Frage:
Was ist in dieser Transistorschaltung der Zweck der Diode über dem Motor?
ming yeow
2019-12-29 09:11:48 UTC
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Ich versuche, mit meinem Kind einem Audrino-Tutorial zu folgen, und ich bin verwirrt über die Rolle der Diode in dieser Schaltung.

Insbesondere habe ich folgende Fragen:

  1. Es sieht so aus, als würde die Schaltung ohne die Diode funktionieren.Der Zweck scheint darin zu bestehen, den Stromfluss von der Pin9-Stromquelle zuzulassen, aber warum brauchen wir das?
  2. Fließt Strom von Pin 9 durch den Emitter zur Erde?
  3. Wenn jemand sagt, dass „der Strom“ in diese Richtung fließt, bedeutet dies im Allgemeinen, dass dies die + => - Richtung oder der Elektronenfluss ist?
  4. ol>

    enter image description here

Ein Transistor kann eine Stromverstärkung >> 100 haben, aber als Schalter kann er sehr schnell auf 10% seiner linearen Verstärkung abfallen, wenn der Schalter von 1 V und darunter abfällt.Der Basiswiderstand muss also stark reduziert werden.z.B.<1k
Wenn das Magnetfeld um die Spule zusammenbricht, wird die Spannung umgekehrt und kann auch auf Werte ansteigen, die andere Teile der Schaltung zerstören würden.Die Diode liefert einen Strompfad, wenn sich die Spannung am Motor umkehrt, wodurch eine Beschädigung des Transistors verhindert wird.
Sechs antworten:
#1
+40
Los Frijoles
2019-12-29 09:20:04 UTC
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  1. Die Diode in dieser Konfiguration wird als "Flyback" -Diode bezeichnet. Ein Motor besteht aus einer Drahtspule, die effektiv ein Induktor (und ein Elektromagnet) ist. Wenn sich der Motor dreht, wird die Spule mit dem Kommutator im Motor ein- und ausgeschaltet, was zu Spannungsspitzen führt. Die Diode liefert einen Pfad für diese Energie, so dass sie in die + 5V-Schiene abgeleitet werden kann, anstatt an einen anderen Ort zu gehen, der weniger vorhersehbar ist. Sie finden diese Dioden auch über Relaisspulen. Normalerweise setzen Sie auch einen Kondensator auf die 5-V-Schiene, um die Spitzen weiter zu absorbieren (andernfalls treten überall Geräusche auf). HINWEIS: Ihre Frage lautet "Pin 9 Stromquelle". Das ist falsch, siehe nächste Frage.

  2. Ja, aber nicht sehr aktuell. Das ist der Zweck dieser Schaltung. Zur Steuerung eines Motors kann sehr wenig Strom (uA oder mA) verwendet werden (~ 200 mA mit diesem Transistor von + 5 V durch den Motor). Nur etwa 330 uA (wahrscheinlich näher an 270 uA ... Ich habe keine Zahlen in einen Taschenrechner eingegeben) fließen von Pin 9 durch den Transistor in Masse. Der Strom für den Motor kommt von der + 5V-Schiene.

  3. Das ist richtig. Wenn Sie mit jemandem sprechen, fließt der Strom immer vom hohen Potential (+) zum niedrigen Potential (-), obwohl die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung gehen. Wirklich, es ist nur eine Konvention, damit alle Zeichen funktionieren.

  4. ol>
Wow, das ist eine großartige und sehr gut beantwortete Antwort.Vielen Dank!Ich verstehe jetzt viel besser.
Ist es in einem Transistor möglich, dass Strom von der Basis zum Kollektor fließt?
Ja, es ist so, dass ein solcher Strom auch dazu neigt, den Emitter-Kollektor-Pfad in die umgekehrte Richtung zu leiten, wenn es eine Gelegenheit dafür gibt.
Zusätzliche Bemerkung zu 3: Auf mesoskopischer Ebene kommt es auf die Stromdichte an, nicht auf den Strom.Und da die Stromdichte als Ladungsdichte mal Geschwindigkeit (j = rho.v) definiert ist und Elektronen durch * Konvention * negativ geladen werden, zeigt die Stromdichte (und damit der Strom) immer in die entgegengesetzte Richtung der Elektronenbewegung.Heutzutage scheint es, dass die Elektronenbewegung in den meisten Fällen eine natürlichere Referenz für den Strom war.Die Ladungskonvention (Elektron = negativ) wurde jedoch erfüllt, als die Menschen nicht einmal wussten, dass es Elektronen und Atomkörper gibt, die das Phänomen der elektrischen Ladung verursachen.
Sie sehen eine ähnliche Diodenanordnung, wenn eine Transistorschaltung ein Magnetrelais ansteuert.
Wie leitet diese Diode Energie in die 5-V-Schiene ab?Es ist ein toter Kurzschluss über dem Motor, also sollte dies zum Glück nicht passieren, es sei denn, der Strom kommt irgendwie aus dem Transistor.
#2
+16
Circuit fantasist
2019-12-29 17:18:39 UTC
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Um diesen Trick zu verstehen, muss sich ein Anfänger vorstellen, wie hoch die Spannungen sind (Größe und Polarität) und wo die Ströme fließen (Richtung und Weg). Ich weiß das aus meiner persönlichen Erfahrung; Deshalb habe ich diese unsichtbaren elektrischen Größen in den folgenden Bildern durch Spannungsbalken (in Rot) und Stromschleifen (in Grün) visualisiert. Ich habe die ähnliche, aber einfachere Konfiguration mit einem Induktor (z. B. einer Relaisspule) in Betracht gezogen, aber sie kann auch auf den Motor angewendet werden.

Suppressor diode

1. Der Schlüssel zum intuitiven Verständnis induktiver Schaltkreise besteht darin, den Induktor als "wiederaufladbare Stromquelle" zu betrachten. Wenn also der Transistor T eingeschaltet wird (Fig. 1), wird die Versorgungsspannung an den Induktor L angelegt und er beginnt sich aufzuladen. Der aktuelle \ $ I_ {CH} \ $ span> steigt allmählich von Null auf sein Maximum an (bestimmt durch den internen Spulenwiderstand). Beachten Sie, dass das Vorzeichen der Spannung am Induktoreingang positiv ist, da es als Last wirkt.

2. Wenn der Transistor abschaltet (Abb. 2) ... und keine Diode angeschlossen ist, "möchte" der Induktor, der sich als Stromquelle verhält, denselben Strom durch. Erstens kehrt es die Polarität seiner internen Spannung um. \ $ V_L \ $ span> (Gegen-EMK); Wenn der Stromkreis offen ist, beginnt er, diese Spannung zu erhöhen, in der Hoffnung, den Strom durch den Transistor zu leiten. Somit überschreitet seine Spannung ein Vielfaches der Versorgungsspannung und addiert sich zu dieser. Es ist, als ob der Transistor von einem Verbundnetzteil mit sehr hoher Spannung versorgt wird ... und wenn seine maximale Spannung nicht hoch genug ist, bricht er

3. Wenn eine Diode D parallel zur Spule geschaltet wurde (Abb. 3), wird ein Pfad für ihren aktuellen \ $ I_ {DSCH} \ $ ... und die Spule wird schnell durch sie entladen.Jetzt ist die Versorgungsspannung nur auf \ $ V_ {CC} + V_F \ $ span> begrenzt, was für den Transistor sicher ist.

Wow, diese Diagramme sehen fast wie Computergrafiken aus.Beeindruckende Präzision!Ich würde gerne Ihre Lötarbeiten sehen;)
@Michael, Ich hoffe, Sie denken das Gleiche über den Inhalt :) Ich würde den eingebauten Schaltplaneditor verwenden, wenn ich nur einen Weg finden würde, diese farbenfrohen Mittel zu zeichnen, um das Verständnis zu verbessern.In der Vergangenheit habe ich Corel Draw und Flash Animator verwendet, aber sie waren ziemlich umständlich.Übrigens ist Ihre Antwort die erste Bewunderung für mein "Kunstwerk";In den meisten Fällen werde ich dafür mit negativen Stimmen bestraft ...
Ich denke, die "wiederaufladbare Stromquelle" ist eine irreführende Analogie.Wenn wir über gängige wiederaufladbare Spannungsquellen sprechen, gehen wir davon aus, dass der Strom gestoppt werden kann und das wiederaufladbare Gerät Energie unbegrenzt speichert, ohne dass Strom fließt.So funktioniert der Induktor in dieser Schaltung nicht, und ich denke, Sie vereinfachen die Situation zu stark, damit sie zu Ihrer Analogie passt.Ich denke, der Leser ist besser bedient, wenn er über das wahre Verhalten von Induktoren spricht, als sie zu anthropomorphisieren ... der Induktor "will" nicht.
Analogien helfen zu verstehen, Empathie auch.Hinweis: Ich habe nicht gesagt, dass es sich um eine wiederaufladbare Stromquelle handelt.Ich habe gesagt "Betrachten Sie es als eine wiederaufladbare Stromquelle ..." und schloss es auch in Anführungszeichen.Wir laden einen Kondensator auf, indem wir Strom durch ihn "drücken";Wenn die Stromquelle entfernt wird, wird sie zu einer Spannungsquelle.In ähnlicher Weise laden wir einen Induktor durch Anlegen einer Spannung auf;Wenn die Spannungsquelle entfernt wird, wird sie zu einer Stromquelle.Wenn der Kondensator eine "wiederaufladbare Spannungsquelle" ist, warum ist die Induktivität nicht eine "wiederaufladbare Stromquelle"?Wenn es irgendwie zum Verständnis beiträgt, verwenden wir es.
Vielen Dank an @Circuitfantasist für die Analogie "wiederaufladbare Stromquelle" für einen Induktor.Das ist eine großartige Möglichkeit, Induktoren zu konzipieren.
Ich danke Ihnen für die Anerkennung, @JS ... Es wäre noch interessanter, wenn wir eine "wiederaufladbare Stromquelle" an eine "wiederaufladbare Spannungsquelle" (LC-Tank) anschließen würden ...
@Circuitfantasist: Yup.Ich hatte immer ein intuitives Gefühl dafür, wie ein Kondensator funktioniert, aber keine Induktivitäten.Ihre "wiederaufladbare Stromquelle" ist genau das, was ich brauchte, um Induktoren für mich "klicken" zu lassen.Danke noch einmal.
#3
+8
WhatRoughBeast
2019-12-29 21:39:09 UTC
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Nebenbei dachte ich, ich sollte Tony Stewarts Kommentar verstärken.

Die Schaltung, die Sie betrachten, ist im Prinzip vollkommen in Ordnung, kann jedoch nur für die kleinsten Motoren verwendet werden.

Sagen Sie es so - um viel Strom (und damit viel Drehmoment oder Leistung) vom Motor zu erhalten, muss die Spannung so nahe wie möglich an 5 Volt liegen. Dies bedeutet, dass die Spannung am Transistor (Vce) so niedrig wie möglich und mit Sicherheit unter 1 Volt liegen muss. Beachten Sie zusätzlich zu diesem offensichtlichen Problem, dass die im Transistor verbrauchte Leistung das Produkt der Spannung (Vce) und des Stroms (meistens Kollektorstrom) ist.

Dies ist durchaus möglich, aber es gibt Grenzen. Das Wichtigste ist, dass, wenn der Transistor mit sehr niedrigem Vce (typischerweise weniger als einem Volt) betrieben wird, seine Verstärkung signifikant abnimmt. Die allgemeine Faustregel für diese Bedingung, die als Sättigung bezeichnet wird, ist ein Gewinn von 10 bis 20, bei dem Sie die Wahl haben, wie optimistisch Sie sein möchten. Der konservative Wert ist 10. Bei diesem Wert können Sie Vce von ungefähr 0,2 Volt oder so erwarten - solange Sie berücksichtigen, dass dies einen bestimmten Strompegel impliziert.

Schauen Sie sich jetzt Ihre Schaltung an. Wenn Pin 9 eine maximale Spannung von 3,3 Volt hat, beträgt die Spannung am Basiswiderstand etwa 3,3 - 0,6 Volt oder etwa 2,7 Volt. Die 0,6 ergibt sich aus dem Basis-Emitter-Spannungsabfall. 2,7 Volt geteilt durch 10 k ergeben einen Basisstrom von etwa 270 uA. Das Ansteuern der Basis mit diesem Strom ergibt einen maximalen Kollektorstrom von ungefähr 2,7 mA oder 5,4 mA mit einer Sättigungsverstärkung von 20. Wenn der Transistor vollständig eingeschaltet ist, beträgt Vce ungefähr 0,2 Volt. Die maximal verfügbare Leistung für den Motor beträgt also etwa 4,8 Volt mal 2,7 bis 5,4 mA oder etwas in der Größenordnung von 13 bis 26 mW. Nur als Referenzpunkt entspricht 1 Pferdestärke etwa 750 Watt, Sie sprechen also von 17 bis 34 Mikro-Pferdestärken.

Das ist kaum nutzlos; Mit einem Motor mit geringer Leistung können Sie eine kleine Anzeige ganz gut drehen. Es ist nur so, dass Sie nicht in der Lage sind, (zum Beispiel) irgendeine Art von Fahrzeug herzustellen, und Sie werden auch nicht in der Lage sein, mit einer Riemenscheibe viel an Lasten zu heben.

Wenn Sie Ihre Schaltung tatsächlich bauen möchten, was benötigen Sie für einen Motor? Es muss für 5 Volt oder mehr ausgelegt sein, mit so nahe wie möglich an 5 Volt. Kaufen Sie sich ein billiges DMM (Digitalmultimeter) für 10 bis 20 Dollar und messen Sie den Widerstand des Motors. Es muss in der Größenordnung von 900 bis 2 kOhm oder mehr liegen. Der Widerstand entspricht der Spannung über dem Strom. 4,8 Volt geteilt durch .0027 bis .0054 geben Ihnen die Zahlen (denken Sie daran, dass wir über mA und nicht über Ampere gesprochen haben).

Natürlich können Sie mehr Strom erhalten, indem Sie den Transistor härter ansteuern, und Sie tun dies, indem Sie den Basiswiderstand reduzieren. Beachten Sie jedoch, dass der Arduino irgendwann nicht mehr genug Strom von Pin 9 treiben kann und die Spannung am Pin abfällt. Sie sollten in Ordnung sein, den Widerstand auf 1 k und möglicherweise auf etwa 330 Ohm oder so zu reduzieren, was zu einer Erhöhung des Transistor- (und Motor-) Stroms führt. Ich ermutige Sie, dies systematisch zu untersuchen. Überprüfen Sie in diesem Fall auch regelmäßig die Temperatur des Transistors. 2N3904s sind keine Hochleistungsgeräte. Seien Sie also nicht überrascht, wenn es heiß wird. Glücklicherweise sind sie auch sehr billig, also sei nicht zu paranoid, wenn du ein paar ausbrennst.

Im schlimmsten Fall lernen Sie Magic Smoke kennen. Wussten Sie, dass Transistoren tatsächlich durch Magie arbeiten? In der Mitte jedes Transistors befindet sich eine kleine Tasche mit Magic Smoke. Wenn Sie den Magic Smoke herauslassen, funktioniert der Transistor nicht mehr und dies beweist, dass der Magic Smoke ihn zum Laufen gebracht hat.

Richtig?

Vielleicht löst ein Leistungs-MOSFET das Problem?
@Circuitfantasist ja, das Ersetzen des NPN durch einen N-FET mittlerer Größe würde die Verwendung eines etwas größeren Motors ermöglichen.
@Circuitfantasist - Ja.FET ist die Standardantwort.Es muss sich jedoch um einen sogenannten "Logikpegel" -FET handeln.Dies bedeutet, dass es mit Gatespannungen von 5 Volt oder weniger betrieben werden kann.Ein "normaler" MOSFET benötigt (normalerweise) etwa 10 Volt an seinem Gate, um eine Hochstromlast anzutreiben.
#4
+3
user73616
2019-12-30 21:10:47 UTC
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Als Antwort auf Ihre Fragen dient die Schaltung zwar ohne Diode, soll jedoch die empfindlichen elektronischen Komponenten vor sehr hohen Spannungsspitzen schützen, die vom Motor beim Abschalten ausgehen. Sie sehen, die Wicklungen des Motors wirken nicht nur als Elektromagnet, sondern auch als Induktor, der in seinem Magnetfeld viel Energie speichert. Wenn die dem Motor zugeführte Energie abgeschaltet wird, bricht dieses Feld zusammen und leitet die gesamte gespeicherte Energie in einem einzigen Stoß in den Stromkreis zurück, wodurch die Elektronikkomponenten beschädigt werden können. Die Diode wirkt dann als "Kurzschluss" für den Motor und stellt einen Weg zur Entladung der Wicklungen bereit, ähnlich wie ein Entlüftungswiderstand über einen großen Kondensator

Als nächstes wurde in Bezug auf die Richtung des Stroms historisch angenommen, dass Strom von Punkten mit + Ladung zu solchen mit - Ladung fließt. Es wurde jedoch schließlich entdeckt, dass Elektronen selbst tatsächlich von - zu + Punkten fließen. Dieses Konzept wird als "Elektronenstrom" bezeichnet, während die ursprüngliche Idee als "konventioneller Strom" bezeichnet wird

Da die zur Berechnung elektronischer Werte verwendeten Formeln unter Verwendung der Weisheit der Zeit entwickelt wurden, wird "herkömmlicher Strom" beim Entwerfen neuer Schaltungen immer noch häufig verwendet.

Daher wäre es richtiger zu sagen, dass Strom von der Erde durch den Emitter zu Pin 9 fließt, obwohl die Unterscheidung in Wirklichkeit eher akademisch ist; was auch immer Sie glauben, es funktioniert "einfach". Hoffe das hilft - lerne weiter & und genieße dieses faszinierende Studienfeld!

#5
+1
user239212
2019-12-31 17:02:06 UTC
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Alle Antworten hier betonen, dass induktive Lasten wie ein Motor eine Energielast tragen, die die Flyback-Diode entlädt. Das ist hier nicht der Fall, und Flyback-Dioden werden vergleichsweise kleine Geräte offenbar nicht in der Lage sein, eine Menge Energie zu emittieren. Hier geht es darum, dass sich abgeschaltete Induktivitäten als Stromquellen addieren und ihren Strom beibehalten. Selbst wenn dieser Strom niedrig ist, wenn er unendlichen Widerstand gegen ihn hat, kann die resultierende Spannung beliebig groß werden, wie eine statische Entladung, wenn man über einen Kunststoff-Teppich geht. Es ist allein die daraus resultierende Spannung, die die Schaltkreise zerstört.

über Die Flyback-Diode bietet einen Pfad, über den der Strom weiter fließen kann. Da die Spannung an ihm niedrig ist (idealerweise Null), wird hier nicht viel Energie zerstört: Die Masse geht im Widerstand der Motorspulen verloren. Abhängig von der Größe, dem Typ und der Last des Motors kann der Motor jedoch als ziemlich große Induktivität wirken, da er beim Ausschalten nicht nur elektrische Feldenergie, sondern auch mechanische Energie an seine Eingänge zurückgibt. Im Allgemeinen würde die Rücklaufdiode ähnlich wie der Ansteuertransistor dimensioniert sein
@user239212, sehr vernünftige Gedanken ... Ich mag sie ... und ich mag die Art, wie du denkst.Ich würde hinzufügen, dass der maximale Strom durch die Diode der gleiche ist wie der maximale Strom durch den Transistor.Sowohl der Transistor als auch die Diode wirken als komplementäre Schalter, die den Strom zwischen sich steuern.
#6
-2
Rolf
2019-12-30 22:28:51 UTC
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Angenommen, der Motor dreht ein Schwungrad. Wenn die Stromversorgung ausgeschaltet wird, leitet die Diode die Energie durch die Spulen des Motors zurück, um den erzeugten Strom kurzzuschließen oder aufzuheben.

Die gleiche Diode würde mit einer Relaisspule verwendet.Das Problem ist die geschaltete Induktivität, nicht die Drehung des Motors.


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