En un circuito conmutado por un transistor NPN, ¿la fuente de alimentación y la entrada necesitan la misma conexión a tierra?

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

2. Vea arriba, el emisor debe usar la misma tierra que la fuente de la 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 de Arduino.
   "Tierra" es solo un término para un punto de referencia para medir voltajes en su circuito, puede elegir cualquier punto (aunque generalmente es una red conectada a la terminal negativa de un suministro). Por ejemplo, podría llamar "tierra" al punto al que se conecta el terminal positivo en el circuito, y luego la "tierra original" (la tierra como se muestra en su circuito) sería de -12 V en relación con ella. El terminal negativo no significa que el voltaje sea negativo, solo te dice en qué dirección fluye la corriente.

4. (a) R1 es para limitar la corriente a la base del transistor. Para calcular el valor, necesitamos saber cuánta corriente estamos conmutando (es decir, cuánta 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 con 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 0,7 V, por lo que la resistencia en serie (R1) debe tener un máximo de: (5 V - 0,7 V) / 0,1 mA = 43 kΩ
   Como la ganancia puede variar (pasar del valor mínimo en la hoja de datos para estar seguros), podemos elegir 33 kΩ para tener algo de corriente base de sobra. Tenga en cuenta que para que sea 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 de saturación (como lo menciona Shokran). Entonces, elegimos una resistencia de un valor más bajo que el calculado para asegurarnos de que podemos acercar el colector a tierra. En los casos, por ejemplo, con transistores de potencia en los que es importante minimizar la disipación, es aconsejable elegir un valor de al menos 5 veces menos que el calculado (o suponer una ganancia de ~20) para que podamos bajar hasta 4,3k en el ejemplo anterior.

   (b) R2 está allí para asegurarse de que la base se conecte a tierra cuando se elimine la corriente de la unidad. Esto es para evitar que la corriente de fuga encienda parcialmente el transistor. No es necesario que el valor sea demasiado preciso, solo lo suficiente para desviar la corriente de fuga (hoja de datos) y no demasiado bajo para robar demasiada corriente de la unidad base. 5-10 veces la resistencia en serie (o 1kΩ a 500kΩ) es un rango aproximado para empezar. 100k&Omega es un valor razonable para la mayoría de los casos, aunque aquí elegiría 330k ya que la corriente de fuga debería ser mínima. Si necesita bajar mucho más, 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, es solo si el pin se establece en Alta impedancia (es decir, entrada)
   Nota 2: esto rara vez es algo de lo que preocuparse con los BJT (los MOSFET son otro asunto y definitivamente no quieren quedarse 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 generalmente la corriente de fuga será demasiado pequeña para importar.

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

1), 2) y 3)
Si usa 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 tomas el positivo de las baterías como referencia el negativo estará en -12 V, si tomas el negativo como referencia el positivo estará en +12 V. Pocos circuitos usarán el positivo como referencia, nos gusta voltajes positivos mejor. Entonces, el negativo de las baterías va al suelo de 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 5 V a través del emisor, y una corriente de colector que ingresa al colector y también regresa a la batería a través del emisor. Ya que las corrientes tienen el emisor en común (se llama circuito emisor común ) ahí será 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 positivo de la fuente de alimentación hasta el negativo. La corriente base comenzaba en +5 V, por lo que no cerraría el circuito cuando siguiera el camino de tierra de las baterías.

4)
Dejaremos R2 fuera por un momento. Debido a que el emisor base actúa como un diodo, la base está en alrededor de 0.7 V. Aplica 5 V para activar el transistor, luego, de acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente a través de R1 (que es la corriente base) es$\frac{5V-0.7V}{R1}$. El transistor amplificará esa corriente a una corriente de colector suficientemente alta para impulsar el relé. ¿Qué es lo suficientemente alto? Por lo tanto, debe verificar la hoja de datos del relé. Le dirá la corriente requerida o la resistencia de la bobina, y luego puede calcular la corriente, nuevamente con la Ley de Ohm. Un relé normalmente 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 base necesitamos para obtener eso, tenemos que mirar la hoja de datos del transistor. Digamos que tengo 100 000 BC547B por ahí (olvidé el punto decimal cuando los pedí) para los cuales necesito un propósito. La ganancia de corriente 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. (Siempre use los valores del peor de los casos, para$h_{FE}$ese es el valor minimo. Si usa valores típicos, es posible que tenga muy poca corriente para algunas partes).

Entonces, para obtener una corriente de colector de 35 mA, necesitamos 35 mA/200 = 0,175 mA de corriente base. 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 elegimos un valor más alto, la corriente será menor, también la corriente del colector será menor y es posible que nuestro relé no se active. Entonces tiene que ser más bajo, 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 seguirla, pero la resistencia de la bobina la limitará. Si la resistencia de la bobina es de 360 ​​Ω, la Ley de Ohm dice que no puedes obtener más de 35 mA a 12 V, sin importar cuánto lo intentes.

Elijamos una resistencia de 10 kΩ. Es un valor mucho más bajo de lo que necesitábamos, pero estaremos bien. La corriente base será de alrededor de 0,5 mA, que el Arduino suministrará felizmente, y el transistor intentará hacer esos 100 mA, pero nuevamente, estará limitado a nuestros 35 mA. En general es una buena idea tener algo de margen, en caso de que los 5 V sean un poco menos, o cualquier otra variación que pueda haber en los parámetros. Tenemos un margen de seguridad de factor tres, que debería estar bien.

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

Teníamos una corriente base de 0,5 mA cuando estaba encendido, pero con R2 paralelo al emisor base, perderemos parte de esa corriente allí. Si R2 es de 10 kΩ, consumirá 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 genera corriente, todo irá a la base. Si el optoacoplador está apagado, el fototransistor aún creará 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 introducimos R2 y elegimos 68 kΩ para él. Entonces R2 creará una caída de voltaje de 68 mV/µA. Siempre que la caída de tensión sea inferior a 0,7 V, toda la corriente pasará por R2 y ninguna a la base. Eso es a 10 µA. Si la corriente es mayor, la corriente de R2 se recortará en 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 baja.

Excepto en este caso, el R2 controlado por corriente rara vez será necesario. No lo necesitarás aquí.

Parece que vale la pena mencionar que si realmente necesita tener 2 terrenos separados, entonces tiene la opción de un relé de estado sólido AKA optopar. Pero estos son varias veces más voluminosos y costosos que los transistores (todavía no está mal para un proyecto pequeño), así que úselo solo si realmente lo necesita.