Precisa de ajuda para calcular a resistência da base do transistor

Tenho 3 relés automotivos 12VDC / 40A ( ficha técnica ) que quero usar com o meu Arduino. Com base no tutorial que estou seguindo ( link ), preciso de transistor, resistor e diodo. Como não sou engenheiro elétrico, não tenho certeza sobre as peças e cálculos que fiz.

Para começar, a resistência da bobina do relé é de 90 + -10% Ohm por folha de dados. Então, continuo calculando o fluxo atual.

Tensão = Resistência * Corrente

Corrente = Tensão / Resistência

Corrente = 12V / 90

Ohm atual = 133mA

Para o transistor, posso obter 2N3904 ou 2N4401. Neste ponto, tenho que calcular a resistência para a base do transistor. No tutorial é o seguinte

hfe = Ic / Ib

Ib = Ic / hfe

Ib = 0,03 A / 75 Ib = 0,0004 A => 0,4 ​​mA

R1 = U / Ib

R1 = 5V / 0,0004 A

R1 = 12500 Ohm

A folha de dados 2N3904 indica que o H (fe) é 30-300 quando lc = 100mA (a mina é 130mA) e Vce = 1V. Neste ponto, não tenho idéia do que está acontecendo, portanto, preciso de ajuda.

Edit: Aqui está o que eu acabei com. RLY1 na imagem é 12VDC / 40A ( link )

Vamos projetar para o pior caso, essa é uma boa prática.

$Ic = 133\text{mA}$

$h_{FE} = 30$

Você pode calcular Ib agora:

$I_b = \dfrac{I_c}{h_{FE}} = \dfrac{133\text{mA}}{30} = 4.43\text{mA}$

$V_{BE,SAT} = 0.95$

Agora vamos calcular a resistência da série base. Isso é igual à tensão no resistor, dividida pela corrente através dele. A corrente através do resistor é a mesma que a corrente base. A tensão através dele é a tensão do trilho (5V) diminuída pela tensão base-emissor do transistor V (CE, sat).

$R_B = \dfrac{U_{R_b}}{I_b} = \dfrac{V_{CC} - V_{BE}}{I_B} = \dfrac{5 - 0.95}{4.43/1000} = 913\Omega$

Com toda a engenharia de pior caso até aqui, pela primeira vez vamos arredondar para o valor do resistor E12 mais próximo de 1kΩ (ou 820Ω para a engenharia de pior caso, funcionará com qualquer um).

Você está certo em que a bobina do relé parece precisar de 133 mA nominal. No entanto, esse não é o pior caso e assume que 12 V são aplicados em toda a bobina. No entanto, é um bom lugar para começar, então, jogaremos um fator de 2 margens mais tarde de qualquer maneira.

Digamos que o ganho mínimo garantido do transistor que você usará seja 50. Isso significa que a corrente básica precisa ser de pelo menos 133 mA / 50 = 2,7 mA. Se a sua saída digital for de 5 V, haverá cerca de 4,3 V no resistor de base após contabilizar a queda BE do transistor. 4,3 V / 2,7 mA = 1,6 kΩ. Para deixar alguma margem, use cerca de metade disso. O valor comum de 820 Ω deve ser bom.

Agora volte para ver o que a saída digital deve fornecer. 4,3 V / 820 Ω = 5,2 mA. Muitas saídas digitais podem obter essa fonte, mas você precisa verificar se a sua pode. Se não puder, você precisará de uma topologia diferente.

Como você está usando o transistor em uma configuração de comutação saturada, não há problema em você injetar mais corrente base na peça do que o necessário para a quantidade de corrente do coletor que você pretende afundar através do dispositivo a partir da bobina do relé.

Esse é um limite prático para a corrente base máxima que você pode injetar no caso do 2N3904 / 2N4401. Esse limite nem sempre é explicitamente indicado nas folhas de dados das peças, mas posso dizer por experiência que está na faixa de 5 a 6 mA.

Para um projeto de comutação, você pode planejar o Hfe mínimo garantido mais uma margem. Digamos que você escolha 25 como o pior caso de trabalho de Hfe. Com uma corrente de coletor necessária de 133mA e um Hfe de 25, resultará em uma corrente de base de trabalho de 5,32mA. Parece estar na área OK para esses tipos de transistor.

Parece que você pretende dirigir a base a partir de um sinal de 5V. Com um Vbe nominal de 0,7V, você deixa uma queda de 4,3V no resistor de base. A resistência para limitar a corrente a 5.32mA em 4.3V é de aproximadamente 800 ohms. Use um resistor de base de valor padrão de 820 ohm.

Nota final. Se você estiver dirigindo isso diretamente a partir de um pino de saída do MCU, o MCU poderá não conseguir obter 5,32mA no nível de saída de 5V. Como tal, a saída do MCU cairá um pouco de 5V. Isso reduzirá um pouco a corrente de base, mas, como calculamos usando o pior caso Hfe, o drive de relé ainda funcionará para a maioria dos transistores que você retirará da bolsa.

$h_{fe}$

$h_{fe}$$\mu A$$\mu A$

No entanto, você precisa descobrir se o circuito que conduz a base pode fornecer continuamente a corrente que você decide. Mais uma vez, a folha de dados informará você e você não deseja navegar muito perto desse número, caso contrário poderá estar reduzindo a confiabilidade dos chips.

Há outra consideração também. Muitos dispositivos CMOS afirmam que a corrente máxima de saída é (digamos) 20 mA, mas também indicam uma corrente máxima de energia (digamos) 100 mA. Isso é bom se o chip estiver gerando 3 saídas, mas e se o chip for um buffer octal. Verifique realisticamente a saída de corrente por pino E verifique novamente a corrente da fonte de alimentação - pode haver um limite que impede que todos os pinos O / P empurram 20 mA.

Ib = Ic / hfe (Fino)

Ib = 0,03 A / 75 Ib = 0,0004 A => 0,4 ​​mA

Hummm! Ic = 0,13 A não 0,03 e eu consideraria cerca de 50, em vez de 75. (geralmente os pequenos transistores de sinal têm pelo menos esse ganho) Isso fornece Ib = 0,0026 ou 2,6mA

Para uma entrada de 5V, a queda de tensão no resistor de entrada será de 5 - 0,6V = 4,4V (lembre-se de que a queda do emissor de base precisa de cerca de 0,6V antes do transistor ser ligado.) Isso fornece;

                Rb = 4.4/0.0026 = 1k7

Agora, esse é realmente um valor máximo para o resistor de base; portanto, escolha um valor de resistência abaixo desse valor, digamos 1k5 ou até 1k0.

Eu gostaria de compartilhar este link, ele tem boas informações sobre o uso de microcontroladores para fazer interface com a eletrônica do mundo real. Veja a parte 7 do sumário da interface do microcontrolador