Em um circuito comutado por um transistor NPN, a fonte de alimentação e a entrada precisam do mesmo terra?

Estou tentando fazer um circuito que me permita ligar um relé que acenderá um LED. No entanto, o relé é classificado para 12 V e eu só tenho uma entrada de 5 V, então estou usando um transistor NPN . para ligar e desligar a energia do relé. Aqui está o esquema:

No entanto, estou confuso sobre algumas coisas (observe que o aterramento da fonte de alimentação de 12 V e da fonte de alimentação de 5 V não é especificado):

1. Se minha fonte de alimentação de 5 V for um Arduino, posso usar o terra para isso na terra da fonte de alimentação de 12 V?

2. Tudo bem que a base e o emissor tenham diferentes bases no transistor? Ou eles têm que ser iguais?

3. Se minha fonte de alimentação de 12 V tiver 8 pilhas AA (não sustentável, mas estou apenas usando-a para testes), como eu a conectaria ao mesmo terra que o arduino, em vez do lado negativo das baterias?

4. Como posso descobrir qual deve ser o R1 e o R2, com base no transistor? Eu li algumas coisas online, mas ainda estou confuso.

5. Há outras coisas que não estou levando em consideração que deveria?

Eu sou completamente novo nisso, então qualquer ajuda é muito apreciada.

1. Sim, você precisa conectar os terra de 5V e 12V neste circuito para que o transistor comute. Lembre-se de que deve haver um caminho de retorno para a corrente base. Você não pode enviar um sinal usando apenas 1 fio.

2. Veja acima, o emissor precisa usar o mesmo terra da fonte de sinal (Arduino) ou não há caminho de retorno.

3. Conecte o terminal negativo da bateria inferior (supondo que você tenha 8 em série) ao terra do Arduino.
   "Terra" é apenas um termo para um ponto de referência para medir tensões em seu circuito, você pode escolher qualquer ponto (embora seja geralmente uma rede conectada ao terminal negativo de uma fonte). Por exemplo, você pode chamar o ponto ao qual o terminal positivo se conecta no circuito "terra" e, em seguida, o "terra original" (o terra como mostrado no seu circuito) seria -12V em relação a ele. O terminal negativo não significa que a tensão é negativa, apenas indica para que lado a corrente flui.

4. (a) R1 é limitar a corrente à base do transistor. Para calcular o valor, precisamos saber quanta corrente estamos trocando (ou seja, quanto o relé precisa) e o ganho de corrente do transistor. Digamos que estamos usando um transistor com um ganho de corrente de 200, e o relé precisa de 20mA para comutar. Como a corrente através da base é amplificada pelo ganho de corrente, sabemos que a corrente base precisa ser de pelo menos 20mA / 200 = 0,1mA.
   A tensão de base de um transistor bipolar típico é de cerca de 0,7V, portanto o resistor em série (R1) precisa ter no máximo: (5V - 0,7V) / 0,1mA = 43kΩ
   Como o ganho pode variar (vá do valor mínimo na folha de dados para ser seguro), podemos escolher um 33kΩ para ter uma corrente de base de sobra. Observe que, para ser um comutador eficaz, queremos que o transistor sature, pois o ganho efetivo começa a cair no joelho entre o modo linear e o de saturação (conforme mencionado por Shokran). Portanto, escolhemos um resistor com um valor menor que o calculado para garantir que possamos puxar o coletor para perto do solo. Em casos com, por exemplo, transistores de potência em que a minimização da dissipação é importante, é aconselhável escolher um valor pelo menos 5 vezes menor que o calculado (ou assumir um ganho de ~ 20) para que possamos chegar a 4,3k no exemplo acima.

   (b) R2 existe para garantir que a base seja puxada para o solo quando a corrente do inversor for removida. Isso é para impedir que a corrente de fuga ligue parcialmente o transistor. O valor não precisa ser muito preciso, apenas o suficiente para desviar a corrente de vazamento (folha de dados) e não muito baixo para roubar muita corrente da unidade básica. 5 a 10 vezes o resistor em série (ou 1kΩ a 500kΩ) é uma faixa aproximada. 100k & Omega é um valor razoável para a maioria dos casos, embora eu prefira 330k aqui, pois a corrente de fuga deve ser mínima. Se você precisar ir muito mais baixo, precisará ajustar o resistor em série para compensar.
   Observe que se o pino do Arduino é direcionado para 0V (ou seja, definido como saída e lógica 0), então R2 não é realmente necessário, é apenas se o pino estiver definido como Alta Impedância (ou seja, entrada)
   Nota 2 - raramente é algo com que se preocupar com BJTs (os MOSFETs são outra questão e definitivamente não querem ficar flutuando). Se você possui um transistor de ganho muito alto (esp darlington), um ambiente barulhento e / ou muito alta temperatura (o vazamento aumenta com a temperatura) e um resistor de coletor muito alto, isso pode causar problemas, mas geralmente a corrente de vazamento será pequena demais.

5. Não que eu consiga ver agora (no entanto, são 4:48 da manhã aqui, então meu cérebro pode ter se aposentado há muito tempo, então eu me reservo o direito de ter perdido algo óbvio ;-))

1), 2) e 3)
Se você usar fontes de alimentação diferentes em um circuito, precisará conectá-las de uma forma ou de outra para que elas tenham uma referência comum. Você quase sempre conectará os terrenos, pois eles são sua referência. A tensão é relativa: se você usar o plus das baterias como referência, o sinal de menos será de -12 V, se você usar o sinal de menos como referência, o sinal de adição estará em +12 V. Poucos circuitos usarão o sinal de adição como referência. tensões positivas melhor. Portanto, o sinal de menos das baterias vai para o chão do Arduino.

Por que eles precisam estar conectados? O seu transistor verá duas correntes: uma corrente de base, entrando na base e retornando à fonte de 5V através do emissor, e uma corrente de coletor entrando no coletor e também retornando à bateria através do emissor. Como as correntes têm o emissor em comum (é chamado de circuito emissor comum ), será onde as duas fontes de alimentação serão conectadas.

Como a corrente de base sabe qual caminho seguir quando sai do transistor através do emissor? A corrente só pode fluir em um circuito fechado, do sinal de mais da fonte de alimentação ao sinal de menos. A corrente de base começou com +5 V, para que não fechasse o circuito quando seguisse o caminho de aterramento das baterias.

$\frac{5V-0.7V}{R1}$

$h_{FE}$$h_{FE}$

$\frac{4.3 V}{0.175 mA}$

Vamos escolher um resistor de 10 kΩ. É um valor muito menor do que o necessário, mas ficaremos bem. A corrente de base será de cerca de 0,5 mA, que o Arduino fornecerá felizmente, e o transistor tentará fazer 100 mA, mas, novamente, será limitado a nossos 35 mA. Em geral, é uma boa idéia ter alguma margem, caso os 5 V sejam um pouco menores ou quaisquer variações que possam existir nos parâmetros. Temos uma margem de segurança de fator três, que deve estar OK.

E o R2? Nós não usamos isso e tudo parece estar bem. Isso mesmo, e será na maioria dos casos. Quando precisaríamos disso? Se a baixa tensão de saída do Arduino não cair abaixo de 0,7 V, o transistor também ficará com corrente quando desligado. Não será esse o caso, mas digamos que a baixa tensão de saída fique em 1 V. R1 e R2 formam um divisor de resistor, e se escolhermos R1 = R2, a entrada de 1 V se tornará uma tensão de base de 0,5 V e a transistor não receberia corrente.

Tínhamos corrente de base de 0,5 mA quando ativada, mas com o R2 paralelo ao emissor de base, perderemos parte dessa corrente. Se R2 for 10 kΩ, ele consumirá 0,7 V / 10 kΩ = 70 µA. Portanto, nossa corrente de base de 500 µA se torna 430 µA. Tínhamos muita margem, de modo que ainda nos daria corrente suficiente para ativar o relé.

Outro uso para o R2 seria drenar a corrente de fuga. Suponha que o transistor seja acionado por uma fonte de corrente, como o fototransistor de um acoplador óptico. Se as fontes do acoplador óptico estiverem atualizadas, todas elas entrarão na base. Se o acoplador óptico estiver desligado, o fototransistor ainda criará uma pequena corrente de fuga, o que é chamado de "corrente escura". Frequentemente, não mais que 1 µA, mas se não fizermos nada a respeito, ele fluirá para a base e criará uma corrente de coletor de 200 µA. Embora deva ser zero. Então, apresentamos o R2 e escolhemos 68 kΩ. Então R2 criará uma queda de tensão de 68 mV / µA. Enquanto a queda de tensão for inferior a 0,7 V, toda a corrente passará por R2 e nenhuma na base. Isso é de 10 µA. Se a corrente for maior, a corrente do R2 será cortada nesses 10 µA e o restante passará pela base. Portanto, podemos usar o R2 para criar um limite. A corrente escura não ativará o transistor, porque é muito baixa.

Exceto neste caso de R2 acionado por corrente, muito raramente será necessário. Você não vai precisar aqui.

Parece ser importante mencionar que, se você realmente precisa ter 2 motivos separados, tem a opção de um relé de estado sólido AKA de acoplamento óptico. Mas estas são várias vezes mais volumosas e caras do que os transistores (ainda não são ruins para um projeto pequeno), portanto, use somente se for realmente necessário.