Necesito ayuda para calcular la resistencia de la base del transistor

Question

Tengo 3 relés de automóvil de 12VDC/40A ( hoja de datos ) que quiero utilizar con mi Arduino. Basado en el tutorial que estoy siguiendo ( enlace ) Necesito transistor, resistencia y diodo. No soy un ingeniero eléctrico por lo tanto no estoy seguro de las partes y los cálculos que hice.

Para empezar, la resistencia de la bobina del relé es de 90+-10% Ohm según la hoja de datos. Así que procedo a calcular el flujo de corriente.

Tensión=Resistencia*Corriente

Corriente=Voltaje/Resistencia

Corriente=12V/90

Ohm Corriente = 133mA

Para el transistor puedo conseguir 2N3904 o 2N4401. En este punto tengo que calcular la resistencia para la base del transistor. En el tutorial es como sigue

hfe = Ic / Ib

Ib = Ic / hfe

Ib = 0,03 A / 75 Ib = 0,0004 A => 0,4 mA

R1 = U / Ib

R1 = 5V / 0.0004 A

R1 = 12500 Ohm

La hoja de datos del 2N3904 indica que la H(fe) es de 30-300 cuando lc = 100mA (la mía es de 130mA) y Vce = 1V. En este punto no tengo ni idea de lo que está pasando, por lo que necesito ayuda.

Editar: Aquí está lo que terminé con. RLY1 en la imagen es 12VDC/40A ( enlace )

Answer 1

Diseñemos para el peor de los casos, es una buena práctica.

\$Ic = 133\text{mA}\$

\$h_{FE} = 30\$ # según el hoja de datos mínimo 30, normalmente mucho mejor; @Ic=100mA

Ya puedes calcular Ib:

\$I_b = \dfrac{I_c}{h_{FE}} = \dfrac{133\text{mA}}{30} = 4.43\text{mA}\$

\$V_{BE,SAT} = 0.95\$ # hoja de datos, la coincidencia más cercana es 50mA. Valor máximo, el valor práctico es probablemente mucho menor (0,65V)

Ahora vamos a calcular la resistencia en serie de la base. Es igual a la tensión a través de la resistencia, dividida por la corriente que la atraviesa. La corriente que atraviesa la resistencia es la misma que la corriente de la base. La tensión a través de ella es la tensión de carril (5V) disminuida por la tensión de base a emisor del transistor V(CE,sat).

\$R_B = \dfrac{U_{R_b}}{I_b} = \dfrac{V_{CC} - V_{BE}}{I_B} = \dfrac{5 - 0.95}{4.43/1000} = 913\Omega\$

Con toda la ingeniería del peor caso hasta aquí, por una vez vamos a redondear al valor más cercano de la resistencia E12 de 1kΩ (o 820Ω para la ingeniería del peor caso, funcionará con cualquiera).

Answer 2

Tienes razón en que la bobina del relé parece necesitar 133 mA nominales. Sin embargo, eso no es el peor caso, y eso supone que se aplican 12 V a través de la bobina. No obstante, es un buen punto de partida, y luego añadiremos un factor de 2 de margen.

Digamos que la ganancia mínima garantizada del transistor que vas a utilizar es de 50. Eso significa que la corriente de base debe ser de al menos 133 mA / 50 = 2,7 mA. Si tu salida digital es de 5 V, entonces habrá unos 4,3 V a través de la resistencia de base después de tener en cuenta la caída B-E del transistor. 4,3 V / 2,7 mA = 1,6 kΩ. Para dejar algo de margen, utilice aproximadamente la mitad. El valor común de 820 Ω debería ser bueno.

Ahora vuelve a comprobar lo que debe suministrar la salida digital. 4,3 V / 820 Ω = 5,2 mA. Muchas salidas digitales pueden suministrar eso, pero tienes que comprobar que la tuya puede. Si no puede, necesitas una topología diferente.

Answer 3

Dado que estás utilizando el transistor en una configuración de conmutación saturada, no pasa nada si bombeas más corriente de base en la pieza de la que realmente se necesita para la cantidad de corriente de colector que pretendes que pase por el dispositivo desde la bobina del relé.

Se trata de un límite práctico a la corriente de base máxima que se puede inyectar en el caso del 2N3904 / 2N4401. Ese límite no siempre se indica explícitamente en las hojas de datos de las piezas, pero puedo decir por experiencia que está en el rango de 5->6 mA.

Para un diseño de conmutación, es posible que desee planificar la Hfe mínima garantizada más un margen. Así que digamos que eliges 25 como el peor caso de Hfe de trabajo. Con una corriente de colector necesaria de 133mA y una Hfe de 25 resultará una corriente de base de trabajo de 5,32mA. Esto parece estar en el área OK para estos tipos de transistores.

Parece que usted tiene la intención de conducir la base de una señal de 5V. Con un Vbe nominal de 0.7V, esto te deja con una caída de 4.3V a través de la resistencia de la base. La resistencia para limitar la corriente a 5,32mA a 4,3V es de aproximadamente 800 ohmios. Utilice una resistencia de base de valor estándar de 820 ohmios.

Nota final. Si estás conduciendo esto directamente desde un pin de salida del MCU, el MCU puede no ser capaz de suministrar 5,32mA a un nivel de salida de 5V. Por lo tanto, la salida del MCU bajará un poco de los 5V. Esto reducirá un poco la corriente de la base, pero como hemos calculado utilizando el peor caso de Hfe, el relé seguirá funcionando para la mayoría de los transistores que se recogen de la bolsa.

Answer 4

Ciertamente, se puede poner más corriente en la base de un transistor que la que implican los requisitos de corriente del colector y \$h_{fe}\$ . De hecho, suele ser necesario, ya que así se garantiza que, en todas las condiciones normales de funcionamiento, el circuito siga funcionando como se espera.

Sin embargo, hay límites: la hoja de datos del transistor puede indicar que la corriente de base máxima absoluta es (digamos) de 50 mA. \$h_{fe}\$ implican 50 \$\mu A\$ . Así que elige 500 \$\mu A\$ . Esto probablemente cubrirá todas las eventualidades.

Sin embargo, tienes que averiguar si el circuito que impulsa la base puede suministrar continuamente la corriente que decidas. De nuevo, la hoja de datos te informará y tampoco querrás acercarte demasiado a esta cifra, ya que podrías reducir la fiabilidad de los chips.

También hay otra consideración. Muchos dispositivos CMOS declaran que su corriente de salida máxima es de (digamos) 20 mA PERO también declaran una corriente de potencia máxima de (digamos) 100 mA. Esto está bien si el chip está manejando 3 salidas, pero qué pasa si el chip es un buffer octal. Compruebe de forma realista la corriente de salida por pin y vuelva a comprobar la corriente de la fuente de alimentación: puede haber un límite que impida que todos los pines o/p emitan 20 mA.

Answer 5

Ib = Ic / hfe (Fine)

Ib = 0,03 A / 75 Ib = 0,0004 A => 0,4 mA

¡Hmmm! Ic = 0,13 A no 0,03 y yo diría que hfe es de unos 50, en lugar de 75. (generalmente los transistores de pequeña señal tienen al menos esta ganancia) Esto da Ib = 0.0026 o 2.6mA

Para una entrada de 5V la caída de voltaje a través de la resistencia de entrada será de 5 - 0,6V = 4,4V (recuerda que la caída base-emisor necesita unos 0,6V antes de que el transistor se encienda). Esto da;

                Rb = 4.4/0.0026 = 1k7

Esto es realmente un valor máximo para la resistencia base, así que elige una resistencia de valor estándar por debajo de ésta, digamos 1k5 o incluso 1k0.