NPNトランジスタでスイッチングされる回路で、電源と入力に同じグラウンドが必要ですか？

LEDをオンにするリレーをオンにできる回路を作成しようとしています。ただし、リレーの定格は12 Vで、入力は5 Vしかないため、NPNトランジスタを使用しています。リレーの電源をオン/オフします。これが回路図です。

ただし、いくつかの点で混乱しています（12 V電源と5 V電源の両方のグラウンドが指定されていないことに注意してください）。

1. 5 V電源がArduinoである場合、12 V電源のアースにそのアースを使用できますか？

2. トランジスタのベースとエミッタが異なるグラウンドを持つことは問題ありませんか？または、それらは同じである必要がありますか？

3. 12 V電源が8 AAバッテリー（持続可能ではありませんが、それをテストのために使用しているだけです）の場合、それをバッテリーのマイナス側ではなく、Arduinoと同じアースにどのように接続しますか？

4. トランジスタに基づいて、R1とR2がどうあるべきかをどうやって理解できますか？私はいくつかのことをオンラインで読みましたが、それでも混乱しています。

5. 私が考慮すべきではない他のことはありますか？

私はこれにまったく慣れていないので、どんな助けでも大歓迎です。

1. はい、トランジスタを切り替えるには、この回路の5Vと12Vのアースを接続する必要があります。ベース電流のリターンパスが必要であることに注意してください。1本のワイヤだけを使用して信号を送信することはできません。

2. 上記を参照してください。エミッタは信号ソース（Arduino）と同じグラウンドを使用する必要があるか、リターンパスがありません。

3. 下のバッテリーのマイナス端子（直列に8つあると想定）をArduinoのアースに接続します。
   「グラウンド」は、回路内の電圧を測定するための参照ポイントの単なる用語であり、任意のポイントを選択できます（通常、電源のマイナス端子に接続されたネットです）。たとえば、正の端子が回路内で接続するポイントを「グラウンド」と呼ぶと、「元のグラウンド」（回路に示されているグラウンド）はそれに対して-12Vになります。マイナス端子は、電圧がマイナスであることを意味するのではなく、電流がどのように流れるかを通知するだけです。

4. （a）R1は、トランジスタのベースへの電流を制限するためのものです。値を計算するには、スイッチングする電流の大きさ（つまり、リレーに必要な量）とトランジスタの電流ゲインを知る必要があります。電流ゲインが200のトランジスタを使用していて、リレーを切り替えるには20mAが必要だとします。ベースを流れる電流は電流ゲインによって増幅されるため、ベース電流は少なくとも20mA / 200 = 0.1mAである必要があることがわかります。
   標準的なバイポーラトランジスタのベース電圧は約0.7Vであるため、直列抵抗（R1）は最大で（5V-0.7V）/ 0.1mA =43kΩである必要があります。
   ゲインは変化する可能性があるため（データシートの最小値から安全にするため）、ベース電流をいくらか確保するために33kΩを選択できます。（Shokranが言及したように）線形モードと飽和モードの中間で実効ゲインが低下し始めるため、実効スイッチになるためにはトランジスタを飽和させたいことに注意してください。そのため、計算された値よりも低い値の抵抗を選択して、コレクタをグランド近くに引き寄せることができるようにします。たとえば、電力トランジスタで損失を最小限に抑えることが重要な場合は、計算値の少なくとも5分の1の値を選択する（またはゲインを約20と想定する）ことをお勧めします。これにより、上記の例では4.3kまで下げることができます。

   （b）R2は、駆動電流が除去されたときにベースが確実にグランドに引き下げられるようにするためにあります。これは、トランジスタを部分的にオンにするリーク電流を停止するためです。値は、漏れ電流（データシート）を分流するのに十分なほど正確である必要はなく、ベースドライブ電流を過剰に盗むほど低すぎる必要もありません。直列抵抗の5〜10倍（または1kΩ〜500kΩ）は、大まかな範囲です。ほとんどの場合、100k＆Omegaが妥当な値ですが、リーク電流は最小限に抑えられるため、ここでは330kにします。大幅に下げる必要がある場合は、補償するために直列抵抗を調整する必要があります。
   Arduinoピンが0Vに駆動されている（つまり、出力とロジック0に設定されている）場合、R2は実際には必要ありません。ピンが高インピーダンス（つまり入力）に設定されている場合のみです。
   注2-これはBJTで心配する必要があることは非常にまれです（MOSFETは別の問題であり、絶対にフローティング状態のままにしたくない）非常に高いゲインのトランジスタ（esp darlington）、ノイズの多い環境、または非常に高温（リークは温度とともに増加します）と非常に高いコレクタ抵抗の場合、問題が発生する可能性がありますが、一般的にはリーク電流は非常に小さくなります。

5. 今は見つけられないというわけではありません（ただし、ここでは午前4時48分なので、退職してから脳が長くなる可能性があるため、明らかなものを逃した権利を留保します;-)）

1）、2）、および3）
回路で異なる電源を使用する場合、それらを何らかの方法で接続して、それらが共通の基準を持つようにする必要があります。それらはあなたの参照であるため、あなたはほとんど常にグラウンドを接続します。電圧は相対的です：バッテリーのプラスを基準として取る場合、マイナスは-12 Vになります。マイナスを基準として取る場合、プラスは+12 Vになります。プラスを基準として使用する回路はほとんどありません。正の電圧が優れています。したがって、バッテリーのマイナスはArduinoのアースに行きます。

なぜ接続する必要があるのですか？トランジスタには2つの電流が流れます。1つはベースに入り、エミッタを介して5V電源に戻るベース電流、もう1つはコレクタ電流がコレクタに入り、エミッタを介してバッテリに戻る電流です。電流には共通のエミッターがあるため（これは、共通エミッター回路と呼ばれます）、両方の電源が接続される場所になります。

ベース電流は、エミッタを介してトランジスタを出るときにどの方向に進むかをどのようにして知るのですか？電流は、電源からのプラスからマイナスへの閉ループでのみ流れることができます。ベース電流は+5 Vで始まったため、バッテリーのアースに到達してもループは閉じません。

4）
しばらくR2を省略します。ベースエミッタはダイオードとして機能するため、ベースは約0.7 Vです。5Vを印加してトランジスタをアクティブにすると、オームの法則に従って、R1を流れる電流（ベース電流）は。トランジスタは、その電流を増幅して、リレーを駆動するのに十分に高いコレクタ電流にします。何が十分に高いですか？したがって、リレーのデータシートを確認する必要があります。必要な電流またはコイルの抵抗のいずれかが表示され、オームの法則を使用して電流を計算できます。リレーは通常、アクティブ化に約400 mWを必要とするため、12 Vリレーの場合、400 mW / 12 V = 35 mAの電流になります。これが最小コレクタ電流です。 $\frac{5V-0.7V}{R1}$

どのくらいのベース電流を得る必要があるかを知るには、トランジスタのデータシートを調べる必要があります。目的が必要な100 000 個のBC547Bが横になっているとします（注文時に小数点を忘れました）。現在のゲインは、データシートの2ページにあるパラメータによって与えられます。BC547Bの場合、最小値は200です。（常に最悪の値を使用してください。h_場合、最小値です。一般的な値を使用する場合、一部の部品の電流が少なすぎる可能性があります。） $h_{FE}$$h_{FE}$

したがって、35 mAのコレクタ電流を取得するには、35 mA / 200 = 0.175 mAのベース電流が必要です。次に、R1は = 24600Ωでなければなりません。これは見つけられない値なので、より高い値またはより低い値を選択する必要があります。高い値を選択すると、電流が低くなり、コレクタ電流も少なくなり、リレーが作動しない場合があります。したがって、それを低くする必要があります。24600Ωが上限です。（理由の範囲内で）ベース電流を供給しすぎても問題はありません。コレクタ電流はそれに追従しようとしますが、コイルの抵抗によって制限されます。コイルの抵抗が360Ωの場合、オームの法則によれば、どんなに頑張っても、12 Vでは35 mAを超えることはできません。 $\frac{4.3 V}{0.175 mA}$

10kΩの抵抗を選びましょう。これは必要な値よりはるかに低い値ですが、問題はありません。ベース電流は約0.5 mAであり、Arduinoはそれを喜んで供給し、トランジスタはその100 mAを作ろうとしますが、やはり35 mAに制限されます。一般に、5 Vが少し低くなる場合や、パラメーターに他にどのような変動がある場合でも、ある程度のマージンを設けることをお勧めします。係数3の安全マージンがありますが、これは問題ありません。

R2はどうですか？私たちはそれを使用しませんでした、そしてすべては大丈夫であるようです。そうです、そしてそれはほとんどの場合です。いつ必要になりますか？Arduinoの出力低電圧が0.7 Vを下回らない場合、トランジスタもオフのときに電流が流れます。そうではありませんが、出力の低電圧が1 Vのままになるとしましょう。R1とR2は抵抗分割器を形成し、R1 = R2を選択した場合、1 V入力は0.5 Vのベース電圧になり、トランジスタには電流が流れません。

オンのときは0.5 mAのベース電流がありましたが、ベースエミッタと並列のR2を使用すると、その電流の一部が失われます。R2が10kΩの場合、0.7 V / 10kΩ= 70 µAを消費します。したがって、500 µAのベース電流は430 µAになります。私たちは多くのマージンを持っていたので、それでもリレーをアクティブにするのに十分な電流を提供します。

R2のもう1つの用途は、漏れ電流を排出することです。トランジスタが、フォトカプラのフォトトランジスタのような電流源によって駆動されているとします。オプトカプラーが電流を供給する場合、それはすべてベースに入ります。オプトカプラーがオフの場合でも、フォトトランジスターは「リーク電流」と呼ばれる小さなリーク電流を生成します。多くの場合1 µA以下ですが、何もしないとベースに流れ込み、200 µAのコレクタ電流が発生します。それはゼロでなければなりません。そこで、R2を導入し、68kΩを選択します。次に、R2は68 mV / µAの電圧降下を生成します。電圧降下が0.7 V未満である限り、すべての電流はR2を通過し、ベースには流れません。これは10 µAです。電流が大きい場合、R2の電流はその10 µAでクリップされ、残りはベースを通過します。したがって、R2を使用してしきい値を作成できます。暗電流は低すぎるため、トランジスタをアクティブにしません。

この電流駆動R2の場合を除いて、必要になることはほとんどありません。ここでは必要ありません。

本当に2つの個別のアースが必要な場合は、オプトカップルAKAソリッドステートリレーのオプションがあることに言及する価値があるようです。ただし、これらはトランジスタよりも数倍大きくて高価です（まだ小規模なプロジェクトには悪くありません）。本当に必要な場合にのみ使用してください。