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Ohmsches Gesetz

Das Ohmsche Gesetz drückt die Beziehung zwischen Widerstand (R), Strom (I) und Spannung (V) aus: V = I * R. Wenn wir also eine 5-V-Versorgung und einen 100-Ohm-Widerstand hätten, wäre der Strom I V / R = 5 V / 100 Ohm = 0,05 A = 50 Ma. In Ihrem speziellen Beispiel gibt es jedoch auch eine IR-Diode. Die Schaltung, die Sie mit der IR-Diode und ohne Transistor beschreiben, sieht folgendermaßen aus:

Simulieren Sie diesen Schaltplan, der mit Circuitlab erstellt wurdebeachten Sie, dass ich Ihre vier 10-Ohm-Widerstände zur Verdeutlichung als einen einzigen 40-Ohm-Widerstand dargestellt habe. In dieser schaltung, die vorwärts spannung ist um 1,6 V (die ist unter die die maximale VF von 1,7 V pro die datenblatt) und der strom ist um 85mA. Wenn Sie eine andere IR-Diode verwenden, müssen Sie das Datenblatt finden und nachschlagen, um die Einzelheiten für Ihren Teil zu erfahren.

Was ist ein Transistor?

Ja, das ist eine rhetorische Frage. Es gibt jedoch viele Möglichkeiten, über Transistoren nachzudenken. Ein nützlicher Weg ist, sie als Stromverstärker zu betrachten. Die Verstärkung eines Transistors, angegeben als hFE, ist ungefähr das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom IC und dem Basisstrom IB. Dies ist eine sehr vereinfachte Denkweise, aber in der Praxis immer noch nützlich. Das ist IB * hFE = IC (ungefähr). Der tatsächliche Wert von hFE variiert, aber ein typischer Wert beträgt 100 oder mehr.

Als nächstes ist IB + IC = IE zu beachten; Der gesamte Strom fließt durch den Emitter. Das ist aufgeteilt zwischen der Basis (winzig) und dem Kollektor (der größte Teil des Stroms). Die Richtung des Stroms hängt davon ab, ob der Transistor PNP oder NPN ist. Ein 2N2222 ist ein NPN-Transistor, der auch die gebräuchlichere Art von Bipolartransistor ist, so dass der Rest der Diskussion NPN annehmen wird. Bei einem PNP-Transistor ist meistens alles gleich, außer dass die Ströme und Spannungen gegenüber einem NPN-Transistor umgekehrt sind.

Verwendung eines Transistors als Schalter

Was wir oft von einem Transistor erwarten, wie in Ihrem Fall, ist, dass er wie ein Schalter wirkt. Wir wollen es „on“, wenn die Eingangsspannung hoch ist und „off“, wenn die Eingangsspannung niedrig ist. Es gibt einen linearen Bereich, in dem Transistoren linear wie der oben beschriebene Stromverstärker wirken. Dies ist nützlich, wenn Sie einen Transistor als analogen Signalverstärker verwenden. Wenn wir jedoch nach einer binären Ein / Aus-Operation suchen, interessiert uns der lineare Bereich nicht. Tatsächlich versuchen wir dies zu vermeiden und betreiben den Transistor ausschließlich in einer von zwei Regionen: cut-off und sättigung. Die typische Anordnung zum Ansteuern von einem GPIO-Port (für jeden Prozessor) sieht folgendermaßen aus:

diese Schaltung simulieren

Lastwiderstandsberechnung

Der Widerstand R2 stellt die Last dar. In Ihrem Fall ist die Last die IR-Diode und der möglicherweise benötigte Strombegrenzungswiderstand. Wir können das zuerst berechnen.

Die Spannung und der Strom für die IR-Diode, wie oben erwähnt, können wir dem Datenblatt entnehmen. Das Datenblatt besagt, dass der maximale Dauerstrom 100 mA beträgt (Ihr Datenblatt kann eine andere Nummer angeben). Also können wir damit anfangen. Wir könnten entweder einen 3,3 V Vcc oder einen 5V Vcc verwenden. Sagen wir 5V. Die Spannung an der Diode beträgt laut Datenblatt weniger als 1,7 V, also 5V – 1,7 V = 3,3 V.

Als nächstes schauen wir uns das Datenblatt für einen 2N2222-Transistor an und schauen uns die an der VCE (sat) an, dh die Spannung vom Kollektor zum Emitter, wenn der Transistor gesättigt ist (vollständig eingeschaltet). Das ist 0.3 V zu IC = 150mA nach die datenblatt, die ist nahe genug, um unsere ziel von 100mA zu verwenden. So 3,3 V-0,3 V = 3,0 V. So jetzt 3,0 V/100mA = 30 ohm. Sie können drei Ihrer 10-Ohm-Widerstände oder einen einzelnen 33-Ohm-Widerstand verwenden (dies ist der nächstgelegene Standardwert). Ich würde jedoch empfehlen, dies etwas zu erhöhen, damit die IR-Diode nicht an ihrer absoluten Grenze arbeitet. Wir können zum nächsten Standardwert von 39 Ohm aufsteigen.

Eingangswiderstandsberechnung

Da wir den Kollektorstrom (um 100mA) bestimmt haben, können wir einen minimalen Basisstrom berechnen, indem wir die hFE des Transistors verwenden, wenn das die einzige Zahl ist, die wir haben. Also 100mA / 100 = 1mA. Der Wert von hFE ist jedoch nicht wirklich nützlich, wenn versucht wird, den Transistor in die Sättigung zu treiben. Das liegt daran, dass hFE nur im linearen Bereich des Geräts sinnvoll ist, in dem mehr Basisstrom proportional zu mehr Kollektorstrom führt. Da wir den Transistor in die Sättigung treiben wollen, was ein Bereich ist, in dem mehr Basisstrom NICHT zu mehr Kollektorstrom führt (weil er gesättigt ist), müssen wir einen Faktor hinzufügen, um sicherzustellen, dass er bis zur Sättigung angetrieben wird. Wir können willkürlich einen Wert von 5 bis 10 oder so dafür wählen. Ein 10x Multiplikator würde uns also 10mA geben. Der GPIO des Pi ist dazu in der Lage, aber lassen Sie uns die Berechnung stattdessen anders durchführen.

Die VBE(sat) ist die Basis-Emitter-Spannung, wenn sich der Transistor in Sättigung befindet. Das Datenblatt gibt einen Mindestwert von 0 an.6V (was sehr typisch ist) und einem Maximalwert von 1,5V bei 15mA Basisstrom. Wenn der Pi 3,3 V liefert, wenn der Pin hoch angesteuert wird, beträgt die Spannung am Eingangswiderstand 3,3 V – 0,6 V = 2,7 V. 2,7 V / 15 mA = 180 Ohm, was zufällig auch ein Standardwert ist. Die resultierende Schaltung sieht folgendermaßen aus:

Simulieren Sie diese Schaltung

Einige wichtige statische (DC) Simulationsergebnisse für diese Schaltung sind:

V(R1.nA) = 739.5 mVI(R1.nA) = -14.23 mAI(R2.nA) = 83.48 mAV(D1.nA)-V(D1.nK) = 1.656 V

Wir sehen, dass der Eingangsstrom wie berechnet etwa 15 mA beträgt und der Diodenstrom 83 beträgt.48 mA (bequem weniger als die maximale 100mA). Die diode spannung drop ist 1,656 V, die ist in der nähe, aber weniger als die maximale 1,7 V. Für einige zusätzliche sicherheit marge, sie könnte weiter erhöhen die wert von strom-begrenzung widerstand R2.

Beachten Sie auch, dass dies in der Nähe des maximalen angegebenen Stroms für den Pi liegt, so dass Sie den jeweiligen Port für so viel Strom programmieren müssen (Strom wird von 2mA bis 16mA angegeben).

Fazit

Die Berechnung von Widerstandswerten ist ein mehrstufiger Prozess, der Daten aus Datenblättern sowohl für die Last als auch für den verwendeten Transistor verwendet. Es erfordert nur einige einfache Mathematik, die leicht von Hand gemacht werden kann. Ich hoffe, dass diese Antwort nicht nur Ihre spezifische Frage beantwortet, sondern auch von anderen verwendet werden kann, die ihre eigenen Designs erstellen möchten.