En un circuito que está siendo conmutado por un transistor NPN, ¿la fuente de alimentación y la entrada necesitan la misma tierra?

Estoy tratando de hacer un circuito que me permita encender un relé que encenderá un LED. Sin embargo, el relé tiene una capacidad nominal de 12 V, y solo tengo una entrada de 5 V, por lo que estoy usando un transistor NPN . para encender y apagar el relé. Aquí está el esquema:

Sin embargo, estoy confundido acerca de algunas cosas (tenga en cuenta que tanto la fuente de alimentación de 12 V como la fuente de alimentación de 5 V no están especificadas):

1. Si mi fuente de alimentación de 5 V es un Arduino, ¿puedo usar la tierra para la tierra de la fuente de alimentación de 12 V?

2. ¿Está bien que la base y el emisor tengan diferentes bases en el transistor? ¿O tienen que ser lo mismo?

3. Si mi fuente de alimentación de 12 V tiene 8 baterías AA (no es sostenible, pero solo la estoy usando para probar), ¿cómo conectaría eso a la misma tierra que el arduino, en lugar del lado negativo de las baterías?

4. ¿Cómo puedo averiguar cuáles deberían ser los R1 y R2, en función del transistor? Leí algunas cosas en línea, pero todavía estoy confundido.

5. ¿Hay otras cosas que no estoy teniendo en cuenta que debería tener?

Soy completamente nuevo en esto, por lo que cualquier ayuda es muy apreciada.

1. Sí, necesita conectar las tierras de 5V y 12V en este circuito para que el transistor cambie. Recuerde que debe haber una ruta de retorno para la corriente base. No puede enviar una señal utilizando solo 1 cable.

2. Ver arriba, el emisor necesita usar la misma tierra que la fuente de señal (Arduino) o no hay una ruta de retorno.

3. Conecte el terminal negativo de la batería inferior (suponiendo que tenga 8 en serie) a la tierra Arduino.
   "Tierra" es solo un término para un punto de referencia para medir voltajes de su circuito, puede elegir cualquier punto (aunque generalmente es una red conectada al terminal negativo de un suministro). Por ejemplo, podría llamar al punto al que se conecta el terminal positivo en el circuito "tierra", y luego la "tierra original" (la tierra como se muestra en su circuito) sería -12V con relación a ella. El terminal negativo no significa que el voltaje sea negativo, solo le dice en qué dirección fluye la corriente.

4. (a) R1 es limitar la corriente a la base del transistor. Para calcular el valor, necesitamos saber cuánta corriente estamos cambiando (es decir, cuánto necesita el relé) y la ganancia de corriente del transistor. Digamos que estamos usando un transistor con una ganancia de corriente de 200, y el relé necesita 20 mA para cambiar. Dado que la corriente a través de la base se amplifica por la ganancia de corriente, sabemos que la corriente base debe ser de al menos 20 mA / 200 = 0.1 mA.
   El voltaje base de un transistor bipolar típico es de alrededor de 0.7V, por lo que la resistencia en serie (R1) debe ser un máximo de: (5V - 0.7V) / 0.1mA = 43kΩ
   Como la ganancia puede variar (ir desde el valor mínimo en la hoja de datos para estar seguro), podemos elegir 33kΩ para tener algo de corriente base de sobra. Tenga en cuenta que para ser un interruptor efectivo, queremos que el transistor se sature, ya que la ganancia efectiva comienza a caer en la rodilla entre el modo lineal y el modo de saturación (como lo menciona Shokran). Por lo tanto, elegimos una resistencia de un valor inferior al calculado para asegurarnos de que podemos tirar del colector cerca del suelo. En casos con, por ejemplo, transistores de potencia en los que es importante minimizar la disipación, es aconsejable elegir un valor de al menos 5 veces menos de lo calculado (o asumir una ganancia de ~ 20) para que podamos llegar a 4,3k en el ejemplo anterior.

   (b) R2 está allí para asegurarse de que la base se arrastre a tierra cuando se elimina la corriente de accionamiento. Esto es para detener la fuga de corriente activando el transistor parcialmente. El valor no necesita ser demasiado preciso, solo lo suficiente para derivar la corriente de fuga (hoja de datos) y no demasiado bajo para robar demasiada corriente de accionamiento base. 5-10 veces la resistencia en serie (o 1kΩ a 500kΩ) es un rango aproximado para ir. 100k y Omega es un valor razonable para la mayoría de los casos, aunque iría por 330k aquí ya que la corriente de fuga debería ser mínima. Si necesita bajar mucho, entonces debe ajustar la resistencia en serie para compensar.
   Tenga en cuenta que si el pin Arduino se conduce a 0V (es decir, se establece en salida y lógica 0), entonces R2 no es realmente necesario, solo si el pin se establece en Alta impedancia (es decir, entrada)
   Nota 2: que esto rara vez es algo de lo que preocuparse con los BJT (los MOSFET son otro asunto y definitivamente no quieren dejarse flotando) Si tiene un transistor de ganancia muy alta (especialmente darlington), un entorno ruidoso y / o muy alta temperatura (la fuga aumenta con la temperatura) y una resistencia de colector muy alta, entonces puede causar problemas, pero en general la corriente de fuga será muy pequeña.

5. No es que pueda detectar en este momento (sin embargo, son las 4:48 de la mañana aquí, así que mi cerebro puede haberse retirado hace mucho tiempo, así que me reservo el derecho de haber pasado por alto algo obvio ;-))

1), 2) y 3)
Si utiliza diferentes fuentes de alimentación en un circuito, debe conectarlas de una forma u otra para que tengan una referencia común. Casi siempre conectarás tierras, ya que son tu referencia. El voltaje es relativo: si toma el plus de las baterías como referencia, el menos estará a -12 V, si toma el menos como referencia, el plus estará a +12 V. Pocos circuitos usarán el más como referencia, nos gusta voltajes positivos mejor. Así que el menos de las baterías va al suelo del Arduino.

¿Por qué tienen que estar conectados? Su transistor verá dos corrientes: una corriente de base, que ingresa a la base y regresa al suministro de 5V a través del emisor, y una corriente de colector que ingresa al colector y también regresa a la batería a través del emisor. Dado que las corrientes tienen el emisor en común (se llama circuito de emisor común ), es donde se conectarán ambas fuentes de alimentación.

¿Cómo sabe la corriente base qué camino tomar cuando sale del transistor a través del emisor? La corriente solo puede fluir en un circuito cerrado, desde el más de la fuente de alimentación hasta el menos. La corriente de base comenzó a +5 V, por lo que no cerraría el circuito cuando iría por el suelo de las baterías.

4)
Dejaremos a R2 fuera por un momento. Debido a que el emisor de base actúa como un diodo, la base está alrededor de 0.7 V. Aplica 5 V para activar el transistor, entonces, de acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente a través de R1 (que es la corriente de base) es$\frac{5V-0.7V}{R1}$. El transistor amplificará esa corriente a una corriente de colector suficientemente alta para accionar el relé. ¿Qué es lo suficientemente alto? Por lo tanto, debe consultar la hoja de datos del relé. Le indicará la corriente requerida o la resistencia de la bobina, y luego podrá calcular la corriente, nuevamente con la Ley de Ohm. Un relé generalmente necesita alrededor de 400 mW para activarse, por lo que para un relé de 12 V sería una corriente de 400 mW / 12 V = 35 mA. Esa es la corriente mínima del colector.

Para saber cuánta corriente de base necesitamos obtener, tenemos que buscar en la hoja de datos del transistor. Digamos que tengo 100 000 BC547B s (olvidé el punto decimal cuando los ordené) para lo cual necesito un propósito. La ganancia actual viene dada por$h_{FE}$parámetro, que encontramos en la página 2 de la hoja de datos. Para el BC547B eso es un mínimo de 200. (Utilice siempre los valores del peor de los casos, para$h_{FE}$Ese es el valor mínimo. Si usa valores típicos, puede tener muy poca corriente para algunas partes).

Entonces, para obtener una corriente de colector de 35 mA, necesitamos 35 mA / 200 = corriente base de 0.175 mA. Entonces R1 tiene que ser$\frac{4.3 V}{0.175 mA}$= 24600 Ω. Ese es un valor que no encontrará, así que deberíamos elegir un valor más alto o más bajo. Si escogiéramos un valor más alto, la corriente sería menor, también la corriente del colector sería menor, y nuestro relé podría no activarse. Entonces tiene que ser más bajo, el 24600 Ω es el límite superior. Ahora no hay nada de malo en suministrar demasiada corriente base (dentro de lo razonable); la corriente del colector intentará seguir, pero la resistencia de la bobina lo limitará. Si la resistencia de la bobina es de 360 ​​Ω, la Ley de Ohm dice que no puede obtener más de 35 mA a 12 V, sin importar cuánto lo intente.

Elija una resistencia de 10 kΩ. Ese es un valor mucho más bajo de lo que necesitábamos pero estaremos bien. La corriente base será de alrededor de 0.5 mA, que Arduino suministrará felizmente, y el transistor intentará generar esos 100 mA, pero nuevamente, estará limitado a nuestros 35 mA. En general, es una buena idea tener un margen, en caso de que los 5 V sean un poco menos, o cualquier variación que pueda haber en los parámetros. Tenemos un margen de seguridad de factor tres, que debería estar bien.

¿Qué hay de R2? No usamos eso y todo parece estar bien. Así es, y lo será en la mayoría de los casos. ¿Cuándo lo necesitaríamos? Si la baja tensión de salida del Arduino no fuera inferior a 0,7 V, el transistor también recibiría corriente cuando está apagado. Ese no será el caso, pero digamos que el bajo voltaje de salida se mantendrá en 1 V. R1 y R2 forman un divisor de resistencia, y si elegimos R1 = R2, la entrada de 1 V se convertirá en un voltaje base de 0.5 V, y el el transistor no recibiría corriente.

Teníamos 0.5 mA de corriente base cuando estaba encendido, pero con R2 paralelo al emisor base perderemos algo de esa corriente allí. Si R2 es 10 kΩ, extraerá 0.7 V / 10 kΩ = 70 µA. Entonces nuestra corriente base de 500 µA se convierte en 430 µA. Teníamos mucho margen, por lo que todavía nos daría suficiente corriente para activar el relé.

Otro uso para R2 sería drenar la corriente de fuga. Supongamos que el transistor es impulsado por una fuente de corriente, como el fototransistor de un optoacoplador. Si el optoacoplador toma corriente, todo irá a la base. Si el optoacoplador está apagado, el fototransistor seguirá creando una pequeña corriente de fuga, lo que se llama "corriente oscura". A menudo, no más de 1 µA, pero si no hacemos nada al respecto, fluirá hacia la base y creará una corriente de colector de 200 µA. Si bien debería ser cero. Entonces presentamos R2 y elegimos 68 kΩ para ello. Entonces R2 creará una caída de voltaje de 68 mV / µA. Mientras la caída de voltaje sea inferior a 0.7 V, toda la corriente pasará a través de R2 y ninguna a la base. Eso es a 10 µA. Si la corriente es mayor, la corriente de R2 se recortará a esos 10 µA, y el resto pasará por la base. Entonces podemos usar R2 para crear un umbral. La corriente oscura no activará el transistor porque es demasiado bajo.

A excepción de este caso de R2 impulsado por corriente, rara vez será necesario. No lo necesitarás aquí.

Parece que vale la pena mencionar que si realmente necesita tener 2 bases separadas, entonces tiene la opción de un relé de estado sólido AKA optoacoplador. Pero estos son varias veces más voluminosos y caros que los transistores (todavía no están mal para un proyecto pequeño), por lo que solo se deben usar si realmente se necesitan.