В этой транзисторной схеме для чего нужен диод на двигателе?

1. Диод в этой конфигурации называется «обратноходовым» диодом. Двигатель состоит из катушки провода, которая фактически является индуктором (и электромагнитом). Когда двигатель вращается, катушка будет включаться и выключаться вместе с коммутатором внутри двигателя, что вызывает скачки напряжения. Диод обеспечивает путь для этой энергии, так что она может рассеиваться в шину +5 В, а не куда-то еще, менее предсказуемый. Вы также найдете эти диоды на катушках реле. Обычно вы также ставите конденсатор на шину 5 В, чтобы дополнительно поглощать пики (иначе вы получите шум повсюду). ПРИМЕЧАНИЕ. В вашем вопросе говорится «Источник питания Pin 9». Это неверно, см. следующий вопрос.

2. Да, но не очень актуально. Это цель этой схемы. Для управления двигателем можно использовать очень небольшой ток (мкА или мА) (~ 200 мА с этим транзистором от +5 В через двигатель). Только около 330 мкА (вероятно, ближе к 270 мкА... Я не вводил никаких цифр в калькулятор) будет течь от контакта 9 к земле через транзистор. Ток для двигателя поступает от шины +5В.

3. Это верно. При разговоре с кем-то ток всегда течет от высокого потенциала (+) к низкому потенциалу (-), даже если электроны движутся в противоположном направлении. На самом деле это просто условность, чтобы все знаки сработали.

Чтобы понять этот трюк, новичку нужно представить, что такое напряжения (величина и полярность) и куда текут токи (направление и путь). Я знаю это из своего личного опыта; вот почему я визуализировал эти невидимые электрические величины на рисунках ниже в виде полос напряжения (красным цветом) и токовых петель (зеленым цветом). Я рассмотрел аналогичную, но более простую схему с катушкой индуктивности (например, катушкой реле), но ее можно применить и к двигателю.

1. Ключом к интуитивному пониманию индуктивных цепей является представление о катушке индуктивности как о «перезаряжаемом источнике тока». Так, при включении транзистора Т (рис. 1) на катушку индуктивности L подается напряжение питания и она начинает заряжаться. Электрический ток$I_{CH}$постепенно увеличивается от нуля до своего максимума (определяется внутренним сопротивлением катушки). Обратите внимание, что знак напряжения на входе дросселя положительный, поскольку он действует как нагрузка.

2. Когда транзистор выключается (рис. 2)... и диод не подключен, катушка индуктивности, выступая в роли источника тока, «хочет» пропустить такой же ток. Во-первых, он меняет полярность своего внутреннего напряжения.$V_L$(обратная ЭДС); затем, когда цепь разомкнута, она начинает увеличивать это напряжение в надежде пропустить ток через транзистор. При этом его напряжение во много раз превышает напряжение питания и прибавляет к нему. Это как если бы на транзистор подается очень высоковольтный составной источник питания ... и если его максимальное напряжение будет недостаточно высоким, он сломается.

3. Если параллельно катушке подключить диод D (рис. 3), то он обеспечит путь для ее тока$I_{DSCH}$... и катушка через него быстро разрядится. Теперь напряжение питания ограничено только$V_{CC} + V_F$, что безопасно для транзистора.

В качестве небольшого отступления я подумал, что должен усилить комментарий Тони Стюарта.

Схема, на которую вы смотрите, в принципе прекрасна, но ее нельзя использовать ни для каких двигателей, кроме самых маленьких.

Скажем так: чтобы получить большой ток (и, следовательно, большой крутящий момент или мощность) от двигателя, вам нужно, чтобы напряжение было как можно ближе к 5 вольтам. Это означает, что напряжение на транзисторе (Vce) должно быть как можно меньше и уж точно меньше 1 вольта. В дополнение к этой очевидной проблеме имейте в виду, что мощность, рассеиваемая на транзисторе, является произведением напряжения (Vce) и тока (в основном тока коллектора).

Это вполне возможно, но есть ограничения. Наиболее важным является то, что когда транзистор работает с очень низким Vce (обычно меньше вольта), его коэффициент усиления значительно падает. Общее эмпирическое правило для этого состояния, называемого насыщением, заключается в усилении от 10 до 20, где у вас есть выбор, насколько оптимистичным вы хотите быть. Консервативное значение равно 10. При этом значении вы можете ожидать Vce около 0,2 вольта или около того, если вы понимаете, что это подразумевает определенный уровень тока.

Теперь посмотрите на свою схему. Если контакт 9 имеет максимальное напряжение 3,3 вольта, напряжение на базовом резисторе будет около 3,3-0,6 вольта или около 2,7 вольта. 0,6 происходит из-за падения напряжения база-эмиттер. 2,7 вольта, деленные на 10 кОм, дают базовый ток около 270 мкА. Управление базой с этим током дает максимальный ток коллектора около 2,7 мА или 5,4 мА с коэффициентом насыщения 20. Если транзистор полностью открыт, Vce будет около 0,2 вольта. Таким образом, максимальная мощность, доступная для двигателя, будет составлять примерно 4,8 В, умноженные на 2,7–5,4 мА, или что-то порядка 13–26 мВт. В качестве ориентира, 1 лошадиная сила составляет около 750 Вт, так что вы говорите о 17-34 микро-лошадиных силах.

Вряд ли это бесполезно; вы можете отлично крутить маленький индикатор с маломощным двигателем. Просто вы не сможете сделать (например) какое-либо транспортное средство, и вы не сможете поднять много груза с помощью шкива.

Если вы действительно хотите построить свою схему, что вам нужно для двигателя? Он должен быть рассчитан на 5 вольт или более, максимально близкий к 5 вольтам. Купите себе дешевый цифровой мультиметр (цифровой мультиметр) за 10-20 баксов и измерьте сопротивление двигателя. Оно должно быть порядка от 900 до 2 кОм или больше. Сопротивление равно напряжению по току. 4,8 вольта, разделенные на 0,0027 до 0,0054, дадут вам числа (помните, что мы говорили о мА, а не об амперах).

Очевидно, что вы можете получить больший ток, сильнее управляя транзистором, и вы делаете это, уменьшая базовый резистор. Однако имейте в виду, что в какой-то момент Arduino не сможет получать достаточный ток от контакта 9, и напряжение на контакте начнет падать. Вы должны быть в порядке, уменьшив резистор до 1 кОм и, возможно, до 330 Ом или около того, с последующим увеличением тока транзистора (и двигателя). Я призываю вас исследовать это систематически. Когда вы это сделаете, также регулярно проверяйте температуру транзистора. 2N3904 не являются мощными устройствами, поэтому не удивляйтесь, если они нагреются. К счастью, они также очень дешевы, так что не стоит слишком параноидально сжигать несколько штук.

В худшем случае вы узнаете о Magic Smoke. Знаете ли вы, что транзисторы на самом деле работают по волшебству? В центре каждого транзистора находится небольшой карман Magic Smoke. Если выпустить Magic Smoke, транзистор перестанет работать, и это доказывает, что Magic Smoke заставил его работать.

Верно?

Отвечая на ваши вопросы, хотя схема будет работать и без диода, ее целью является защита чувствительных электронных компонентов от очень высоких скачков напряжения, исходящих от двигателя, когда он отключается. Видите ли, обмотки двигателя действуют не только как электромагнит, но и как индуктор, который накапливает большое количество энергии в своем магнитном поле. Когда питание, подаваемое на двигатель, отключается, это поле разрушается и выбрасывает всю накопленную энергию обратно в цепь одним большим выбросом, который может повредить электронные компоненты. Таким образом, диод затем действует как «короткое замыкание» для двигателя, обеспечивая путь для разрядки обмоток, во многом подобно стабилизирующему резистору на большом конденсаторе.

Далее, что касается направления тока, исторически считалось, что ток течет от точек с зарядом + к точкам с зарядом -, однако в конечном итоге было обнаружено, что сами электроны действительно текут от - к точкам +. Эта концепция называется «электронным током», а исходная идея называется «условным током».

Поскольку формулы, используемые для расчета электронных величин, были разработаны с учетом мудрости того времени, «обычный ток» по-прежнему широко используется при разработке новых схем.

Поэтому правильнее было бы сказать, что ток течет от земли через эмиттер к выводу 9, хотя на самом деле различие довольно академическое; во что бы вы ни верили, это «просто работает». Надеюсь, это поможет - продолжайте учиться и наслаждаться этой увлекательной областью обучения!

Все ответы здесь подчеркивают, что индуктивные нагрузки, такие как двигатель, несут нагрузку энергии, которую разряжает обратный диод. Это не то, что здесь происходит, и обратные диоды будут сравнительно небольшими устройствами, очевидно, не способными излучать много энергии.

Здесь речь идет о том, что отключенные катушки индуктивности добавляются в качестве источников тока, сохраняя свой текущий ток. Даже если этот ток низок, если он имеет бесконечное сопротивление, результирующее напряжение может стать произвольно большим, как статический разряд при ходьбе по ковру из пластикового волокна. Только результирующее напряжение разрушает цепи.

Обратный диод обеспечивает путь, по которому ток продолжает течь. Поскольку напряжение на нем низкое (в идеале нулевое), здесь теряется не так много энергии: основная часть рассеивается на сопротивлении катушек двигателя. Однако, в зависимости от размера, типа и нагрузки двигателя, двигатель может действовать как довольно большая индуктивность, поскольку при выключении он возвращает на свои входы не только энергию электрического поля, но и механическую энергию. Как правило, обратный диод имеет такие же размеры, как и управляющий транзистор.

Следует помнить, что короткое замыкание индуктора - это его режим холостого хода , в то время как разомкнутая цепь немедленно вытесняет накопленную энергию из магнитной цепи индуктора. Таким образом, обратный диод защищает не только управляющий транзистор, но и сам индуктор, в противном случае искры могли бы пробить изоляцию его катушек и, таким образом, повредить его.

Скажем, двигатель вращает маховик. Когда питание отключается, диод возвращает энергию обратно через катушки двигателя, чтобы закоротить или нейтрализовать генерируемое электричество.