dass Strom von Masse durch den Emitter zu Pin 9 fließt, obwohl die Unterscheidung in Wirklichkeit eher akademisch ist; was auch immer Sie glauben, es "funktioniert einfach". Hoffe, das hilft - lerne weiter und genieße dieses faszinierende Studiengebiet!

Alle Antworten hier betonen, dass induktive Lasten wie ein Motor eine Energielast tragen, die die Flyback-Diode entlädt. Dies ist hier nicht der Fall, und Flyback-Dioden werden vergleichsweise kleine Geräte sein, die offensichtlich nicht in der Lage sind, viel Energie zu emittieren.

Hier geht es darum, dass sich abgeschaltete Induktivitäten als Stromquellen addieren und ihren aktuellen Strom beibehalten. Selbst wenn dieser Strom niedrig ist, wenn er einen unendlichen Widerstand hat, gegen den man arbeiten kann, kann die resultierende Spannung beliebig groß werden, wie eine statische Entladung beim Gehen über einen Kunststofffaserteppich. Allein die entstehende Spannung zerstört Schaltkreise.

Die Flyback-Diode stellt einen Pfad bereit, über den der Strom weiter fließen kann. Da die Spannung darüber niedrig ist (idealerweise Null), wird hier nicht viel Energie vernichtet: Die Masse zerstreut sich im Widerstand der Motorspulen. Je nach Größe und Art und Belastung des Motors kann der Motor jedoch als ziemlich große Induktivität wirken, da er nicht nur elektrische Feldenergie, sondern im ausgeschalteten Zustand auch mechanische Energie an seine Eingänge zurückspeist. Im Allgemeinen würde die Flyback-Diode ähnlich wie der Ansteuertransistor dimensioniert werden.

Denken Sie daran, dass das Kurzschließen eines Induktors sein Leerlaufmodus ist, während ein offener Stromkreis die gespeicherte Energie sofort aus dem Magnetkreis des Induktors verdrängt. Die Flyback-Diode schützt also nicht nur den Ansteuertransistor, sondern auch den Induktor selbst, bei dem sonst Funken durch die Isolierung seiner Spulen brechen und ihn somit beschädigen könnten.

Angenommen, der Motor dreht ein Schwungrad. Wenn der Strom abgeschaltet wird, leitet die Diode die Energie zurück durch die Spulen des Motors, um die erzeugte Elektrizität kurzzuschließen oder aufzuheben.