Ayuda básica para calcular valores para el circuito LED PN2222A

Question

Voy a agregar un LED infrarrojo a mi Arduino Uno y estoy tratando de entender el cálculo utilizado para determinar los valores exactos de resistencia necesarios para usar un transistor PN2222A para encender el LED.

Sé que mi LED tiene una caída de voltaje de 1.35V y quiero hacerlo funcionar a 100mA y que lo alimentaré con 5V desde el Arduino. Lo que no entiendo es el cálculo para determinar la caída de voltaje exacta del transistor entre el colector y el emisor. También estoy tratando de averiguar el cálculo utilizado para calcular los miliamperios requeridos que deben fluir a través de la base del transistor para encenderlo completamente (pero sin desperdiciar electricidad extra).

Sé que hay bastante margen de maniobra en cuanto a qué resistencias utilizar y el circuito seguirá funcionando, pero espero poder entender el cálculo para acercarme lo más posible al uso de valores de resistencia realmente perfectos.

Answer 1

Lo que no entiendo es la matemática para averiguar la caída exacta de voltaje del transistor entre el colector y el emisor.

No necesitas un voltaje exacto. \$0.2V\$ es una estimación razonable para la mayoría de los BJT en saturación. La hoja de datos te dará valores más precisos, bajo una variedad de condiciones de funcionamiento. \$0.2V\$ tampoco es muy significativo para la mayoría de los circuitos, por lo que puedes simplemente ignorarlo. Al ignorarlo, reduces ligeramente la corriente en el LED, lo cual es un error del lado de la precaución, por lo que no necesariamente es algo malo.

También estoy tratando de entender la matemática utilizada para calcular los miliamperios requeridos que tienen que fluir a través de la base del transistor para encenderlo completamente (pero sin desperdiciar electricidad adicional).

Hay una regla empírica para un BJT utilizado como un interruptor de emisor común, como este:

simular este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

cuando quieres llevar el transistor a saturación (como lo haces aquí), haz que la corriente base sea 1/15ava parte de la corriente del colector. Nuevamente, la hoja de datos te dará más detalles, pero muchos de los parámetros (como \$\beta\$ o \$h_{fe}\$) pueden variar en un rango amplio, como función de la temperatura, la corriente de operación y la variación de fabricación de cada dispositivo. La solución es asegurarte de tener suficiente corriente base para asegurar la saturación del transistor en todos los casos.

Entonces:

$$ I_b = \frac{I_c}{15} = \frac{100mA}{15} = 6.7mA $$

La resistencia base tendrá los \$5V\$ del Arduino en ella, menos la caída de \$0.65V\$ del diodo base-emisor en ella, y la corriente se calcula entonces usando la ley de Ohm:

$$ R_b = \frac{V_{R_b}}{I_b} = \frac{5V-0.65V}{6.7mA} = 652\Omega $$

El valor estándar de \$680\Omega\$ es lo suficientemente cercano. La potencia en R1 es:

$$ P_{R1} = \frac{V^2}{R} = \frac{(5V-0.65V)^2}{680\Omega} = 0.028W $$

...así que incluso una resistencia de 1/8W está bien aquí.

O, puedes disponer el transistor como un seguidor de emisor, por lo que la corriente de base va hacia alimentar el LED, y por lo tanto no se "desperdicia":

simular este circuito

Para más detalles, ver ¿Por qué alguien conduciría LEDs con un emisor común?

Answer 2

La hoja de datos para el PN2222A indica un voltaje de saturación colector-emisor de 0,3V cuando la corriente del colector es de 150 mA, por lo que sería un poco conservador y asumiría que no es inferior a 0,1V cuando Ic es de 100 mA. Por lo tanto, con 1,35V a través del LED tienes (5,00 - 1,35 - 0,10) 3,55V a través de la resistencia en serie. Para obtener 100 mA a través de esta resistencia y el LED, necesitas un valor de 35,5 ohmios, redondear al siguiente valor estándar. El fabricante también especificó una corriente de base de 15 mA para una corriente de colector de 150 mA, por lo que no deberías necesitar más de 10 mA de corriente de base. No estoy seguro de cuál es el voltaje de salida de tu Arduino al suministrar 10 mA...digamos que es 4,0V. El voltaje base-emisor máximo para Ic=150 mA es de 1,2V, por lo que la diferencia es de 2,8V y necesitas una resistencia de 280 ohmios para obtener 10 mA. Ahora, si el Arduino emite un voltaje más alto, o Vbe es menor, entonces la corriente de base aumentará, pero este transistor puede manejar corrientes de base mucho más grandes, pero asegúrate de obtener al menos 10 mA.

Debo mencionar que la elección de la resistencia en serie con el LED determina la corriente del LED y he diseñado para un máximo de 100 mA. Si necesitas una corriente más regulada, probablemente quieras usar un circuito diferente.

Answer 3

Necesitas "perder" o reducir 3.65V al alimentar el LED desde 5V. Parte de esto (quizás alrededor de 0.2V) se pierde en el transistor al encenderse, dejándote alrededor de 3.45V para desarrollar a través de una resistencia en serie con el LED. A 100mA en el LED (y a través de la resistencia) el valor de la resistencia es \$R=\frac{V}{I}\$ o \$\frac{3.45}{0.1}\$ = 34.5\$\Omega\$.

Elije valores estándar de resistencia que sumen 34.5\$\Omega\$ pero observa que la disipación de energía será \$I^2R=0.1^2\times 34.5=0.345W\$

Conducir la base desde el MCU es relativamente sencillo - usa una resistencia en serie de alrededor de 220\$\Omega\$ - esto pondrá alrededor de 20mA en la base y asegurará que el transistor esté bastante bien encendido. Creo que el Arduino puede suministrar esta corriente pero verifica ya que no soy un experto en ello.

Sin embargo, estaría tentado de usar un MOSFET de canal N y así puedes evitar la alta corriente que entra en la base. El FET, si eliges uno decente, tampoco reducirá ningún voltaje apreciable cuando esté activado por lo que los 200mV tomados en cuenta en las ecuaciones anteriores deben ser ignorados y se debería elegir una resistencia de alrededor de 36.5\$\Omega\$.