在由NPN晶体管切换的电路中，电源和输入是否需要相同的接地？

我正在尝试制作一个电路，以允许我打开一个继电器，该继电器将打开一个LED。但是，该继电器的额定电压为12 V，我只有5 V的输入，因此我使用的是NPN晶体管。打开和关闭继电器的电源。这是原理图：

但是，我对一些事情感到困惑（请注意，未指定12 V电源和5 V电源的接地）：

1. 如果我的5 V电源是Arduino，我可以使用12 V电源的接地吗？

2. 基极和发射极在晶体管上具有不同的接地可以吗？还是必须相同？

3. 如果我的12 V电源是8节AA电池（不可持续，但我只是将其用于测试），我该如何将其连接到与arduino相同的地面，而不是电池的负极？

4. 如何基于晶体管确定R1和R2应该是什么？我在网上阅读了一些内容，但仍然感到困惑。

5. 还有其他我没有考虑的事情吗？

我对此完全陌生，因此非常感谢您的帮助。

1. 是的，您需要在该电路中连接5V和12V接地，以便晶体管进行切换。请记住，基本电流必须有返回路径。您不能仅使用1根电线发送信号。

2. 参见上文，发射器需要使用与信号源（Arduino）相同的接地，否则没有返回路径。

3. 将底部电池的负极（假设您串联了8个）连接到Arduino地面。
   “接地”只是用于测量电路中电压的参考点的术语，您可以选择任意点（尽管通常是连接到电源负极端子的网络）。例如，您可以将电路中正极端子连接的点称为“地”，然后“原始地”（电路中所示的地）相对于它为-12V。负端子并不意味着电压为负，它只是告诉您电流的流向。

4. （a）R1将电流限制在晶体管的基极。要计算该值，我们需要知道要切换多少电流（即继电器需要多少电流）以及晶体管的电流增益。假设我们使用的晶体管的电流增益为200，继电器需要20mA的开关电流。由于通过基极的电流会被电流增益放大，因此我们知道基极电流至少需要为20mA / 200 = 0.1mA。
   典型的双极晶体管的基极电压约为0.7V，因此串联电阻（R1）的最大值应为：（5V-0.7V）/ 0.1mA =43kΩ
   由于增益可能会发生变化（为了安全起见，请从数据表中的最小值开始），我们可以选择一个33kΩ的电阻来节省一些基础电流。请注意，要成为有效的开关，我们希望晶体管饱和，因为有效增益在线性和饱和模式（如Shokran所述）之间的拐点处开始下降。因此，我们选择一个比计算得出的值低的电阻，以确保可以将集电极拉到地附近。在例如功率晶体管的情况下，最小化功耗非常重要，明智的做法是选择至少比计算值小5倍的值（或假设增益为〜20），因此在上述示例中我们可以将其降低至4.3k。

   （b）R2用于确保在移除驱动电流时将基座拉到地面。这是为了防止泄漏电流使晶体管部分导通。该值不必太精确，仅足以分流泄漏电流（数据表），而又不能太低以窃取太多基本驱动电流。串联电阻的5-10倍（或1kΩ至500kΩ）是一个大概的范围。在大多数情况下，100kΩ是一个合理的值，尽管在这里我会选择330k，因为泄漏电流应该很小。如果需要降低很多，则必须调整串联电阻进行补偿。
   请注意，如果将Arduino引脚驱动至0V（即设置为输出和逻辑0），则R2并不是真正必要的，只有将引脚设置为高阻抗（即输入）时才需要R2。
   注意2-BJT很少需要担心（MOSFET是另一回事，绝对不希望悬空）如果您有一个非常高的增益晶体管（特别是达林顿），嘈杂的环境和/或高温（泄漏会随温度增加）和非常高的集电极电阻会引起问题，但通常泄漏电流会很小。

5. 并不是我现在就可以发现（但是今天凌晨4:48，所以我的大脑可能早就退休了，所以我保留错过明显的东西的权利;-)）

1），2）和3）
如果在电路中使用不同的电源，则必须以某种方式连接它们，以便它们具有共同的参考。您几乎总是要连接地面，因为它们是您的参考。电压是相对的：如果将电池的正值作为参考，则负值将为-12 V，如果将负数作为参考，则正值将为+12V。很少有电路会使用正值作为参考，正电压更好。因此，电池的负号到达了Arduino的地上。

为什么必须连接它们？您的晶体管将看到两个电流：一个基极电流，该基极电流进入基极并通过发射极返回5V电源，一个集电极电流进入集电极并通过发射极回到电池。由于电流具有共同的发射极（称为公共发射极电路），因此将连接两个电源。

当基极电流通过发射极离开晶体管时，基极电流如何知道该去向？电流只能在一个闭环中流动，从电源的正向负流。基本电流始于+5 V，因此当它穿过电池接地时不会闭合环路。

$\frac{5V-0.7V}{R1}$

$h_{FE}$$h_{FE}$

$\frac{4.3 V}{0.175 mA}$

我们选择一个10kΩ的电阻。这个值比我们所需的要低得多，但是我们会好的。基本电流约为0.5 mA，这是Arduino会很高兴地提供的电流，晶体管将尝试使该电流达到100 mA，但同样，它将限于我们的35 mA。通常，最好有一些余量，以防5 V电压稍低一些，或者参数中可能有其他变化。我们有三倍的安全裕度，应该可以。

R2呢？我们没有使用它，一切似乎都还可以。没错，在大多数情况下都是如此。我们什么时候需要它？如果Arduino的输出低电压不会低于0.7 V，则晶体管在关闭时也会流过电流。情况并非如此，但可以说输出低电压将保持在1V。R1和R2构成一个电阻分压器，如果我们选择R1 = R2，则1 V输入将变为0.5 V基本电压，并且晶体管不会得到任何电流。

接通时，我们有0.5 mA的基本电流，但是R2与基极-发射极并联时，我们会在那里损失一些电流。如果R2为10kΩ，则将汲取0.7 V / 10kΩ= 70 µA。因此，我们的500 µA基本电流变为430 µA。我们有很大的余量，因此仍然会给我们足够的电流来激活继电器。

R2的另一个用途是消耗泄漏电流。假设晶体管由电流源驱动，例如光耦合器的光电晶体管。如果光耦合器提供电流，它将全部进入基极。如果光耦合器关闭，则光电晶体管仍会产生小的漏电流，即所谓的“暗电流”。通常不超过1 µA，但是如果我们不对其进行任何处理，它将流入基极并产生200 µA的集电极电流。虽然应该为零。因此，我们引入R2，并为其选择68kΩ。然后，R2将产生68 mV / µA的压降。只要电压降小于0.7 V，所有电流都将流过R2，而没有电流流到基极。那是10 µA。如果电流更高，则R2的电流将被限制在10 µA，其余部分流经基极。因此，我们可以使用R2创建阈值。暗电流不会激活晶体管，因为太低了。

除了这种情况，电流驱动的R2很少需要。您在这里不需要它。

似乎值得一提的是，如果您确实需要2个单独的接地，则可以选择使用光耦AKA固态继电器。但是它们的体积和价格是晶体管的几倍（对于小项目来说仍然不错），因此仅在真正需要时使用。