En este circuito transistorizado, ¿para qué sirve el diodo situado a través del motor?

Question

Estoy intentando seguir un tutorial de Audrino con mi hijo y me confunde el papel del diodo en este circuito.

En concreto, tengo las siguientes preguntas:

1. Parece que el circuito funcionará sin el diodo. El propósito parece ser permitir el flujo de corriente desde la fuente de alimentación pin9, pero ¿por qué necesitamos eso?
2. ¿Corre corriente desde el pin 9 a través del emisor hasta la masa?
3. En términos más generales, cuando alguien dice que "la corriente" va en esta dirección, ¿quiere decir que es la dirección + => -, o el flujo de los electrones?

Answer 1

1. El diodo de esta configuración se denomina diodo "flyback". Un motor consta de una bobina de alambre que es en realidad un inductor (y un electroimán). Cuando el motor gira, la bobina se enciende y se apaga con el conmutador del motor, lo que provoca picos de tensión. El diodo proporciona un camino para esta energía para que pueda ser disipada en el carril +5V en lugar de ir a otro lugar menos predecible. También encontrará estos diodos en las bobinas de los relés. Normalmente también se coloca un condensador en el carril de 5V para absorber los picos (de lo contrario, habrá ruido por todas partes). NOTA: Tu pregunta dice "Pin 9 fuente de alimentación". Eso es incorrecto, ver la siguiente pregunta.

2. Sí, pero no muy actual. Ese es el propósito de este circuito. Muy poca corriente (uA o mA) se puede utilizar para controlar un motor (~ 200mA con ese transistor de +5V a través del motor). Sólo unos 330uA (más cerca probablemente de 270uA...no he tecleado ningún número en una calculadora) fluirán desde el Pin 9 a tierra a través del transistor. La corriente para el motor viene del raíl de +5V.

3. Así es. Al hablar con alguien, la corriente siempre fluye de un potencial alto (+) a un potencial bajo (-), aunque los electrones vayan en dirección opuesta. En realidad es sólo una convención para que todos los signos funcionen.

Answer 2

Para entender este truco, un principiante necesita imaginar cuáles son los voltajes (magnitud y polaridad), y por dónde fluyen las corrientes (dirección y recorrido). Lo sé por experiencia propia; por eso, he visualizado estas magnitudes eléctricas invisibles en las imágenes de abajo mediante barras de tensión (en rojo) y bucles de corriente (en verde). He considerado la configuración similar pero más simple con un inductor (por ejemplo, una bobina de relé), pero también se puede aplicar al motor.

1. La clave de la comprensión intuitiva de los circuitos inductivos es pensar en el inductor como en una "fuente de corriente recargable". Así, cuando el transistor T se enciende (Fig. 1), la tensión de alimentación se aplica al inductor L y éste comienza a cargarse. La corriente $I_{CH}$ aumenta gradualmente de cero a su máximo (determinado por la resistencia interna de la bobina). Observe que el signo de la tensión a la entrada del inductor es positivo, ya que actúa como carga.

2. Cuando el transistor se apaga (Fig. 2)... y no hay ningún diodo conectado, el inductor, comportándose como una fuente de corriente, "quiere" pasar la misma corriente. En primer lugar, invierte la polaridad de su tensión interna $V_L$ (back emf); luego, como el circuito está abierto, comienza a aumentar esta tensión con la esperanza de hacer pasar la corriente a través del transistor. Así, su tensión supera varias veces la tensión de alimentación y se suma a ella. Es como si el transistor estuviera alimentado por una tensión muy alta fuente de alimentación compuesta ... y si su tensión máxima no es lo suficientemente alta, se romperá.

3. Si se conecta un diodo D en paralelo a la bobina (Fig. 3), proporcionará un camino para su corriente $I_{DSCH}$ ... y la bobina rápidamente disharge a través de él. Ahora la tensión de alimentación se limita sólo a $V_{CC} + V_F$ que es seguro para el transistor.

Answer 3

Como pequeño inciso, pensé que debía ampliar el comentario de Tony Stewart.

El circuito que estás viendo está perfectamente bien en principio, pero no se puede utilizar más que para los motores más pequeños.

Pongámoslo así: para obtener mucha corriente (y, por tanto, mucho par o potencia) del motor, es necesario que la tensión sea lo más cercana posible a 5 voltios. Esto significa que la tensión a través del transistor (Vce) debe ser lo más baja posible, y desde luego inferior a 1 voltio. Además de esta cuestión obvia, ten en cuenta que la potencia disipada en el transistor es el producto de la tensión (Vce) y la corriente (sobre todo la corriente de colector).

Esto es perfectamente posible, pero hay límites. El más importante es que, cuando el transistor está funcionando con Vce muy baja (menos de un voltio, por lo general), su ganancia cae significativamente. La regla general para esta condición, llamada saturación, es una ganancia de 10 a 20, donde puedes elegir exactamente cómo de optimista quieres ser. El valor conservador es 10. Con este valor, puedes esperar Vce de unos 0,2 voltios más o menos, siempre que respetes que esto implica un nivel de corriente específico.

Ahora mira tu circuito. Si el pin 9 tiene un voltaje máximo de 3,3 voltios, el voltaje a través de la resistencia base será de unos 3,3 - 0,6 voltios, o unos 2,7 voltios. El 0,6 proviene de la caída de tensión base-emisor. 2,7 voltios dividido por 10k da una corriente de base de unos 270 uA. Conduciendo la base con esta corriente se obtiene una corriente de colector máxima de unos 2,7 mA, o 5,4 mA con una ganancia de saturación de 20. Si el transistor está completamente "ON", Vce será de unos 0,2 voltios. Así que la potencia máxima disponible para el motor será de unos 4,8 voltios por 2,7 a 5,4 mA, o algo del orden de 13 a 26 mW. Como punto de referencia, 1 caballo de potencia equivale a unos 750 vatios, así que estamos hablando de 17 a 34 microcaballos de potencia.

Esto no es inútil; puedes hacer girar un pequeño indicador sin problemas con un motor de baja potencia. Sólo que con una polea no podrás hacer (por ejemplo) ningún tipo de vehículo, ni levantar grandes cargas.

Si realmente quieres construir tu circuito, ¿qué necesitas para un motor? Tendrá que tener una tensión nominal de 5 voltios o más, lo más cercana a 5 voltios que puedas encontrar. Cómprate un DMM (multímetro digital) barato por 10 o 20 pavos y mide la resistencia del motor. Tendrá que ser del orden de 900 a 2k ohmios o mayor. La resistencia es igual al voltaje sobre la corriente. 4,8 voltios dividido por 0,0027 a 0,0054 le dará los números (recuerde que estábamos hablando mA, no amperios).

Obviamente, se puede obtener más corriente conduciendo el transistor con más fuerza, y esto se consigue reduciendo la resistencia de base. Sin embargo, tenga en cuenta que en algún momento el Arduino no será capaz de conducir suficiente corriente desde el pin 9, y el voltaje en el pin comenzará a caer. Usted debe estar bien con la reducción de la resistencia a 1k, y posiblemente a la vecindad de 330 ohmios o por ahí, con el consiguiente aumento en el transistor (y el motor) actual. Te animo a que investigues esto de forma sistemática. Cuando lo hagas, comprueba también la temperatura del transistor con regularidad. Los 2N3904 no son dispositivos de alta potencia, así que no te sorprendas si se calienta. Afortunadamente, también son muy baratos, así que no te pongas demasiado paranoico por si se queman unos cuantos.

En el peor de los casos, conocerá el Humo Mágico. ¿Sabía que los transistores funcionan por arte de magia? En el centro de cada transistor hay una pequeña bolsa de Humo Mágico. Si dejas salir el Humo Mágico, el transistor dejará de funcionar, y esto demuestra que el Humo Mágico lo hizo funcionar.

¿Verdad?

Answer 4

En respuesta a tus preguntas, aunque el circuito funcionará sin el diodo, su finalidad es proteger los delicados componentes electrónicos de las sobretensiones muy altas que provienen del motor cuando se apaga. Verás, las bobinas del motor actúan, no sólo como un electroimán, sino también como un inductor, que almacena una gran cantidad de energía en su campo magnético. Cuando se interrumpe el suministro eléctrico al motor, el campo se colapsa y vierte toda la energía almacenada en el circuito en una gran sobretensión, que puede dañar los componentes electrónicos. Por tanto, el diodo actúa como un "cortocircuito" para el motor, proporcionando un camino para que los devanados se descarguen, como una resistencia de purga a través de un condensador grande.

En cuanto a la dirección de la corriente, históricamente se consideraba que la corriente fluía de los puntos con carga + a los puntos con carga -. Sin embargo, con el tiempo se descubrió que los electrones fluyen de los puntos - a los puntos +. Este concepto se denomina "corriente de electrones", mientras que la idea original se denomina "corriente convencional".

Dado que las fórmulas utilizadas para calcular los valores electrónicos se idearon utilizando la sabiduría de la época, la "corriente convencional" se sigue utilizando ampliamente a la hora de diseñar nuevos circuitos.

Por lo tanto, sería más correcto decir que la corriente fluye desde tierra, a través del emisor hasta el pin 9, aunque, en realidad, la distinción es más bien académica; creas lo que creas, "simplemente funciona". Espero que te sirva de ayuda. ¡Sigue aprendiendo y disfrutando de este fascinante campo de estudio!

Answer 5

Digamos que el motor hace girar un volante ..