Wie kann ich einen Transistor (2n2222) verwenden, um mit diesem 12-V-Momentschalter als Schalter zu fungieren? [geschlossen]

Ein Schaltplan, angesichts dessen, was ich oben gelesen habe, würde in etwa so aussehen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ich habe einen Widerstand in Reihe mit der LED hinzugefügt, da LEDs normalerweise nicht direkt abgeschaltet werden$12\:\text{V}$es sei denn, sie haben etwas eingebaut (Widerstand usw.), um bei der Strombegrenzung zu helfen. Es hilft mir, nicht über dieses Problem nachzudenken, wenn es enthalten ist. Also habe ich es vielleicht eher für mich als für dich hinzugefügt. Aber es ist da.

Die Formel für die Ausgangsspannung des LM317 lautet:

Wo$V_\text{REF}=1.25\:\text{V}\pm 50\:\text{mV}$Und$I_\text{ADJ}\approx 50\:\mu\text{A}$. Angesichts Ihrer Widerstandswerte in Ihrem Schaltplan berechne ich etwas in der Nähe$V_\text{OUT}\approx 3.13\:\text{V}$. Was, nehme ich an, für den (+) Eingang Ihres Garagentoröffners möglich ist.

Wie du sehen kannst,$SW_1$ist mit der "hohen Seite" der Dinge verbunden. (Okay, also habe ich es so gezeichnet. Aber es entspricht auch der Konvention, die Dinge so anzuordnen.) Wenn Sie also über die Verwendung von Transistoren sprechen, wird das, was Sie wollen, als "High-Side-Schalter" bezeichnet. Das ist wichtig für Transistoren, weil sie in zwei Polaritäten erhältlich sind und eine gut als Low-Side-Schalter und die andere Polarität gut als High-Side-Schalter ist. Daher ist es hilfreich zu wissen, welche Art von Schaltung Sie durchführen, damit Sie schnell die richtige Polarität des Transistors auswählen können.

Sie haben viele Informationen geliefert. Vielleicht fast schon zu viel, weil wir jetzt „mehrere Wege“ sehen, um an eine Lösung heranzugehen. Aber alle sind wahrscheinlich komplizierter als die, die Sie vorgeschlagen haben. Also ich denke, es ist am besten, dabei zu bleiben.

Das Hinzufügen ist nicht so kompliziert, wie Sie unten sehen können. Die Hauptsache ist, dass der "Ziegel" (Black Box) sowohl Zugang zur Masse (oder zur (-) Seite der Dinge) als auch zum ungeschalteten benötigt$12\:\text{V}$Versorgungsschiene. Es akzeptiert auch ein massebezogenes Signal vom Arduino Nano und aktiviert seinen SW+ -Ausgang, der den manuellen Schalter umgeht, wenn der Arduino Nano dies anordnet.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

(Hinweis: Die Arduino-Masse muss mit dem Minuspol Ihres Garagentor-Öffnungssystems übereinstimmen, stellen Sie also sicher, dass Sie die Masse [oder negative Seite] des Arduino-Netzteils mit der negativen Seite des Garagentorsystems teilen. Wir tun dies normalerweise nicht Zeigen Sie diese Verbindung in einem Schaltplan, weil "angenommen" wird, dass Sie wissen, dass sie dort sein sollte.Wenn Sie jedoch nur den E / A-Pin verdrahten und NICHT auch die Arduino-Masseseite anschließen, treten Probleme auf, wenn dies funktioniert. )

Konzentrieren wir uns auf den Transistorschalter (das schwarze Kästchen oben).

Der Arduino Nano wird eigenständig betrieben$5\:\text{V}$Stromversorgung (jedenfalls nach Regulierung). Dies unterscheidet sich von den Stromversorgungen, die im Garagentoröffnersystem verwendet werden. Der I/O-Pin wird entweder austreiben$\approx 5\:\text{V}$wenn "HI" oder sonst$\approx 0\:\text{V}$wenn "LO" (diese Werte sind relativ zur (-) Seite des Arduino Nano-Netzteils.)

Das Problem im Moment ist, dass keiner von uns weiß, wie viel Strom das Relais, der LM317 und das Garagentoröffnermodul benötigen. (Über die LED können wir jedoch raten. Es gibt typische Werte, die vernünftigerweise dafür angenommen werden.) Aber ich bin überzeugt, dass dies (vorerst) eine Schwachstromschaltung ist, also werde ich sie als solche behandeln und verwenden eine einfache Anordnung.

Die erste Idee hier ist, dass Sie wechseln müssen$12\:\text{V}$auf der hohen Seite. Dies würde auf einen PNP-Transistor hindeuten. Aber um einen PNP auszuschalten, müssen Sie die Basisspannung sehr nahe an die Emitterspannung bringen (nahe einer Null-Volt-Differenz), und dies bedeutet, dass die Basis nahe daran sein müsste$12\:\text{V}$. Leider kann Ihr Arduino Nano das nicht leisten. Nicht annähernd. Das bedeutet also, dass ein zweiter BJT benötigt wird und diesmal ein NPN.

An dieser Stelle gibt es zwei grundlegende Ansätze. Bei beiden wird der PNP als Schaltgerät betrieben , das heißt mit seinem Kollektor nahe an seinen Emitter gezogen und das heißt mit einem großen Basisstrom relativ zum Kollektorstrom. Es gibt jedoch zwei verschiedene Möglichkeiten, mit dem NPN zu arbeiten – entweder als ein weiteres Schaltgerät mit ähnlichen relativen Verhältnissen für den Basis- und Kollektorstrom oder als Emitterfolger, der stattdessen als Stromsenke fungiert. Der Vorteil dieses letzteren Falls ist, dass der erforderliche I/O-Pin-Strom um einiges geringer ist, und das ist auch gut so. Allerdings würde es bei einem Wechsel nicht klappen$5\:\text{V}$, Zum Beispiel. Es ist ein Glück, dass Sie in diesem Fall eine höhere Spannung schalten. Das ist also der Weg, den ich unten einschlagen werde.

(Beachten Sie, dass ich zwar diesen "besseren Weg" [meiner Meinung nach] einschlage, das aber nicht bedeutet, dass Sie es oft so sehen werden. Die meisten Leute fallen einfach auf den ausgetretenen Weg, beide BJTs als Schalter zu betreiben. Es ist eine Art Trott, und die Leute scheinen es manchmal schwer zu haben, aus solchen Trotten herauszukommen. Aber ich mag es, von Zeit zu Zeit ein wenig abseits der ausgetretenen Pfade zu bleiben. Deshalb gehe ich diesen Weg. )

Schauen wir uns den neuen Schaltplan an:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Ich habe einen Kollektorstrom für angenommen$Q_1$von etwa$200\:\text{mA}$und ein Tief$\beta_\text{SAT}\approx 10$um sicherzustellen, dass es genügend Basisstrom hat (von ca$20\:\text{mA}$), die den Kollektorstrom für bestimmt$Q_2$. Unter der Annahme einer I/O-Pin-Ausgabe von ca$4.8\:\text{V}$und ein$V_\text{BE}$Tropfen von ungefähr$850\:\text{mV}$für$Q_2$, Ich habe trainiert$R_4=\frac{4.8\:\text{V}-850\:\text{mV}}{20\:\text{mA}}\approx 200\:\Omega$. Ein naher Wert von$220\:\Omega$wurde dann ausgewählt.

Der I/O-Pin-Strom wird etwa 100-mal kleiner sein, also weniger als$200\:\mu\text{A}$, die von jedem I / O-Pin, den ich seit Jahrzehnten verwendet habe, problemlos gehandhabt werden können. Sollte also in Ordnung sein.

Die Verlustleistung in beiden BJT wird nicht mehr als ungefähr sein$150\:\text{mW}$. So kleine Signal-BJTs für beide werden wahrscheinlich gut überleben. (Vergewissern Sie sich natürlich, dass die Dinge nach dem Bau nicht zu heiß werden. Ich mache hier Annahmen.)

Ich habe übrigens zwei Alternativen angegeben. Der mit "MINIMAL" beschriftete ist für die minimalistischen Typen, die nur die geringste Anzahl von Teilen verwenden möchten und bereit sind, ein paar Risiken einzugehen, wenn sie klein sind. In diesem Fall fehlt ein DC-Pfadwiderstand, der dazu dient, die PNP-Basis nach oben an ihre Emitterspannung zu binden ($12\:\text{V}$.) Ohne diesen Widerstand ist es möglich, aber wahrscheinlich nicht wahrscheinlich, dass sich der PNP nicht vollständig ausschaltet. Ich habe nicht Tausende von Inkarnationen getestet, um herauszufinden, wie die Chancen stehen, aber ohne den Widerstand wird es wahrscheinlich gut funktionieren. Aber es ist nicht so sicher in der Anwendung wie das mit der Aufschrift „BESSER“. Wenn Sie nicht darauf angewiesen sind, das absolute Minimum an Teilen zu verwenden, würde ich hinzufügen$R_5$. Billig, nimmt nicht viel Platz ein und hilft, eine Situation zu bewältigen, die sonst dem Zufall überlassen wird.

Stellen Sie einfach sicher, dass Sie die Stromversorgungsmasse zwischen Ihrem Arduino und Ihrem Garagentoröffnerkreis "teilen" (verbinden Sie sie). (Natürlich binden Sie die positiven Schienen nicht aneinander!) Sie brauchen nur einen gemeinsamen Bezugspunkt und Masse (oder Minus) dient dieser Rolle.

Das war es wirklich. Ich entschuldige mich für die Verwendung von Schaltplänen anstelle von Schaltplänen, die für Sie möglicherweise einfacher zu befolgen sind. Wenn Sie ernsthaft einen Schaltplan benötigen (Sie können einen solchen Schaltplan nicht aus einem schematischen Konzept erstellen), dann werde ich versuchen, einen zu erstellen, der die Verdrahtungsteile davon klarer macht.

PS Schaltpläne sind eher für Bauherren gedacht, die nicht verstehen wollen, wie das, was sie bauen, tatsächlich funktioniert, sondern einfach loslegen und beten wollen, dass es richtig funktioniert und das Diagramm genau ist. Schaltpläne sind eher für diejenigen gedacht, die verfolgen und verstehen wollen, was vor sich geht, und nicht annähernd so sehr an den genauen Verdrahtungsdetails interessiert sind wie an den Funktionsblöcken und deren Zusammenarbeit. Zwei unterschiedliche Zwecke.

Andere Ansätze wären, dass Ihr Arduino Nano die Relaisfunktion direkt ausführt und die Leitfähigkeit dazwischen steuert$SW_\text{A}$Und$SW_\text{B}$Ihres Moduls. Wenn Sie das irgendwie direkt mit Transistoren machen, könnten Sie das Relais eliminieren. (Normalerweise ist das ein Gewinn und kein Verlust.) Dies lässt jedoch immer noch den Netzschalter,$SW_1$, als Problem (lässt du es die ganze Zeit an , oder was genau?) Und was ist mit der LED?

Sie könnten die LED heraustrennen (sie loswerden, da es darauf ankommt$12\:\text{V}$) und ersetzen Sie dieses Teil, indem Sie einen anderen E / A-Pin Ihres Arduino Nano verwenden, um beispielsweise eine LED ein- und auszuschalten, die über die Stromversorgung betrieben wird. Entfernen Sie dann das Relais und erarbeiten Sie eine Schaltung zum direkten Verbinden$SW_\text{A}$Und$SW_\text{B}$erst nach dem ersten Einschalten eines anderen Spannungsreglers, der einen ENABLE-Pin akzeptiert (noch ein weiterer E / A-Pin von Ihrem Ardiuno Nano). Also mit drei E / A-Pins von Ihrem Arduino Nano (einer für ein LED-Licht, einer zum Aktivieren eines Spannungsregler und einen zum Anschließen$SW_\text{A}$Zu$SW_\text{B}$, könnten Sie das Relais ganz loswerden und Transistoren für alles verwenden.

In einem solchen Fall würden Sie sicherstellen, dass die LED aus ist und dass die Verbindung zwischen$SW_\text{A}$Und$SW_\text{B}$deaktiviert ist, aktivieren Sie dann die Stromversorgung, warten Sie eine angemessene Zeit, bis sie sich stabilisiert hat, aktivieren Sie die LED, um die Stromversorgung anzuzeigen, und aktivieren Sie dann die Verbindung zwischen$SW_\text{A}$Und$SW_\text{B}$für die Zeit, die Sie für nötig halten. Dann würden Sie diesen Vorgang umkehren, um in einen Ruhezustand zurückzukehren.

Aber deshalb habe ich gesagt, es wäre einfacher, einfach mit Ihrem eigenen vorgeschlagenen Ansatz zu gehen. Es geht davon aus, dass alles bereits funktioniert, ganz gut, und fügt einen einfachen parallelen Transistorschalter hinzu, um das manuelle Drücken einer Taste zu ersetzen. Alles, was Sie tun müssen, ist sicherzustellen, dass Sie die Schaltung für den richtigen Zeitraum aktiv halten.

Leicht zu erreichen mit einem 3904 NPN- und einem 3906 PNP-Transistor, gezeigt durch die vereinfachte Schaltung unten. Die 10K an der Basis des 3906 wirken als Pull-up-Widerstand auf 12 V und halten die Basis hoch und den Transistor ausgeschaltet. Um den 3906 einzuschalten, aktivieren Sie den 3904 (+5 V von Arduino), der die Basis des 3906 erdet, indem Sie ihn (3906) einschalten, sodass die 12 V zum positiven Knopfeingang fließen können. Zum Ausschalten erden Sie die Basis des 3904, wodurch der Pfad zur Erde gesperrt wird, und die Basis des 3906 wird wieder hochgezogen und ausgeschaltet. Eine gute Schaltungspraxis wäre es, einen weiteren Widerstand zwischen der Basis des 3906 und dem Kollektor des 3904 einzubauen (ich überlasse diesen Wert jemandem, der mehr Erfahrung hat als ich), aber das wird Sie zum Laufen bringen. Hervorragender Lesestoff:https://www.nutsvolts.com/magazine/article/bipolar_transistor_cookbook_part_3

Für alle Fälle: Die Basis beider Transistoren ist in der Mitte, der Emitter beim 3906 oben, der Kollektor unten und beim 3904 umgekehrt.

EDIT: Grafik aktualisiert

Und hier ist ein kleines GIF der obigen Schaltung, das schnell auf ein Steckbrett geworfen wurde, nur um die Funktionalität zu beweisen. Das Aufleuchten der LED bedeutet, dass die 12 V durch den 3906 PNP-Transistor eingeschaltet werden, wobei die LED + auf dem 3906-Kollektor und LED- auf GND liegt.