¿Es mi diseño óptimo?

Quería encender y apagar un LED usando una señal de un Arduino. El LED era un LED de alta potencia, que elegí sobrecargar con 100 mA con una fuente de voltaje de 12 V. La caída de voltaje directo del LED es de 4 V.

La conmutación se realizó utilizando un transistor BC547b, que tiene una resistencia de 2,5 kohm en su pata base al pin Arduino. La corriente base es 100mA/200

Elijo usar BC547b ya que parece un transistor de uso múltiple, pero al inspeccionar más a fondo el transistor, vi que su colector Imax tiene una clasificación de 200 mA (menos mal que no lo suministré con más de 12 V o diseñé la resistencia para que no tire más de 100mA).

El emisor estaba conectado a tierra.

Pero aparte de eso, puedo ver que, en términos de eficiencia, usa "mucha" energía, no está completamente saturado ... ¿El transistor no exhibió tanto calor? Así que no estoy seguro de si es algo bueno o malo.

Pero aparte de eso, ¿qué parámetros debo analizar para elegir el transistor para cambiar esta forma de circuito?

¿Cómo puedo elegir, en general, un transistor ideal en relación con la velocidad, el uso de energía y el manejo de señales de alta frecuencia?

Sé con certeza que la salida de mi pin Arduino es de 3,3 V (podría ser un modelo falso). Pero eso es seguro.

Circuito

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¿Mis opciones de diseño son óptimas para esta aplicación?

R1 = 2500 ohmios R2 = 4 ohmios. V_c = 3,3 v V_{cc} = 12 V

¿El LED con una resistencia integral está diseñado para funcionar directamente en 12V? La corriente de su resistencia base es: 5V (salida de arduino) - 0.7V (voltios de saturación del emisor base) / 2500 o aproximadamente 1.7mA. Suponiendo que hfe de 100 dará una corriente de colector de 172 mA (si nada más limita la corriente).
La salida de aurdino se calcula para dar 3,3 V. hfe = 200 de la hoja de datos Por lo tanto, Ic = 200 * (3,3-0,7)/2500 Pero el colector está limitado a extraer solo 100 mA mediante una resistencia en la pata del colector.
¡Está bien, pero tenga en cuenta que hfe solo es válido cuando el transistor no está saturado! Como desea usarlo como un interruptor, desea llevarlo a la saturación. El truco para hacerlo es proporcionarle suficiente corriente de base para que el transistor permita que fluya la mayor cantidad posible de corriente de colector. La resistencia de 2,5 kohm debería poder proporcionar suficiente corriente base incluso desde una salida de arduino de 3,3 V.
Exacto.. El mío no está saturado.. O eso creo. V_ce = 12V y I_c = 100mA
Aunque creo que está en saturación. Ante la duda se puede medir. Mida Ic, si es de 100 mA y lo determina el LED, el voltaje a través del transistor será pequeño, como menos de 500 mV. Entonces estás en saturación. Si la corriente es inferior a 100 mA y el transistor limita la corriente, su Vce será superior a 1 V, entonces el transistor no está saturado. Creo que necesitará una resistencia base mucho más grande (más de 10 kohm) para estar en la región no saturada.
"V_ce = 12V and I_c = 100mA" Eso no puede ser cierto al mismo tiempo, su transistor se CALENTARÁ y se quemará.
Esa fue mi conclusión también... ¿Pero no sucede?
No, no al mismo tiempo . Es un malentendido común. Cuando el transistor está apagado , no fluye corriente, por lo que Ic = 0 y Vce es de 12 V porque el transistor se comporta como un circuito abierto. No fluye corriente, por lo que no se disipa energía y todo está bien :-) Cuando el transistor está encendido , la corriente fluirá de modo que Ic = 100 mA y Vce será pequeño, como menos de 500 mV. Esto nuevamente da como resultado una baja disipación de potencia en el transistor, por lo que está feliz y todo vuelve a estar bien :-)
Pero, ¿es una elección adecuada? extraer corriente de un arduino no es lo mejor que se puede hacer, y ¿qué pasa con el tiempo de subida? ¿Reacciona lo suficientemente rápido?
No estoy seguro de entender por qué V_ce = 500 mv => ¿por qué exactamente 500 mV?
"que elijo sobrecargar con 100 mA" , ¿por qué estás haciendo esto? Vas a reducir severamente la vida del LED.
Para hacer que la luz sea más brillante... Sé que no es recomendable, pero solo se iba a usar unas pocas veces, así que no me resultó un problema sobrecargarla.
"¿Por qué exactamente 500mV?" Nunca escribí exactamente 500 mV . Hice una suposición muy aproximada. Podría ser 600 mV o 400 mV. El valor exacto no importa, la mayoría de los 12 V estarán en el LED y/o la resistencia en serie. Mientras el voltaje a través del transistor sea significativamente más pequeño que 12 V, estará bien.
Pero, ¿cómo obtuviste ese valor? Quiero decir que el voltaje directo a través del diodo es de 4 V, por lo que V_ce debería ser de 8 V cuando el interruptor está encendido. No estoy seguro de entender cómo podría ser 500 mV, creo que tienes razón, pero no entiendo cómo.
Otra cosa es que el Ic tiene una capacidad máxima de 100 mA, lo que significa que si la fuente de alimentación se ondula un poco, no podría funcionar correctamente.

Respuestas (2)

La conmutación se realizó utilizando un transistor bc547b. El cual tiene una resistencia de 2.5kohm en su pata base al pin aurdino. La corriente base es 100mA/200

No, esto es falso. La corriente base NO ES 100 mA. Algunos arduinos funcionan con 5V y algunos con 3V3. He asumido 3V3 y si el pin GPIO que maneja la base fuera alto, la corriente probable que fluye hacia la base es: -

yo = 3.3 V − 0.6 V 2500 Ω = 1,08 mA.

Los 0,6 V provienen de la caída de tensión directa del emisor base en el BC547.

Entonces, independientemente de que la corriente del colector sea un problema, lo está manejando con 1 mA y no con 100 mA. FYI, los pines GPIO de arduino no pueden generar nada como 100 mA.

Si desea conducir 100 mA en el LED, entonces un BC547 puede hacerlo, pero probablemente necesitará una resistencia limitadora de corriente en serie con el LED. Consideraría reducir la resistencia base a algo así como 470 ohmios y poner una resistencia de 100 ohmios en serie con el LED PERO, todo esto supone que tiene un LED de alta potencia bastante estándar con una caída de voltaje directa de 2 o 3 voltios.

No ha revelado esta información, por lo que necesita investigar esto y posiblemente regresar con un enlace a la hoja de datos.

Se refería a 100 mA / hfe, que es mejor pero sigue siendo incorrecto.

Quiere que el BC547b baje la menor Vce posible, si baja digamos 500 mV, eso dará como resultado 500 mV x 100 mA = 50 mW. No mucho y el BC547b puede manejar eso fácilmente.

La corriente base no será Ic/beta = 100 mA/200 por varias razones. ¡Ya definiste Ib con tu resistencia base de 2,5 k ohmios!

Suponiendo que el Arduino funciona con una fuente de alimentación de 5 V, suponiendo también que el Vbe del BC547b es de 0,7 V, entonces I(Rb) será (5 V - 0,7 V)/ 2,5 kohm = 1,7 mA.

Dado que su Ic es de 100 mA, entonces la beta sería de 100 mA / 1,7 mA = 59. Pero, en realidad, el BC547b tendrá una beta considerablemente más alta que 59, incluso con Ic = 100 mA. Entonces, el BC547b estará saturado, lo cual es bueno.

Todo esto me parece bien :-)

Seguro que puedes optimizar a lo que sea, pero tienes que preguntarte: ¿qué ganaré con eso? Yo diría: nada que valga la pena.

Solo una nota al margen, para obtener más eficiencia del circuito, dado que cada LED cae 4v a 100mA, coloque dos de ellos en serie y disminuya R2 en consecuencia. La pérdida a través de R2 será menor, ya que está cayendo menos voltaje. No usaría tres LED (4v x 3 = 12v) con una resistencia de 0Ω porque no ofrece protección contra sobrecorriente. (Cualquier pico en el riel de 12v probablemente destruiría el BC547B).
Muy mala respuesta. Para que el transistor esté saturado, debe suponer que la vida útil es de 10 a 20. La ganancia del modo activo no es igual a la ganancia del modo de saturación. La corriente base debe estar en el rango de 5 a 10 mA si no desea que el transistor disipe energía no deseada.
Creo que bombear 10 mA a la base desperdicia la misma cantidad de energía. Su comentario sugiere que debe estar en una profunda saturación. No creo que sea necesario, funciona bien cuando el transistor está un poco saturado. Pero si me equivoco y no funciona, demuéstrenlo para que pueda aprender algo.
@WhatRoughBeast La hoja de datos muestra un gráfico de voltajes de saturación en hfe = 10. ¡Pero esa no es una propiedad del transistor! Es una condición de prueba . Podría hacer un gráfico similar para la condición hfe = 59 (como en mi respuesta). Entonces Vce_sat será mayor, por supuesto. Pero el transistor todavía está en modo de saturación.
@FakeMoustache: si VCE es mayor que VBE, el transistor, por definición, no está saturado. En estos niveles actuales, puede saturarse, pero puede que no. Por ejemplo, ejecutar una simulación (TINA) da saturación con la resistencia base de 2,5 k y 100 mA, pero una resistencia base de 3 k no se satura.
Y 2.5 k es lo que se usó, por lo que el transistor está saturado como era mi intención.
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