Kompensacja napięcia na tranzystorach bipolarnych NPN

[PrzeMoc]

Witam,
Przygotowuję obecnie projekt, w którym chciałbym wykorzystać tranzystory bipolarne w roli przełącznika sterowanego przez Arduino. Jeden, który składa się z buzzera, już nawet skutecznie zaaplikowałem do większego układu i działa bez zarzutu. Poniżej schemat:

Problem natomiast jaki mam z tym rozwiązaniem jest taki, że zasilając układ napięciem VCC=5V, przy zastosowaniu tranzystora NPN S9014, powoduje on dość duże straty w układzie. Realnie na buzzerze napięcie zamiast katalogowych 5V wynosi jakieś 3,73V. Prąd płynący z Arduino na bazę to jakieś Ib=0,089mA, a realne wzmocnienie prądowe hFE=132, dając prąd kolektora Ic=11,8mA.
We wskazanym przykładzie uzyskany rezultat jest nawet korzystny, bo buzzer nie jest tak głośny i irytujący jak przy 5V.

Chciałbym natomiast przygotować analogiczny układ tyle, że z małym wentylatorem wymagającym zasilania 5V i katalogowo pobierającym 30mA prądu, a tu już zależałoby mi na uzyskaniu właściwego napięcia, by pracował z pełną mocą.

Można to teoretycznie zrobić na tranzystorach typu MOSFET (wyższe koszta), albo podłączyć źródło zasilania z większym napięciem i z niego schodzić do tych 5V. Mam w całym układzie szynę zasilającą 12V, ale szczerze mówiąc wydaje mi się to mało optymalne energetycznie. Poszukiwałem w internecie różnych rozwiązań na kompensację tych spadków napięcia, ale nie znalazłem niczego sensownego, co można łatwo i tanio zrealizować. Możliwe, że nie wiem pod jakim prawidłowym hasłem tego szukać.

Nie chcę wymyślać koła od nowa, gdyż pewnie ktoś się z tym już mierzył. Czy istnieje jakaś prosta forma modyfikacji takiego układu np. ze sprzężeniem zwrotnym, żeby odbiornik prądu pracował z właściwym mu napięciem wejściowym 5V?

Z góry proszę o wybaczenie jeśli, jakieś z użytych przeze mnie pojęć nie będzie dostatecznie precyzyjne. W zakresie elektroniki jestem samoukiem i wiele z nich tłumaczę z tego co znajdę z angielskiego.

[ethanak]

Tranzystor w roli przełącznika musi być w stanie nasycenia. Zmniejsz rezystor w bazie do jakiejś sensownej wartości i zacznie działać.

A co do kosztów - mosfet kosztuje jakieś 0.50 PLN. Ile dałeś za ten tranzystor?

Edytowano 5 czerwca przez ethanak

[jand]

35 minut temu, ethanak napisał:

Tranzystor w roli przełącznika musi być w stanie zatkania

Prawdopodobnie chodzi o stan nasycenia.

Ale sama rada jest słuszna - zmniejsz opornik w bazie do ok. 10k i będzie dobrze.

Edytowano 5 czerwca przez jand

[ethanak]

Przed chwilą, jand napisał:

Prawdopodobnie chodzi o stan nasycenia.

Tfuj... coś mi się pozajączkowało już poprawiam!

[PrzeMoc]

Możliwe, że zbyt zawile wyjaśniłem o co mi chodzi. W układzie z buzzerem, celowo dobrałem 47kOhm właśnie żeby go "zdusić".

Opornik do wentylatora to ja też sobie policzę i dobiorę, żeby prądy mi się zgadzały, ale problem jest inny, że nawet jak uzyskam jego nominalne 30mA, to przy spadku napięcia na tranzystorze dostępne napięcie dla odbiornika na kolektorze będzie odpowiednio mniejsze z racji, że łączą się szeregowo.
I tu pytanie, czy istnieje jakiś sposób, żeby właśnie skompensować te spadki napięć i mieć dostępne dla odbiornika pełne 5V?

[ethanak]

Nie będziesz miał 5V bo na CE zawsze występuje spadek napięcia, niezależnie od rezystora w bazie.

Niestety - jeśli potrzebujesz pełnego napięcia to te 50 groszy będziesz musiał poświęcić.

BTW nie wiem co czytałeś o rezystorach w bazie i ich doborze, ale to na 100% nie dotyczyło Twojego zastosowania tranzystora. Poza tym H21E w datasheecie nigdy nie jest "dokładnie tyle" a "od - do".

[_LM_]

Obniżenie ICE dobierając tylko rezystor bazy jest błędem ponieważ wzmocnienie tranzystora zależy również od temperatury i prądu złącza. Przy okazji beta tranzystorów nawet z tej samej serii nie jest równe, także kiedy dla jednego tranzystora udało się ograniczyć prąd kolektora, nie musi to zadziałać (tak samo)z innym tego samego typu 

Edytowano 5 czerwca przez _LM_

[ethanak]

A z czystej ciekawości: po co ograniczać prąd kolektora?

[PrzeMoc]

Cytat

Niestety - jeśli potrzebujesz pełnego napięcia to te 50 groszy będziesz musiał poświęcić.

Czyli technicznie rzecz biorąc można rozumować, że przy niskich napięciach operacyjnych układu to jest spory minus dla przynajmniej tego typu tranzystora, bo generuje relatywnie duże spadki potencjału i nie da się tego podbić?
Efektywnie najskuteczniej by było podwyższyć poziom VCC o te spadki i wtedy mieć pewność, że odbiornik ma nominalne napięcie zasilania?

Cytat

BTW nie wiem co czytałeś o rezystorach w bazie i ich doborze, ale to na 100% nie dotyczyło Twojego zastosowania tranzystora. ...

Ekspertem w tym zagadnieniu z pewnością nie jestem. Powiem więcej, że nawet się do końca swobodnie w tym nie czuję, więc przyjmuję słowa wszelkiej krytyki jeśli coś źle zrobiłem. Czy mam rozumieć, że mimo wszystko te 47kOhmów dla buzzera jest źle dobrane?

@_LM_, póki co moje działania z tranzystorami ograniczają się do kilku eksperymentalnych układów, więc za każdym razem wszystko mierzę i koryguję jeśli wychodzi niezgodnie z oczekiwaniami.

Dobrałem opornik do rozwiązania z wentylatorem i to wygląda jak poniżej. Wartości tekstowe to są już pomierzone w rzeczywistości parametry napięcia i prądu. Opornik też zmierzyłem żeby mieć pewność, że łącznie daje 40kOhm. Wygląda na to, że tym razem hFE = 316.

Korzystam z tych wykresów w datasheecie dla tego tranzystora S9014, ale nie ukrywam, że przy 5V to ja się poruszam w dość ich trudnym do przewidzenia zakresie.

Dochodzę do wniosku, że z tym wentylatorem to jest na tyle niski pobór mocy, że chyba go wepnę na stałe do stabilizatora liniowego i niech zawsze będzie włączony, ale mam jeszcze kilka komponentów o wyższym poborze prądu, gdzie jednak tranzystor jest niezbędny.

Edytowano 5 czerwca przez PrzeMoc
Poprawiłem obrazek bo wkradło się kilka błędów.

[_LM_]

1 godzinę temu, ethanak napisał:

A z czystej ciekawości: po co ograniczać prąd kolektora?

Pisał kolega że ograniczał napięcie na buzzerku.

1 godzinę temu, PrzeMoc napisał:

Ekspertem w tym zagadnieniu z pewnością nie jestem. Powiem więcej, że nawet się do końca swobodnie w tym nie czuję, więc przyjmuję słowa wszelkiej krytyki jeśli coś źle zrobiłem. Czy mam rozumieć, że mimo wszystko te 47kOhmów dla buzzera jest źle dobrane?

Nie to że źle tylko takie połączenie jest zależne od czynników na które nie masz wpływu, podmienisz tranzystor i zmienią się parametry całego układu. W takim przypadku zastosowałbym źródło prądowe, wtedy prąd na obciążeniu będzie stabilny i niezależny od zasilania, rozrzutu parametrów elementów, oraz temperatury.

Poniżej przykład źródła prądowego które możesz użyć

https://tinyurl.com/22uhm9n8

Poprawiony link

Edytowano 5 czerwca przez _LM_
Poprawiłem link

[ethanak]

Rozumiem ograniczenie napięcia, ale prądu?

[jand]

@PrzeMoc, w dobrze nasyconym tranzystorze npn napięcie kolektor - emiter to tylko jakieś 0,2V. Przy zasilaniu 5V można to pominąć.

Jeśli zdecydujesz się na MOSFET, to wybierz z niskim napięciem włączania (tzw. logic level), aby Ci się porządnie otworzył.

[PrzeMoc]

2 godziny temu, jand napisał:

@PrzeMoc, w dobrze nasyconym tranzystorze npn napięcie kolektor - emiter to tylko jakieś 0,2V. Przy zasilaniu 5V można to pominąć.

Jeśli zdecydujesz się na MOSFET, to wybierz z niskim napięciem włączania (tzw. logic level), aby Ci się porządnie otworzył.

To mi jakoś strasznie dużo wychodzi dla tego S9014, ale to wygląda jednocześnie na to, że ja nim nie pracuję we w miarę stabilnym zakresie pracy, do którego byłby przystosowany. Poszukam lepszych tranzystorów pod moje potrzeby, z mniejszym spadkiem napięcia według sugestii.

Spróbuję jeszcze pomęczyć bipolarne, a jeśli mi nie wyjdzie to przejdę na MOSFETy. Dziękuję!

@_LM_ , dziękuję za sugestię i link. Nie do końca tam jeszcze wszystko rozumiem, ale dokształcę się, spróbuję przygotować taki układ i ocenię po rezultatach.

[_LM_]

To taki online symulator elektroniki, czasem się przydaje żeby coś komuś pokazać (osobiście wolę "stacjonarny" LTSpice) mając otwarty schemat spróbuj zmienić napięcie zasilania, zauważysz że prąd diody pozostanie taki sam, nie jest to odwzorowanie 1 do 1 rzeczywistego układu. Chodzi o przekazanie idei źródła prądowego

[jand]

26 minut temu, PrzeMoc napisał:

Poszukam lepszych tranzystorów

Jeśli chodzi o npn to nie ma co szukać - ten jest wystarczająco dobry. W/g zamieszczonej przez Ciebie tabeli typowe napięcie U_CE w nasyceniu to 0,14V.

Musisz tylko tak zwiększyć prąd bazy, by się tranzystor porządnie nasycił.

Edytowano 5 czerwca przez jand