En este circuito de transistores, ¿cuál es el propósito del diodo a través del motor?

1. El diodo en esta configuración se llama diodo "flyback". Un motor consta de una bobina de alambre que es efectivamente un inductor (y un electroimán). A medida que el motor gira, la bobina se encenderá y apagará con el conmutador dentro del motor, lo que provocará picos de voltaje. El diodo proporciona un camino para esta energía para que pueda disiparse en el riel de +5 V en lugar de ir a otro lugar menos predecible. También encontrará estos diodos en las bobinas de los relés. Por lo general, también colocará un condensador en el riel de 5 V para absorber aún más los picos (de lo contrario, habrá ruido en todas partes). NOTA: Su pregunta dice "Fuente de alimentación del pin 9". Eso es incorrecto, vea la siguiente pregunta.

2. Sí, pero no muy actual. Ese es el propósito de este circuito. Se puede usar muy poca corriente (uA o mA) para controlar un motor (~ 200 mA con ese transistor de +5 V a través del motor). Solo alrededor de 330uA (probablemente más cerca de 270uA ... No he ingresado ningún número en una calculadora) fluirá desde el Pin 9 a tierra a través del transistor. La corriente para el motor proviene del riel de +5V.

3. Eso es correcto. Cuando se habla con alguien, la corriente siempre fluye de alto potencial (+) a bajo potencial (-), aunque los electrones vayan en la dirección opuesta. Realmente es solo una convención para que todas las señales funcionen.

Para comprender este truco, un principiante debe imaginar cuáles son los voltajes (magnitud y polaridad) y dónde fluyen las corrientes (dirección y trayectoria). Lo sé por mi experiencia personal; es por eso que he visualizado estas cantidades eléctricas invisibles en las siguientes imágenes mediante barras de voltaje (en rojo) y bucles de corriente (en verde). He considerado la configuración similar pero más simple con un inductor (por ejemplo, una bobina de relé), pero también se puede aplicar al motor.

1. La clave de la comprensión intuitiva de los circuitos inductivos es pensar en el inductor como una "fuente de corriente recargable". Entonces, cuando se enciende el transistor T (Fig. 1), el voltaje de suministro se aplica al inductor L y comienza a cargarse. La corriente$I_{CH}$aumenta gradualmente desde cero hasta su máximo (determinado por la resistencia interna de la bobina). Tenga en cuenta que el signo del voltaje en la entrada del inductor es positivo ya que actúa como una carga.

2. Cuando el transistor se apaga (Fig. 2)... y no hay ningún diodo conectado, el inductor, comportándose como una fuente de corriente, "quiere" pasar la misma corriente. Primero, invierte la polaridad de su voltaje interno.$V_L$(fem posterior); luego, cuando el circuito está abierto, comienza a aumentar este voltaje con la esperanza de pasar la corriente a través del transistor. Por lo tanto, su voltaje excede muchas veces el voltaje de suministro y se suma a él. Es como si el transistor estuviera alimentado por una fuente de alimentación compuesta de muy alto voltaje ... y si su voltaje máximo no es lo suficientemente alto, se romperá.

3. Si se conectó un diodo D en paralelo a la bobina (Fig. 3), proporcionará un camino para su corriente$I_{DSCH}$... y la bobina se descargará rápidamente a través de él. Ahora el voltaje de suministro está limitado solo a$V_{CC} + V_F$, que es seguro para el transistor.

Como un pequeño aparte, pensé que debería ampliar el comentario de Tony Stewart.

El circuito que está viendo está perfectamente bien en principio, pero solo se puede usar para los motores más pequeños.

Póngalo de esta manera: para obtener mucha corriente (y, por lo tanto, mucho par o potencia) del motor, necesita que el voltaje sea lo más cercano posible a 5 voltios. Esto significa que el voltaje a través del transistor (Vce) debe ser lo más bajo posible, y ciertamente menos de 1 voltio. Además de este problema obvio, tenga en cuenta que la potencia disipada en el transistor es el producto del voltaje (Vce) y la corriente (principalmente corriente de colector).

Esto es perfectamente posible, pero hay límites. La más importante es que, cuando el transistor funciona con un Vce muy bajo (normalmente, menos de un voltio), su ganancia cae significativamente. La regla general para esta condición, llamada saturación, es una ganancia de 10 a 20, en la que puedes elegir qué tan optimista quieres ser. El valor conservador es 10. En este valor, puede esperar Vce de aproximadamente 0,2 voltios, siempre que respete que esto implica un nivel de corriente específico.

Ahora mira tu circuito. Si el pin 9 tiene un voltaje máximo de 3,3 voltios, el voltaje a través de la resistencia base será de aproximadamente 3,3 a 0,6 voltios, o aproximadamente 2,7 voltios. El 0.6 proviene de la caída de voltaje del emisor base. 2,7 voltios divididos por 10k da una corriente base de unos 270 uA. Conducir la base con esta corriente da una corriente de colector máxima de aproximadamente 2,7 mA, o 5,4 mA con una ganancia de saturación de 20. Si el transistor está completamente "ENCENDIDO", Vce será de aproximadamente 0,2 voltios. Entonces, la potencia máxima disponible para el motor será de aproximadamente 4,8 voltios por 2,7 a 5,4 mA, o algo del orden de 13 a 26 mW. Solo como punto de referencia, 1 caballo de fuerza equivale a unos 750 vatios, por lo que está hablando de 17 a 34 microcaballos de fuerza.

Esto no es inútil; puede hacer girar un pequeño indicador muy bien con un motor de baja potencia. Es solo que no podrá hacer (por ejemplo) ningún tipo de vehículo, ni podrá levantar muchas cargas con una polea.

Si realmente quiere construir su circuito, ¿qué necesita para un motor? Deberá tener una capacidad nominal de 5 voltios o más, con lo más cercano a 5 voltios que pueda encontrar. Cómprate un DMM (multímetro digital) barato por 10 a 20 dólares y mide la resistencia del motor. Tendrá que ser del orden de 900 a 2k ohmios o más. La resistencia es igual al voltaje sobre la corriente. 4,8 voltios divididos entre 0,0027 y 0,0054 le darán los números (recuerde que hablamos de mA, no de amperios).

Obviamente, puede obtener más corriente al impulsar el transistor con más fuerza, y lo hace al reducir la resistencia base. Sin embargo, tenga en cuenta que en algún momento el Arduino no podrá generar suficiente corriente desde el pin 9 y el voltaje en el pin comenzará a caer. Debería estar bien con reducir la resistencia a 1k, y posiblemente a la vecindad de 330 ohmios o más o menos, con el consiguiente aumento en la corriente del transistor (y del motor). Te animo a que investigues esto de forma sistemática. Cuando lo haga, también verifique la temperatura del transistor regularmente. Los 2N3904 no son dispositivos de alta potencia, así que no se sorprenda si se calienta. Afortunadamente, también son muy baratos, así que no te vuelvas demasiado paranoico por quemar algunos.

En el peor de los casos, aprenderás sobre Magic Smoke. ¿Sabías que los transistores en realidad funcionan por arte de magia? En el centro de cada transistor hay un pequeño bolsillo de Magic Smoke. Si dejas salir el Humo Mágico, el transistor dejará de funcionar, y esto prueba que el Humo Mágico lo hizo funcionar.

¿Bien?

En respuesta a sus preguntas, si bien el circuito funcionará sin el diodo, su propósito es proteger los delicados componentes electrónicos de las sobretensiones muy altas que provienen del motor cuando se apaga. Verá, los devanados del motor actúan, no solo como un electroimán, sino también como un inductor, que almacena una gran cantidad de energía en su campo magnético. Cuando la energía suministrada al motor se apaga, ese campo colapsa y vuelca toda su energía almacenada en el circuito en una gran oleada, lo que puede dañar los componentes electrónicos. Entonces, el diodo actúa como un "cortocircuito" para el motor, proporcionando un camino para que los devanados se descarguen, como una resistencia de purga a través de un gran capacitor.

A continuación, con respecto a la dirección de la corriente, históricamente se consideraba que la corriente fluía desde los puntos con carga + hacia aquellos con carga -, sin embargo, finalmente se descubrió que los electrones, de hecho, fluyen desde los puntos - hacia los puntos +. Este concepto se refiere a una "corriente de electrones", mientras que la idea original se llama "corriente convencional".

Dado que las fórmulas utilizadas para calcular los valores electrónicos se diseñaron utilizando la sabiduría de la época, la "corriente convencional" todavía se usa ampliamente al diseñar nuevos circuitos.

Por lo tanto, sería más correcto decir que la corriente fluye desde tierra, a través del emisor hasta el pin 9, aunque, en realidad, la distinción es bastante académica; lo que sea que creas, "simplemente funciona". Espero que esto ayude: ¡sigue aprendiendo y disfrutando de este fascinante campo de estudio!

Todas las respuestas aquí enfatizan que las cargas inductivas como un motor transportan una carga de energía que descarga el diodo flyback. Esto no es lo que sucede aquí, y los diodos flyback serán dispositivos comparativamente pequeños que obviamente no podrán emitir mucha energía.

Lo que está en juego aquí es que los inductores apagados se suman como fuentes de corriente, manteniendo su corriente actual. Incluso si esta corriente es baja, si tiene una resistencia infinita contra la cual trabajar, el voltaje resultante puede volverse arbitrariamente grande, como una descarga estática al caminar sobre una alfombra de fibra plástica. Es el voltaje resultante solo el que destruye los circuitos.

El diodo flyback proporciona un camino para que la corriente siga fluyendo. Dado que el voltaje a través de él es bajo (idealmente cero), no se destruye mucha energía aquí: la mayor parte se disipa en la resistencia de las bobinas del motor. Sin embargo, según el tamaño, el tipo y la carga del motor, el motor puede actuar como una inductancia bastante grande, ya que no retroalimenta solo la energía del campo eléctrico, sino también la energía mecánica a sus entradas cuando se apaga. En general, el diodo de retorno se dimensionaría de manera similar al transistor de activación.

Lo que hay que recordar es que cortocircuitar un inductor es su modo inactivo , mientras que un circuito abierto fuerza la energía almacenada fuera del circuito magnético del inductor inmediatamente. Por lo tanto, el diodo flyback no solo protege el transistor de conducción, sino también el propio inductor, que de lo contrario podría tener chispas que rompan el aislamiento de sus bobinas y, por lo tanto, lo dañen.

Digamos que el motor está girando un volante. Cuando se apaga la alimentación, el diodo devuelve la energía a través de las bobinas del motor para provocar un cortocircuito o cancelar la electricidad generada.