Cálculo de resistencia base S8050 D331

P1: ¿es esta la única forma de hacerlo? Supongamos que un niño de secundaria está haciendo esto para un proyecto de ciencias, ¿cómo entiende el niño qué resistencia colocar y dónde?

La electrónica requiere conocimiento, resolución de acertijos y creatividad restringida por los límites de la física y los materiales y suministros prácticos y el valor frente al costo, por nombrar algunos. A menos que el niño de secundaria sea inusualmente hábil, no lo hacen. Si esto fuera algo que los niños de secundaria pudieran hacer, ¿te imaginas que las grandes empresas pagarían mucho dinero como salarios o contratos por ese trabajo? Claramente, hay muchos aficionados (yo soy uno) que pueden aprender con el tiempo y ser útiles en ocasiones. Pero incluso los circuitos activos simples requieren algunos conocimientos básicos.

P2: Suponiendo que esta sea la única forma, para S8050 D331. ¿Cómo descifro qué valores usar en la calculadora de arriba? (para el dispositivo aquí: UTC S8050 NPN TRANSISTOR DE SILICIO EPITAXIAL )

No solo usas calculadoras a ciegas, en absoluto. Al igual que no usas simuladores a ciegas. Necesitas entender lo que estás haciendo y por qué lo estás haciendo. Luego puede aplicar calculadoras o simuladores para ayudar a validar su enfoque. Entonces es muy difícil responder a su pregunta, ya que está fuera de lugar.

No pude dibujar el esquema correctamente. El diodo es en realidad un LED.

Bueno.

Y se desconoce la resistencia del fotorresistor (estoy usando un kit de circuitos instantáneos, parte 6SCRP).

Kits maravillosos. Realmente me gustaría ver más uso de ellos por parte del público. La empresa también merece algo de apoyo. Y ahora entiendo más acerca de por qué estás hablando de niños de secundaria.

Estos dispositivos LDR tienen una menor resistencia en ambientes más luminosos y una mayor resistencia en ambientes oscuros. Sin embargo, diferentes dispositivos tienen valores diferentes para cada uno. Pero, en general, deberían tener al menos 10 veces más resistencia en la oscuridad (o incluso un factor mayor) que en la luz. Los buenos tendrán factores de quizás 1000 o más. Por lo general, la resistencia estará en una pequeña cantidad de kilo-ohmios cuando se encienda directamente con una fuente brillante. Así que ese es un lugar para empezar.

P3: Si muevo la fotorresistencia a la izquierda del divisor de voltaje y la resistencia de 5,1 K a la derecha, O si pongo la carga en el colector, el circuito no funciona. Funciona perfectamente cuando el potenciómetro está en uno de los extremos (supongo que es alto).

Quiero entender con cálculos, cómo funcionan las cosas.

En la mayoría de los diseños, tiene algún tipo de elemento de entrada (transductor) y algún tipo de elemento de salida (otro transductor) y el circuito intermedio que adapta la entrada a la salida y también puede realizar alguna función deseada en el camino. Entonces, para diseñar un circuito, comienza por comprender su transductor de entrada y su transductor de salida y qué función desea aplicar entre ellos.

Repasemos tu circuito por partes.

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SALIDA : Un solo LED típico requiere aproximadamente$20\:\textrm{mA}$para operar y un$2-3.5\:\textrm{V}$voltaje de cumplimiento dependiendo del color/tipo. (También requieren un voltaje, pero el enfoque está en la corriente). Creo que los circuitos instantáneos incluyen un LED ROJO. Eso necesitaría sobre$2\:\textrm{V}$, más o menos. Ya que estás usando$6\:\textrm{V}$para una fuente de alimentación, esto significa que necesita una resistencia para caer$3-4\:\textrm{V}$en esa corriente. Una resistencia de$150-220\:\Omega$sería apropiado aquí. Pero creo que los circuitos instantáneos solo incluyen un$100\:\Omega$resistor. También podrías usar un$1000\:\Omega$valor, también, ya que el LED seguirá siendo bastante visible usando eso también. También necesitará un transistor operado como un interruptor para manejar esto.

El arreglo podría parecerse a uno de los dos siguientes:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La base necesita tener algo adjunto, por supuesto. Pero esos dos son más o menos como se vería una sección de salida. El del lado izquierdo es probablemente el enfoque más utilizado para una salida como esta.

Con esta orientación del lado izquierdo, el NPN BJT funciona como un interruptor y su voltaje base (en relación con el terminal negativo/emisor) será del orden de aproximadamente$750\:\textrm{mV}$para abastecer completamente$20-30\:\textrm{mA}$para el LED y sobre$700\:\textrm{mV}$con el fin de suministrar sobre$4-5\:\textrm{mA}$. (Recuerdo que una pequeña señal NPN BJT tiene sobre$V_{BE}=700\:\textrm{mV}$cuando$I_C=4\:\textrm{mA}$y sé que esto se puede escalar hacia arriba o hacia abajo usando$V_{BE}\approx 700\:\textrm{mV}+26\:\textrm{mV}\cdot \textrm{ln}\left(\frac{I_C}{4\:\textrm{mA}}\right)$.) Dado que el BJT está operando como un interruptor aquí, la corriente base requerida será de aproximadamente$\tfrac{1}{10}$th a aproximadamente$\tfrac{1}{20}$th de la corriente del LED, con este enfoque.

Su sección de salida adopta un enfoque diferente, como se representa a la derecha. Coloca esa resistencia y el LED en la pata del emisor. Aquí, el NPN BJT funciona como seguidor de emisor. Esto también funciona. Pero en este caso, el voltaje base debe ser lo suficientemente alto para contener la caída de voltaje del LED (alrededor de$2\:\textrm{V}$), la caída de la resistencia limitadora de corriente (alrededor de$100\:\Omega\cdot 20\:\textrm{mA}=2\:\textrm{V}$), más los necesarios$V_{BE}\approx 750\:\textrm{mV}$. Esto significa$V_B \ge 4.75\:\textrm{V}$para abastecer completamente$20-30\:\textrm{mA}$. O quizás$V_B\ge 3\:\textrm{V}$con el fin de suministrar sobre$4-5\:\textrm{mA}$. Entonces, el LED parecerá estar ENCENDIDO en un rango mucho más amplio de voltajes base con este arreglo, ya que las variaciones de$V_B$ajuste la corriente del LED cambiando la caída de voltaje a través de la resistencia limitadora de corriente, en lugar de encenderla o apagarla exactamente. Pero, con un voltaje base por debajo de aproximadamente$2.1\:\textrm{V}$, el LED debe estar completamente APAGADO, ya que el LED debe estar APAGADO cuando experimenta menos de$1.6\:\textrm{V}$. Entonces, en algún momento está, de hecho, APAGADO.

Como seguidor de emisor en este arreglo, no es posible que el BJT se sature ($V_{BC}$no puede reenviar la polarización). Por lo tanto, la corriente base requerida será de aproximadamente$\tfrac{1}{\beta}$de la corriente del LED. Lo que probablemente sea mucho menos que en el circuito del lado izquierdo, aunque esto varía según el BJT específico en uso.

Dos enfoques diferentes con diferentes requisitos para conducirlos.

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ENTRADA : El LDR es la entrada al circuito. Creo que ya puede comprender que se puede usar como parte de un circuito divisor de voltaje. Algo como el lado izquierdo o el lado derecho de esto:

^{simular este circuito}

También he incluido su resistencia variable. El rango de valores indicado para el LDR proviene de algunas mediciones reales que acabo de hacer usando el dispositivo RP de los circuitos instantáneos. Solo jugando con esto aquí, supongo que querrías encender el LED cuando la resistencia es$\ge 300\:\textrm{k}\Omega$y querrás apagarlo cuando la resistencia sea$\le 100\:\textrm{k}\Omega$.

En el caso de la izquierda, más luz hará que la salida del divisor de voltaje disminuya. En el caso de la derecha, más luz hará que aumente la salida del divisor de voltaje. Cuál de estos elijas dependerá de tus objetivos. Pero esos son dos enfoques simples para hacer algo con su transductor de entrada que hará cambios en su circuito.

Dado que tiene un transistor NPN que se encenderá mejor con voltajes más altos en su base (en cualquiera de los dos escenarios de circuito de salida mencionados anteriormente), y suponiendo que desea que el LED se APAGUE cuando las cosas estén claras y ENCIENDA cuando las cosas estén oscuro, entonces desea la disposición del circuito del lado izquierdo porque las situaciones más brillantes hacen que el voltaje disminuya (y que el transistor se apague).

Su ejemplo (y el mío) usan una resistencia variable. Esta es probablemente una buena idea, ya que le permite jugar con el valor exacto del voltaje de salida en cualquier caso, simplemente ajustando la resistencia variable a diferentes valores divididos en el lado "alto" o el lado "bajo" de su circuito divisor. Con circuitos rápidos, el$50\:\textrm{k}\Omega$la resistencia variable es su única opción.

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CIRCUITO : En este punto, tiene un arreglo seleccionado para la entrada y uno de los dos posibles para la salida. La pregunta que queda es si necesita algún circuito adicional; o si puede simplemente conectar los dos juntos tal como están.

Sin otras opciones por ahora, sabemos qué circuito de entrada necesitamos. Es el del lado izquierdo.

Así que volvamos a los dos circuitos de salida diferentes y comencemos con el de la izquierda. El LDR (RP) tendrá un valor de cientos de miles de ohmios bajos sobre dónde necesitamos cruzar de encendido a apagado o viceversa. Pero solo podemos tener alrededor$700\:\textrm{mV}$en el divisor, entonces. Para lograr que el valor de$R_1$además, una porción de RV debe ser muy grande... ciertamente más de un millón de ohmios. Y eso simplemente no es posible con los circuitos instantáneos. Aquí está el circuito que simplemente no se puede hacer bien:

^{simular este circuito}

Ahora, mirando el circuito de salida del lado derecho, parece haber más posibilidades, ya que el LED está completamente APAGADO debajo$2.1\:\textrm{V}$. Pero incluso aquí, necesitaríamos el doble de resistencia en$R_1$más una parte de RV en orden, en comparación con la parte restante de RV más la resistencia de LDR. Y esto también significaría muchos cientos de miles de ohmios. Lo cual tampoco es fácilmente alcanzable. La resistencia de Thevenin en la base sería de aproximadamente$100-300\:\textrm{k}\Omega$, que caería de$2-12\:\textrm{V}$, Dependiendo de$\beta$y los detalles exactos de las resistencias, el LDR y la corriente del LED. Es probable que algunos valores funcionen aquí, pero es muy difícil diseñar valores que funcionen con seguridad. Así que esto es una mejora, pero no es realmente designable:

^{simular este circuito}

Hagamos una verificación rápida con el circuito anterior. Sabemos que estará firmemente APAGADO cuando el voltaje base caiga por debajo$2.1\:\textrm{V}$. En este punto, el LDR ($RP$) estará en algún lugar entre (creo)$100\:\textrm{k}\Omega$y$300\:\textrm{k}\Omega$. Ignorando la resistencia variable por ahora, esto significa que:

$$R_3=\frac{\left(6\:\textrm{V}-2.1\:\textrm{V}\right)\cdot RP}{2.1\:\textrm{V}}\approx 1.9\cdot RP$$

Pero la resistencia variable es solo$50\:\textrm{k}\Omega$y la resistencia más grande disponible en los circuitos instantáneos es$100\:\textrm{k}\Omega$. Eso es$150\:\textrm{k}\Omega$total. Pero incluso si el umbral de LDR está en$RP=100\:\textrm{k}\Omega$, necesitaríamos$190\:\textrm{k}\Omega$. Así que en realidad no es suficiente. Es posible que el LED sea lo suficientemente tenue, apenas ENCENDIDO. Si tiene suerte. Pero no nos deja espacio para jugar con la ambientación.

Simplemente no es designable.

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Como dije antes, saqué un módulo "RP" de circuitos instantáneos y lo medí con mi voltímetro. me acerco$5\:\textrm{k}\Omega$en luz brillante y superar bien$10\:\textrm{M}\Omega$en la oscuridad. (Si lo cubro por completo, sube lo suficiente como para que mi multímetro Tektronix más barato lo muestre como un circuito abierto). Y sigo pensando que el punto de conmutación debería ser ajustable desde$100-300\:\textrm{k}\Omega$, más o menos. Tal vez incluso un rango más amplio sería mejor.

Lo que me lleva a elegir un enfoque diferente, si tiene la suerte de tener uno de los kits de circuitos instantáneos más grandes: uno que incluye un transistor NPN y PNP. Si es así, puede probar el siguiente circuito:

^{simular este circuito}

¡Lo he comprobado aquí usando piezas reales que se encuentran en un kit real y funciona muy bien! La resistencia variable,$RV$, también tiene un control bastante suave sobre la sensibilidad a la luz. Aquí una foto del resultado:

El circuito anterior comienza dividiendo la resistencia limitadora de corriente y el LED. La resistencia de límite de corriente permanece en la pata del emisor y el propio LED entra en la pata del colector. Esto permite que el NPN BJT esté ubicado de manera más central entre los rieles de voltaje y la resistencia de límite de corriente ahora puede tener dos propósitos: limitar la corriente cuando se supone que el LED está ENCENDIDO y, además, una forma de proporcionar retroalimentación para apagar el NPN cuando queremos que el LED esté APAGADO.

El siguiente paso es activar activamente el NPN. Para hacer eso,$R_4$se inserta de modo que proporcione corriente de base al transistor NPN. El voltaje del emisor controla la corriente del colector que alimenta al LED. Este voltaje del emisor debe ser de:

$$V_E = 6\:\textrm{V}-V_{BE}-R_4\cdot\frac{6\:\textrm{V}-V_{BE}}{R_4+\left(\beta+1\right)\cdot R_2}\approx 4.5-5\:\textrm{V}$$

Esto implica una corriente LED de$4.5-5\:\textrm{mA}$, que debe ser fino y visible.

Pero ahora agregamos el transistor PNP. Si la resistencia del LDR aumenta mucho, entonces la base PNP se acercará al riel positivo y se apagará, dejando el circuito NPN intacto. Entonces, el LED estará ENCENDIDO. Pero si la resistencia LDR cae lo suficiente, la base del PNP comenzará a conducir más y más corriente y el colector del PNP comenzará a generar corriente en$R_2$, obligando a la caída de voltaje a aumentar y moverse rápidamente por encima$5\:\textrm{V}$. Cuando esto suceda, la NPN se verá obligada a desconectarse ya que no hay más espacio para el requerido.$V_{BE}\approx 700\:\textrm{mV}$. De hecho, casi no habrá espacio, con bastante rapidez.

Lo bueno de esto es que la resistencia variable tiene el rango correcto de valores para ir junto con la región de resistencia LDR donde queremos encender y apagar las cosas.

Este circuito señala algo que mencioné al principio: la necesidad de creatividad y resolución de acertijos. La forma normal de hacerlo es simplemente usar un BJT para un interruptor y conectar el LED y la resistencia limitadora de corriente en la pata del colector. Así es como comencé a mirar tu pregunta. Pero hay un problema serio que tiene que ver con el LDR y esas "funciones de circuito" entre su sensor y su LED. Además, los circuitos instantáneos también están muy limitados en las piezas suministradas. Lo que limita aún más las cosas. Dado solo un NPN y un PNP, estaba prácticamente atascado haciendo las cosas de manera diferente.

Lo que hice fue mover la resistencia limitadora de corriente al emisor. Hacer esto me dio un lugar donde podía usar el PNP para generar corriente en esa resistencia y forzar su caída de voltaje para aumentar. Al hacerlo, esto apagaría la NPN. (Otra forma de verlo es que al mover la resistencia de la pata del colector a la pata del emisor, he hecho que la resistencia tenga dos propósitos (limitación de corriente y retroalimentación) en lugar de solo uno (limitación de corriente).

Entonces, a medida que el LDR disminuye en resistencia, aumenta la corriente base en el PNP BJT, aumentando su corriente de colector en$R_2$. Esto aumenta la caída de voltaje a través$R_2$y pellizca el emisor base de la NPN, reduciendo su unidad disponible para el LED.$RV$luego solo ajusta un poco esta polarización.

Consideré algunas otras ideas impracticables antes de darme cuenta de una topología que realmente funcionaría. (Es fácil analizar un circuito, una vez que lo tienes.) Pero era obvio que estaría bien, una vez que dejó de pensar en diferentes arreglos.

Así que es por eso que no esperas que un niño de secundaria ingrese números en alguna página web. Espero que ese punto se haga, abundantemente. Acabo de expresar mi propio punto al hacer esto aquí y exponer mi proceso de pensamiento. Creo que puedes ver por qué incluso algo tan simple como esto no siempre es "repetitivo". A veces, estás limitado a límites en partes como este es el caso aquí.

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Para otros interesados, aquí hay tres fotos tomadas para mostrar las partes de interés en un kit de circuitos instantáneos.