Uso de transistores NPN como interruptores de encendido/apagado para un circuito LED

Tengo un circuito LED muy básico:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Todos D#son LED de 3Vx0.02A. Para que este circuito funcione, necesitamos una resistencia de 25 Ω para cada cuarteto de LED:

Total LEDs current = 0.02A*4 = 0.08A
Voltage drop = 5V - 3V = 2V
Resistor value = 2V/0.08A = 25Ω

No tenía una resistencia de 25 Ω, así que puse una resistencia de 27 Ω en su lugar.

Ahora, quiero agregar un Arduino para poder encender y apagar cada cuarteto de LED mediante programación. No quiero sobrecargar el Arduino, así que pensé que estaría bien tener una fuente de alimentación externa que le dé a los LED toda la corriente que necesitan para funcionar, sin preocuparme por quemar el propio Arduino.

Pensé que podría usar transistores o MOSFET como interruptores lógicos de encendido/apagado, pero elegí el transistor porque son mucho menos costosos que los MOSFET.

Pensé en comprar un 2N3904, porque admite hasta 200 mA y el circuito requiere 0,08 A por cuarteto de LED.

Hasta ahora sé que el circuito debería verse así:

esquemático

simular este circuito

Definitivamente no soy un experto en electrónica, supuse que debería ser así porque busqué en un sitio que hablaba de LED controlados por Arduino a través de transistores utilizados como interruptores de encendido/apagado. No explicaba nada, solo tenía el circuito, así que lo que quiero preguntar es: ¿por qué la resistencia de 10kΩ? ¿Es correcto el valor? ¿Necesito una resistencia de 1/4W 10kΩ o una de 1/2W? ¿La resistencia de 27 Ω debe permanecer en 27 Ω o debe cambiarse cuando se introduce un transistor?

Por lo general, es una mala idea agrupar los LED usando solo 1 resistencia limitadora de corriente. Esto podría dar lugar a todo tipo de problemas, como luces LED iluminadas de forma desigual.
La declaración anterior es bastante FUD en este punto. Si entiendes cómo funcionan los leds, ponerlos en paralelo está bien. Mire cualquier cadena de LED alimentada por batería. Todos esos leds están en paralelo.

Respuestas (2)

Su concepto básico es correcto, pero hay algunos problemas:

  1. Poner en paralelo 4 LED no es una gran idea. Sería mejor darle a cada LED su propia resistencia. Usted dice que los LED caen 3 V. Calcule unos 200 mV para el transistor saturado, lo que deja 1,8 V en la resistencia. (1,8 V)/(20 mA) = 90 Ω. El valor común de 100 Ω funcionaría bien.

  2. Debe considerar la ganancia del transistor al determinar su resistencia base. Como dices, el transistor pasará 80 mA cuando esté encendido. Digamos que queremos hacer funcionar el transistor a una corriente de colector/base de 20:1, ya que se puede contar con que tenga más ganancia que eso. Eso significa que desea una corriente base de aproximadamente 4 mA. Si la salida digital llega a 5 V cuando está alta, tiene alrededor de 4,3 V en la resistencia. Eso da como resultado (4,3 V)/(4 mA) = 1,08 kΩ. Tenemos cierta pendiente en los cálculos, por lo que 1,1 kΩ debería funcionar bien.

    En cualquier caso, 10 kΩ probablemente sea demasiado alto. Trabajando al revés, eso proporciona una corriente base de 430 µA, lo que significa que confía en que el transistor tenga una ganancia de al menos 186. Eso está muy por encima del mínimo garantizado, por lo que 10 kΩ es claramente demasiada resistencia.

lo que significa que confía en que el transistor tenga una ganancia de al menos 186. La hoja de datos dice que el HFE máximo es 300. ¿Es útil esta información? ¿Cambia algo? ¿Qué significa que HFE@100mA puede ser tan bajo como 30 hasta 300? Además, la hoja de datos dice que el voltaje del colector/emisor del transistor es de 1V. ¿Significa esto que el transistor tendrá una caída de voltaje de 1 V, por lo que tengo que volver a calcular el valor de la resistencia LED para una caída de 0,8 V en lugar de 1,8 V?
Error tipográfico, creo, en tu última oración. Te refieres a 10 k y no a 1 k.
@Back: Maximum Hfe es irrelevante aquí. Tenemos que diseñar el circuito para que funcione con la ganancia más pequeña que pueda tener el transistor. En este circuito, una mayor ganancia no causa ningún problema, y ​​funcionaría bien con una ganancia infinita.
@OlinLathrop ¿Qué pasa con la pregunta sobre la caída de voltaje?
Quien votó negativamente, ¿qué cree exactamente que está mal, es engañoso o está mal escrito? no lo estoy viendo
@Back: La hoja de datos dice que el transistor tendrá una ganancia de al menos 30, por lo que el 20 que usé para la relación de corriente C/B objetivo es correcto. La caída de voltaje máxima es probablemente a la corriente máxima. Con solo 80 mA y correctamente saturado, probablemente será de alrededor de 200 mV.
hFE = 300 solo es válido como MÁXIMO y a menos de la mitad de la corriente que está tratando de cambiar. Por lo general, usamos la cifra MINIMUM hFE como una política de diseño conservadora. Y llevamos la corriente base a al menos 2 veces la corriente que se necesita para encenderse, de modo que llevemos el transistor a SATURACIÓN para obtener la máxima eficiencia y evitar la región lineal del transistor para minimizar la disipación en el transistor = calor inútil.
@OlinLathrop Parece que no puedo encontrar resistencias de 1.1kΩ, ¿crees que 1.2kΩ servirá?
@Atrás: Regrese a los cálculos y podrá ver cuánta pendiente está incorporada. 1 kOhm es un valor muy común, que debería funcionar bien.

La resistencia de 10K ohmios está ahí para reducir la corriente que deberá proporcionar la salida de Arduino. De lo contrario, el Arduino estará "mirando" alrededor de 0,6 voltios que intentará subir a unos 5 voltios. Algo tendrá que ceder y probablemente será la salida del procesador Atmel.

Entonces, es por eso que necesitas pasar por una resistencia. Pero, ¿por qué 10K ohmios? La mayoría de los transistores comunes tendrán una beta de aproximadamente 100. Es decir, la corriente de base a emisor x 100 es aproximadamente igual a la corriente de colector a emisor.

Entonces, la corriente en la ruta de la base al emisor es ((5V - 0.6V) / 10,000) o alrededor de 0.44mA. Multiplique eso por 100 y obtendrá 44 mA para la corriente del colector al emisor. Que es menos de los 80 mA que había calculado que era necesario. Entonces su circuito puede no funcionar. Para hacer un circuito que funcione, considere cambiar esta resistencia de 10K ohmios a 5K ohmios o incluso a 1K ohmios.

Además, debe evitar agrupar los LED utilizando una resistencia limitadora de corriente común. Esto podría conducir a varios problemas. Uno de los cuales podría ser LED iluminados de manera desigual. En su lugar, considere el siguiente ejemplo de http://playground.arduino.cc :

ingrese la descripción de la imagen aquí

Si desea leer más sobre el uso de transistores como interruptores, lea esta página web .

¡Gracias! ¿Qué pasa con la resistencia? ¿Debería ser uno de 1/4W o uno de 1/2W? Además, la hoja de datos dice que VCE es de 1 V: ¿significa que debo cambiar la resistencia de 27 Ω a una resistencia de 15 Ω (caída de voltaje de 1 V en lugar de 2 V)?
Todavía no construí el circuito, estoy tratando de entender si es correcto antes de hacer algo, también porque todavía necesito comprar algunas partes, así que quiero asegurarme de que todo esté correcto antes de comprar. Hablas de beta : no puedo encontrarlo en la hoja de datos, ¿es el HFE? En caso afirmativo, la hoja de datos dice que con 100 mA de corriente de colector, el HFE pasa de un mínimo de 30 a un máximo de 300. ¿Qué valor debo considerar y por qué?
Bueno, creo que su circuito no funcionará porque la beta (Hfe) es solo 100 y la corriente que ingresa a la base es demasiado baja para admitir el paso de 80 mA del colector al emisor. Entonces, si funciona, genial, si no funciona, considere reducir la resistencia de 10K ohmios a 5K ohmios o incluso a 1K ohmios. A 1K ohmios, la corriente aumentaría de 0,44 mA a 4,4 mA. Esto todavía es muy bajo y puede arreglárselas con una resistencia de vataje muy bajo.
Esos valores de Hfe son el rango que puede encontrar en un lote de transistores. Nuevamente, lo que más le interesa es el corte y la saturación. (No estamos construyendo un amplificador de gama alta aquí usando transistores con Hfe coincidentes). Todo lo que necesita hacer es asegurarse de que el circuito funcione. El uso de 10K ohmios puede o no funcionar, el uso de 5K ohmios podría funcionar y el uso de 1K ohmios probablemente funcionará.
Está bien, eso está claro. Última pregunta (en el primer comentario): En este momento la resistencia LED tiene una caída de voltaje de 1.8V; la hoja de datos dice que el voltaje del colector/emisor para el transistor es de 1V. ¿Significa esto que el transistor tiene una caída de tensión de 1 V y debo volver a calcular el valor de la resistencia LED para una caída de tensión de 0,8 V en lugar de 1,8 V?
Humm, sigo diciendo que necesitas resistencias limitadoras individuales. En ese caso, estaría menos preocupado por la caída de voltaje del emisor al colector, ya que la caída en la resistencia sería mucho mayor (más fácil de controlar). Dicho esto, creo que el Vec resultará estar cerca de 0,1 V cuando el transistor esté saturado. Si no está saturado, es probable que Vec sea más alto. Si desea leer más sobre el uso de transistores como interruptores, pruebe esta página web .
Uso de transistores NPN como interruptores de encendido/apagado para un circuito LED
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