Помогите проверить и оптимизировать электрическую схему Arduino+транзисторы+светодиоды

[AlexanderI]

Здравствуйте.
Помогите проверить и оптимизировать электрическую схему.Я в этом деле "новичок". Может что-то я не так сделал.
Задумка такая: Есть два блока, в каждом по 3 светодиода. Два светодиода из первого блока связаны с двумя из второго. (Принцип автомобильных задних фар.)
У ардуино есть 4 выхода. При подаче сигнала с одного из выходов должен загораться определённый светодиод.
Я немного запутался с выбором сопротивления для нормальной работы. Хотелось чтобы светодиод светил ярко для своих характеристик.
Светодиод как мне сказали на 3 вольта, но думаю что там больше должно быть. Покупал самый яркий светодиод. Транзистор использовал ss8050. Повышающий модуль максимум на 700мА-1А.
Тут данная электронная схема online

 

[poty]

В ключевых режимах надо ориентироваться на характеристики транзистора в режиме насыщения, т.е. максимальное напряжение на эмиттерах в открытом состоянии будет на 0,5В меньше напряжения питания (U_э=4,5В).
Сопротивление резисторов, идущих от эмиттеров транзисторов к анодам светодиодов рассчитываются как:
R=(U_э-U_led)/I_led,
где U_led - напряжение горения светодиода (у Вас их 2 - 2,7В и 2,8В);
I_led - рабочий ток светодиода (19,9 и 22,3мА соответственно).
Т.е., для 19,9мА и 2,7В светодиодов это будет 90 Ом (реально использовать 100 Ом).
Сопротивление в базе - ограничивающее выходной ток пина Ардуино. Не стоит его делать большим, 300 - 500 Ом будет вполне достаточно.

 

[Олег Днепр]

Дополню:

По спецификации Arduino Nano общий вытекающий ток не должен превышать 200 мА, а каждый вывод способен отдать не более 40 мА. Эти параметры идеально подходят для вашей схемы:

• исключите транзисторы;
• выберите 6 цифровых выходов Ардуино Нано (например, D0, D1, D2, ... D5) и подсоедините к ним светодиоды через резисторы;
• так как напряжение выхода 5 В, напряжение свечения светодиода 2.8 В, а его номинальный ток 20 мА, то сопротивление резисторов должно быть 110 Ом

Логику одновременного свечения реализуете программно.

Итого деталей:
1. Батарейка 1 шт
2. Повышатель на 5 В - 1 шт
3. Ардуино Нано - 1 шт
4. Резистор 110 Ом - 6 шт
5. Светодиод - 6 шт

П.С.
И вот еще что. Можно использовать 2 батарейки и избавиться от повышающего преобразователя. Заодно это почти вдвое увеличит время работы от батареек.
Но при этом нужно понять одну особенность - управлять светодиодами придется в негативе, а их подключать к выходам Ардуино катодами (через резистор) - так как у вас будет "плюс" питания светодиодов и "плюс" питания ардуино разный.

 

[AlexanderI]

@Олег Днепр, хорошая идея. Но хотелось бы конечно на ключах, т.к. если будет слабо светить придётся параллельно добавить ещё светодиодов.
Я кстати по некоторым советом в интернете переделал схему. Перенёс нагрузку из эмитора в коллектор. И добавил резистор между базой эмитором чтоб база в воздухе не висела когда нет сигнала.

 

[poty]

Первая схема была гораздо более адекватной. Да и проще. В текущей схеме есть опасность перегрузить переход база-эмиттер (наверное, поэтому резисторы выбраны 5,1кОм, да и база к земле притянута вовсе не для того, чтобы "база не висела" - биполярники этого не требуют, а для создания делителя).

 

[AlexanderI]

@poty, А чем вообще грозит нагрузка на коллекторе или эмиттере, я пока не понял.
Т.е. ты предлагаешь резисторы база-эмиттер убрать ?

 

[poty]

Я предлагаю вернуться к прежней схеме и сделать в ней те изменения, которые я упоминал ранее.
Включение с общим эмиттером или с общим коллектором - две ключевых схемы включения биполярных транзисторов. (Есть ещё с общей базой) В сильно упрощённом виде: при нагрузке в эмиттере усиление по напряжению примерно равно 1, по току - пропорционально коэффициенту усиления транзистора; при нагрузке в цепи коллектора происходит усиление как по напряжению, так и по току (зависит от множества параметров).
При размещении нагрузки в цепи коллектора и отсутствии сопротивления в цепи эмиттера отсутствует обратная связь и напряжение, подаваемое на базу, фактически создаёт опасный ток через переход база-эмиттер. Этот ток можно ограничить сопротивлением в цепи базы, что обычно и делают. В данном случае нам усиление не нужно, лишние цепи не требуются.

 

[AlexanderI]

@poty, ага почти понял. переделаю по вашим рекомендациям назад. А у меня ещё вопрос, а есть ли смысл переделать эту схему под полевые транзисторы, вместо биполярных ?

 

[Олег Днепр]

В вашем случае ни полевым ни биполярным транзисторам не требуется "подтягивающий" резистор, так как они жестко привязаны к выходам Ардуины. А те, в свою очередь, командой pinMode(ledPin, OUTPUT) переводятся в однозначное состояние (HIGH или LOW).
У биполярного транзистора есть определенный коэффициент усиления, поэтому базовый резистор должен быть 1 кОм.
Ток 40 мА - это очень много и ярко для светодиода.
Ключевые транзисторы следует выбирать из наименьшего падения на открытом ключе, но в вашем случае (малые токи) - это не важно.
Управлять лучше инверсным сигналом (минусом на выходе МК), так как ноль в вашей схеме общий, а питание вы когда-то захотите изменить, разделить для МК и силовой цепи (например, будете питать какие-нибудь, ленты 12В).

 

[PiratFox]

@AlexanderI, может, я чего не понимаю, но Вам нужны ключи, т.е. включено/выключено. Полевые транзисторы по схеме включения с общим стоком тут подходят, так же и как биполярные по схеме включения с общим эммиттером.

 

[poty]

@PiratFox, согласен полностью.
@AlexanderI, выбирайте, что Вам больше по вкусу. Для полевых транзисторов обеспечивайте путь разряда затвора.

 

[AlexanderI]

@poty, путь разряда затвора. - это что значит ?

 

[poty]

Это значит либо надёжное подключение к пину Ардуино, либо сопротивление от затвора на землю.

 

[PiratFox]

@poty, путь разряда затвора. - это что значит ?

Это уже теория. Ну, затвор полевого транзистора имеет ёмкость, но пусть она Вас не заботит. В вашем случае это не имеет значения.

 

[SieOK]

Здравствуйте.
Помогите проверить и оптимизировать электрическую схему.Я в этом деле "новичок". Может что-то я не так сделал.
Задумка такая: Есть два блока, в каждом по 3 светодиода. Два светодиода из первого блока связаны с двумя из второго. (Принцип автомобильных задних фар.)
У ардуино есть 4 выхода. При подаче сигнала с одного из выходов должен загораться определённый светодиод.
Я немного запутался с выбором сопротивления для нормальной работы. Хотелось чтобы светодиод светил ярко для своих характеристик.
Светодиод как мне сказали на 3 вольта, но думаю что там больше должно быть. Покупал самый яркий светодиод. Транзистор использовал ss8050. Повышающий модуль максимум на 700мА-1А.
Тут данная электронная схема online
Посмотреть вложение 25598

Не совсем верная методология подхода к проектированию схемы. По этой схеме (она работать будет) - но - резисторы в цепях баз транзисторов можно и нужно убрать. Транзисторы работают в режиме эмиттерного повторителя, а это не совсем гуд - напряжение на эмиттерах транзисторов равны напряжению на пинах минус падение на базовых резисторах и минус падение на переходе база-эмиттер.

Лучше бы сделать схему с общим минусом и в качестве ключей использовать N-mosfet транзисторы - они будут работать как ключи - открыт\закрыт.
То есть истоки мосфетов посадить на минус, затворы на соответствующие пины ардуины через резисторы как здесь например http://microsin.net/adminstuff/hardware/power-mosfet-tutorial.html
А цепи светодиодов и токоограничивающих резисторов переключить на плюсовую шину DC-DC

 

[poty]

@SieOK, что-то Вы, как мне кажется, пытаетесь увести человека в дебри. Ток базы у современных транзисторов с большим коэффициентом усиления в 30-80 раз меньше тока коллектора. Т.е. если питаются диоды в 20мА, то ток базы будет меньше 500мкА. Ну и сколько напряжения "потеряется" на резисторе 500Ом? 250мВ?
К чему вообще говорить о потерях, когда мы всё равно для согласования тока в LED ставим последовательно с ними резистор?
Самым правильным было бы поставить в качестве ключей источники тока (входят в большинство драйверов для светодиодов), тогда вообще не потребовались бы резисторы и светодиоды светились бы с одинаковой яркостью.

 

[PiratFox]

напряжение на эмиттерах транзисторов равны напряжению на пинах минус падение на базовых резисторах

Теоретически - да. Но в данном случае при таком базовом токе это падение не то, что пренебрежимо мало и ни на что не влияет, но и не каждым прибором его(падение) можно измерить. Будьте благоразумны, не сбивайте начинающего человека с толку.

 

[Олег Днепр]

Самым правильным было бы поставить в качестве ключей источники тока (входят в большинство драйверов для светодиодов), тогда вообще не потребовались бы резисторы и светодиоды светились бы с одинаковой яркостью.

Дело в том, что и резисторы и ваши источники тока будут работать одинаково, их количество тоже будет одинаково. В данной схеме (где все напряжения стабильны и известны заранее).
Источник тока нужен только а) если напряжения нестабильны, б) если нужно оперативно регулировать ток, в) если нужно увеличить КПД.
Что у автора с мощностью схемы:
на каждый светодиод приходит 20 мА и гасится 2.7 В, значит его потребляемая мощность составит 54 мВт, а резистора 46 мВт. Вместе с резистором они сожрут 100 мВт. Всего таких светодиодов будет 6, а может и 10, это 600-1000 мВт или 0.6-1 Вт.
Если КПД импульсного источника тока составляет70%, то он со светодиодом сожрет 70 мВт, а 6-10 светодиодов сожрут 0.4-0.7 Ватта.
При такой разнице нет смысла покупать дорогущие драйверы - резисторы сгодятся.
Кроме того, есть еще такой показатель, как надежность, вы понимаете, что из 6-10 драйверов один-два возьмут, да и выйдут из строя, а резисторы будут жить "вечно".
А если схему сделать не на 5-вольтовой Ардуине, а на 3.3 вольтовом, скажем, ESP8266 (одинаково по деньгам), то КПД резистора будет ВЫШЕ, чем у источника тока!

 

[poty]

Дело в том, что и резисторы и ваши источники тока будут работать одинаково, их количество тоже будет одинаково. В данной схеме (где все напряжения стабильны и известны заранее).

Не согласен:

• светодиоды имеют значительные разбросы (я уже не говорю про разные цвета или количество), в связи с чем могут светиться с разной яркостью; использование драйверов полностью решает этот вопрос и унифицирует элементную базу;
• питание светодиодов может осуществляться от другого напряжения, нежели процессора, т.о., экономим потребляемую мощность, при необходимости;
• последствия предыдущего пункта: к источникам тока/драйверам, при необходимости, можно подключить несколько диодов последовательно (допустим, при питании от 5В - не менее 2-х, пример - в контроллерах ленты 2811), сделать это с резисторами будет проблематично.

нет смысла покупать дорогущие драйверы

не, ну конечно, они стоят явно не дешевле "простых резисторов" (наверное), но назвать их дорогущими у меня язык не поворачивается.

такой показатель, как надежность

здесь я бы поспорил, в любом случае есть транзисторы, которые могут точно также выйти из строя, да и сам МП - далеко не безгрешен (плюс БП).

А если схему сделать не на 5-вольтовой Ардуине, а на 3.3 вольтовом, скажем, ESP8266 (одинаково по деньгам), то КПД резистора будет ВЫШЕ, чем у источника тока!

Нет, что я и продемонстрировал чуть выше.