Quale configurazione è migliore per abbattere la base di un transistor NPN?

Stavo discutendo di abbattere i resistori con un mio collega. Ecco le due configurazioni per transistor come interruttore.

Il segnale di ingresso può provenire da un microcontrollore o da un'altra uscita digitale per pilotare un carico oppure da un segnale analogico per fornire un'uscita bufferizzata dal collettore del transistor al microcontrollore.

A sinistra, con Q1, è la configurazione del mio collega. Egli afferma che:

• È necessario un resistore da 10 K direttamente nella base per impedire l'accensione involontaria del Q1. Se viene utilizzata la configurazione a destra, con Q1, la resistenza sarà troppo debole per abbassare la base.
• R2 protegge anche dalla sovratensione e fornisce stabilità in caso di variazioni di temperatura.$V_{BE}$
• R1 protegge dalla sovracorrente alla base del Q1 e sarà un resistore di valore maggiore nel caso in cui la tensione da "uC-out"sia alta (ad esempio + 24 V). Ci sarà un divisore di tensione formato, ma non importa poiché la tensione di ingresso è già abbastanza alta.

A destra, con Q2, è la mia configurazione. Penso che:

• Poiché la base di un transistor NPN non è un punto ad alta impedenza come un MOSFET o un JFET, e l' del transistor è inferiore a 500, e sono necessari almeno 0,6 V per accendere il transistor, un resistore pull-down non è critico e nella maggior parte dei casi non è nemmeno necessario.$H_{FE}$
• Se un resistore pull-down verrà inserito nella scheda, allora il valore di 10K esatti è un mito. Dipende dal tuo budget di potere. Un 12K andrebbe bene così come un 1K.
• Se viene utilizzata la configurazione a sinistra, con Q1, viene creato un partitore di tensione che può creare problemi se il segnale di ingresso, utilizzato per accendere il transistor, è basso.

Quindi, per chiarire le cose, le mie domande sono:

1. Il resistore pull-down 10K è una regola empirica che dovrei applicare ogni volta? Quali sono le cose da considerare quando si determina il valore di una resistenza pull-down?
2. La resistenza pull-down è davvero necessaria in ogni applicazione? In quali casi è necessaria la resistenza di pull-down?
3. Quale configurazione preferiresti e perché? Se nessuno, quale sarebbe una migliore configurazione?

Soluzione riassunta:

• Le due configurazioni sono vicine all'equivalente.

• O funzionerebbe ugualmente bene in quasi tutti i casi.

• In una situazione in cui uno era migliore dell'altro, il design sarebbe eccessivamente marginale per l'uso nel mondo reale (poiché qualsiasi cosa così cruciale per differenziare sostanzialmente significa che l'operazione è "al limite"). .

• R 4 V i $R_{2}$ o sono necessari solo quando può essere un circuito aperto, che in tal caso sono una buona idea. I valori fino a circa 100 K sono probabilmente OK nella maggior parte dei casi. 10k è un buon valore sicuro nella maggior parte dei casi.$R_{4}$$V_{in}$

• Un effetto secondario nei transistor bipolari (a cui ho accennato nella mia risposta) significa che R2 e R4 potrebbero essere necessari per assorbire la corrente di dispersione di polarizzazione inversa Icb. In caso contrario, verrà trasportato dalla giunzione be e può causare l'accensione del dispositivo. Questo è un vero effetto nel mondo reale che è ben noto e ben documentato ma non sempre ben insegnato nei corsi. Vedi la mia aggiunta risposta.

Astuccio per la mano sinistra:

• La tensione dell'unità è ridotta di , il che significa un 9% in meno. $\frac{10}{11}$
• La base vede 10K a terra, se l'ingresso è a circuito aperto.
• Se l'ingresso è BASSO, allora la base vede circa 1K a terra. In realtà 1K // 10K = essenzialmente lo stesso.

Caso della mano destra:

• Drive = 100% di viene applicato tramite 1K. $V_{in}$
• La base vede 10K a massa se è un circuito aperto. (rispetto a 11K). $V_{in}$
• Se l'ingresso è BASSO, la base vede 1K, che è essenzialmente lo stesso.

R2 e R4 agiscono per deviare la corrente di dispersione della base verso terra. Per transistor jellybean a bassa potenza o di piccolo segnale, fino a diversi watt, questa corrente è molto piccola e di solito non accenderà il transistor, ma potrebbe in casi estremi, quindi dire 100K di solito sarebbe sufficiente per mantenere la base BASSA .

Questo vale solo se è un circuito aperto. Se è messo a terra, il che significa che è BASSO, allora R1 o R5 vanno dalla base alla terra e R2 o R4 non sono necessari. Una buona progettazione include questi resistori se potrebbe mai essere un circuito aperto (ad es. Un pin del processore durante l'avvio potrebbe essere un circuito aperto o non definito). V i n V i $V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$

Ecco un esempio in cui un "blip" molto breve a causa di un pin flottante ha avuto conseguenze importanti: molto tempo fa, avevo un circuito che controllava un'unità nastro dati a bobina aperta a 8 tracce. Alla prima accensione del sistema, il nastro scorreva all'indietro ad alta velocità e despool. Questo è stato "molto, molto fastidioso". Il codice è stato verificato e non è stato rilevato alcun errore. Si è scoperto che l'unità porta si è aperta a circuito aperto quando la porta è stata inizializzata e ciò ha consentito alla linea mobile di essere trascinata in alto dal deck a nastro che ha inserito un codice di riavvolgimento sulla porta a nastro. Si è riavvolto! Il codice di inizializzazione non ha esplicitamente comandato l'arresto del nastro poiché si presumeva che fosse già stato arrestato e non si sarebbe avviato da solo. L'aggiunta di un comando di arresto esplicito significava che il nastro si contraeva ma non despool (conta sulle dita del cervello - hmmm 34 anni fa. (Era all'inizio del 1978 - ora quasi 38 anni fa mentre modifico questa risposta). Sì, allora avevamo microprocessori. Appena :-).

specifiche:

È necessario un resistore da 10 K direttamente nella base per impedire l'accensione involontaria del Q1. Se viene utilizzata la configurazione a destra, con Q1, la resistenza sarà troppo debole per abbassare la base.

No!

10K = 11K per scopi pratici il 99,8% delle volte e anche 100k funzionerebbero nella maggior parte dei casi.

R2 protegge anche VBE da sovratensioni e fornisce stabilità in caso di variazioni di temperatura.

Nessuna differenza pratica in entrambi i casi.

R1 protegge dalla sovracorrente alla base del Q1 e sarà un resistore di valore maggiore nel caso in cui la tensione da "uC-out" sia alta (ad esempio + 24 V). Ci sarà un divisore di tensione formato, ma non importa poiché la tensione di ingresso è già abbastanza alta.

Qualche merito.

R1 è dimensionato per fornire la corrente di azionamento di base desiderata, quindi sì.

$R_{1} = \dfrac{V}{I} = \dfrac{(Vin - Vbe)}{I{desired\, base\, drive}}$

Dato che basso e progetti per una corrente più che sufficiente, allora:$V_{BE}$

$R_{1} \cong \dfrac{Vin}{Ib_{desired}}$

$I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$ - dove = guadagno attuale. $\beta$

Se (ad es. BC337-40 dove 250 a 600), allora progettare per meno che non ci siano ragioni speciali per non farlo. $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

Ad esempio, se allora . $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

Se e allora$Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$

Potremmo usare 10k, poiché la beta è prudente ma 8.2k o anche 4.7k è ok.

Questo sarebbe ok con un resistore ma 123mW potrebbe non essere del tutto banale, quindi si potrebbe desiderare di usare il resistore 10k.$\frac{1}{4}W$

Si noti che la potenza del collettore commutato = V x I = 24 x 250 = 6 Watt.

A destra, con Q2, è la mia configurazione. Penso che:

Poiché la base di un transistor NPN non è un punto ad alta impedenza come un MOSFET o un JFET, e l'HFE del transistor è inferiore a 500 e per accendere il transistor sono necessari almeno 0,6 V, un resistore pull-down non è critico e nella maggior parte dei casi non è nemmeno necessario.

Come sopra - una specie di, sì, MA. cioè la perdita di base ti morde a volte. Murphy dice che senza il pull-down sparerà accidentalmente il cannone di patate nella folla appena prima dell'atto principale, ma che un pull-down da 10k a 100k ti salverà.

Se un resistore pull-down verrà inserito nella scheda, allora il valore di 10K esatti è un mito. Dipende dal tuo budget di potere. Un 12K andrebbe bene così come un 1K.

Sì!
10k = 12k = 33k. 100k POTREBBERO diventare un po 'alti.
Si noti che tutto ciò si applica solo se Vin può andare in circuito aperto.
Se Vin è alto o basso o in qualsiasi punto intermedio, il percorso attraverso R1 o R5 dominerà.

Se viene utilizzata la configurazione a sinistra, con Q1, viene creato un partitore di tensione che può creare problemi se il segnale di ingresso, utilizzato per accendere il transistor, è basso.

Solo in casi molto, molto, molto estremi, come mostrato.

Quindi la frazione che R2 "ruberà" è

Se , allora e se , (per rendere più chiare le somme), allora Quindi la frazione complessiva di unità persa è cioè anche con 1k / 10k la perdita di unità è minimo.$R_1 = 1k$$R2 = 10K$Vbe=0,6VVin=3,6VVb

Se riesci a giudicare Beta e più da vicino che il 2% di perdita di unità conta, allora dovresti essere nel programma spaziale.

• I lanciatori orbitali funzionano con margini di sicurezza compresi tra l'1% e il 2% in alcune aree chiave. Quando il tuo payload in orbita è compreso tra il 3% e il 10% della massa di lancio (o meno), ogni% del margine di sicurezza è un boccone del nostro pranzo. L'ultimo tentativo di lancio orbitale della Corea del Nord ha utilizzato un margine di sicurezza effettivo compreso tra -1% e -2% in un punto critico, apparentemente e "summat gang aglae". Sono in buona compagnia: gli Stati Uniti e l'Urss hanno perso molti molti lanciatori nei primi anni '60. Conoscevo un uomo che costruiva missili atlanti all'inizio. Che divertimento si sono divertiti. Un sistema russo non ha MAI prodotto un lancio riuscito - troppo complesso.) Il Regno Unito ha lanciato un satellite FWIW.

AGGIUNTO

È stato suggerito nei commenti che

R2 e R4 non sono mai necessari, poiché un NPN è un dispositivo controllato CORRENTE. R2 e R4 avrebbero senso solo per i dispositivi controllati da VOLTAGE, come i MOSFET

e

Come può essere necessario un pull-down quando l'uscita MCU è hi-Z e il transistor è controllato dalla corrente? Non hai detto il "chi". Ok. Non vuoi nemmeno dire il "perché"?

Vi è un importante effetto secondario nei transistor bipolari che porta a R2 e R4 ad avere un ruolo utile e talvolta essenziale. Discuterò della versione R2 in quanto è la stessa della versione R4 ma leggermente "più pura" per questo caso (cioè R1 diventa irrilevante).

Se Vin è un circuito aperto, R2 è collegato dalla base alla terra. R1 non ha alcun effetto. APPARI di base da mettere a terra senza sorgente di segnale.
Tuttavia, la giunzione CB è effettivamente un diodo al silicio polarizzato al contrario. La corrente di dispersione inversa scorrerà attraverso il diodo CB nella base. Se non viene fornito alcun percorso esterno verso terra, questa corrente fluirà quindi verso terra attraverso il diodo emettitore di base polarizzato in avanti. Questa corrente si tradurrà teoricamente in una corrente di collettore di dispersione di Beta x Icb, ma a correnti così basse è necessario esaminare le equazioni sottostanti e / o i dati del dispositivo pubblicati. Un BC337 - la scheda tecnica qui ha un taglio Icb di circa 0,1 uA con Vbe = 0.
Ice0 = la corrente di base del collettore è di circa 200 nA in questo caso.
In questo esempio Vc è 40V ma la corrente si raddoppia approssimativamente per 10 gradi C e quella specifica è a 25 ° C e l'effetto è relativamente indipendente dalla tensione. I due sono strettamente correlati. A circa 55c potresti ottenere 1 uA - non molto. Se la norma Ic è 1 mA, 1 uA è irrilevante. Probabilmente.
Ho visto circuiti del mondo reale in cui l'omissione di R2 ha causato problemi di accensione spuria.
Con R2 = diciamo 100k, allora 1 uA produrrà un aumento di tensione di 0,1 V e tutto va bene.

A rischio di gettare benzina sul fuoco di una questione così controversa, aggiungerò i miei due semole.

L'OP menziona "un'altra uscita digitale" o un "segnale analogico" come possibile segnale di comando. A rischio di affermare l'ovvio, i valori di resistenza devono essere scelti in modo che la sorgente di azionamento è garantito per girare il transistore on e off nelle peggiori condizioni. Se della sorgente è maggiore di 0,6 V, sarà effettivamente necessario R4. Questo potrebbe essere il caso, ad esempio, se la sorgente di pilotaggio è un amplificatore operazionale senza uscita rail-to-rail o un'uscita transistor digitale con una tensione di saturazione elevata. Allo stesso modo, R1 e R2 dovrebbero essere scelti in modo tale che la corrente di base del transistor sia sufficiente per accendere il transistor con la sorgente su . V O H ( M I N $V_{OL(MAX)}$$V_{OH(MIN)}$

Come sempre, consultare le schede tecniche appropriate e progettare di conseguenza.

Quello a sinistra sembra che fornisca un divisore di tensione per abbassare la tensione di base, ma questo non è vero: la tensione di base è solo , o circa 0,65 V per correnti basse. R2 causerà solo una corrente leggermente superiore dall'uscita del microcontrollore, ma a 65 A non c'è nulla di cui preoccuparsi. E sì, R2 abbasserà la base se il pin del microcontrollore è Hi-Z. Aggiungilo se facilita la tua mente, anche se i transistor non iniziano a condurre se non viene applicata alcuna tensione alla base. Con R2 le modifiche attuali in causeranno meno modifiche in rispetto a quando R2 non è presente, ma l'effetto è trascurabile. μ V B E I $V_{BE}$$\mu$
$V_{BE}$$I_B$

A destra R4 provoca solo un percorso di corrente non necessario dal pin di uscita a terra. Questo sarà superiore a quello che vedrà R2, se il microcontrollore funziona a 5 V sarà 500 A. R4 ha una funzione solo se il pin del microcontrollore è Hi-Z. $\mu$

A causa della corrente maggiore per R4 rispetto a R2 preferirei la soluzione di sinistra. Se dovessi posizionare R2 / R4 in primo luogo. Che probabilmente non lo farei.

Come hanno sottolineato Steven e Russel, entrambi i tuoi due casi sono quasi equivalenti. Tuttavia, per una normale uscita logica digitale che guida sia in alto che in basso, non è necessario alcun pulldown. Questo è quello che penso che Telaclavo stesse cercando di dire, ma in seguito non mi è stato così sicuro nei suoi commenti. In ogni caso, non ha qualificato molto bene la sua risposta e non ha dato molti retroscena.

Le tipiche uscite logiche digitali CMOS hanno transistor che guidano la linea attivamente sia in alto che in basso. In tal caso va bene un singolo resistore in serie. Diventa un pulldown quando l'uscita digitale è bassa poiché l'uscita sarà efficacemente collegata a terra dalla resistenza del FET lato basso quando è attiva. Questo aiuta anche a spegnere il transistor NPN più rapidamente poiché la corrente fluirà effettivamente al contrario attraverso la resistenza di base per un breve periodo per scaricare un po 'di carica dalla base. Questa carica verrebbe altrimenti "esaurita" nel causare una quantità significativamente maggiore di carica attraverso il collettore e l'emettitore.

In alcuni casi è ancora necessario il resistore a discesa. Se l'uscita digitale potrebbe mai andare ad alta impedenza, è una buona idea avere qualcosa che accenda o spenga positivamente la base. Si noti che la maggior parte delle uscite del microcontrollore iniziano ad alta impedenza dopo l'accensione. A seconda del micro e di come è stato configurato, potrebbero essere necessari 10 secondi prima che il firmware possa inizializzare la porta per guidare in un modo o nell'altro. Se è importante che il transistor non si accenda durante questo tempo di accensione a causa di anomalie o altro, è comunque necessario un pulldown.

Detto questo, teniamo in prospettiva cosa fa realmente un resistore di base (o pullup per PNP) per un transistor bipolare. Questi dispositivi funzionano con corrente, non con tensione. Ci deve essere corrente attraverso una base mobile per accendere il transistor. L'accoppiamento capacitivo ai segnali vaganti può causare significative variazioni di tensione sui nodi ad alta impedenza, ma la corrente è generalmente piuttosto piccola. A meno che il transistor non sia polarizzato sul bordo della conduzione e qualunque cosa sia a valle abbia un alto guadagno, è improbabile che il pickup capacitivo vagante sulla base accenda il transistor. Ovviamente puoi trovare situazioni in cui lo fa, ma questo non è affatto vicino al problema che è con le porte ad alta impedenza di un MOSFET.

A meno che tu non sia veramente limitato dallo spazio o dal budget, in qualche modo assicurati che la base del transistor non rimanga fluttuante quando importa se il transistor è acceso o no. Ma se si verifica una situazione in cui il pulldown extra è un problema, pensaci attentamente e decidi se è davvero necessario, tenendo presente la probabilità che segnali vaganti mettano abbastanza corrente attraverso la base per accendere il transistor e le conseguenze di quel turnon .

Usare sempre un pulldown da 10 kΩ per motivi di confidenza o perché hai sentito che era una buona idea è sciocco.

Risultati del mondo reale:

Un LED verde è stato parzialmente illuminato dalla corrente di dispersione CB polarizzata al contrario su un 2N3904 quando la base è stata disconnessa (o 3 dichiarata durante il ripristino). L'aggiunta di un percorso a terra interrompe la corrente di dispersione CB fuori dalla regione di base e il LED ora era completamente scuro.

Non è un problema con un LED, ma se fosse stato detto un motore, potrebbero esserci risultati indesiderati da una fuga incontrollata dopo il reset, anche per un breve periodo di tempo.

Il resistore R2 | R4 serve anche a rimuovere la carica dalla regione di base, in modo che il passaggio dalla saturazione al taglio sia più rapido. In questo caso, la resistenza inferiore della topologia a sinistra (resistenza R2 tra base e terra) è migliore.

Se la sorgente del circuito sarà un'uscita digitale che tirerà sempre in modo pulito alto o basso, non è necessario un resistore di pull-down, poiché qualsiasi resistore dimensionato per passare attraverso una corrente sufficiente per accendere il transistor in modo soddisfacente anche quando si utilizza la logica a cinque volt (il che significa che scende a 4,3 volt) non avrà problemi a passare attraverso una quantità ragionevole di perdite di base del collettore.

Se la sorgente al circuito sarà un'uscita digitale che commuta tra high e floating e se si suppone che il floating si traduca in "off", la prima configurazione sarebbe generalmente superiore in circostanze che coinvolgono BJT "normali" e livelli logici, anche se quando usando altri tipi di transistor o livelli logici ci sono casi in cui il secondo sarebbe migliore. Il vantaggio della prima configurazione è che se la resistenza di "spegnimento" è dimensionata per cadere 0,5 volt alla corrente di dispersione della base del collettore del transistor, la quantità di corrente che viene sprecata attraversandola aumenterà solo del 40% quando si suppone che il transistor essere acceso. Al contrario, in quest'ultima configurazione, utilizzando la stessa ipotesi da 0,5 volt, se si utilizza ad esempio un'uscita da 3,3 volt,

L'unica volta in cui la seconda configurazione funziona davvero meglio della prima è quando la tensione di un'uscita logica "alta" è appena adeguata per accendere il transistor. In quello scenario, il secondo circuito rende disponibile la piena tensione in uscita dalla logica per accendere il transistor. Al contrario, il primo circuito farebbe cadere un po 'la tensione. Con i transistor di giunzione bipolare, di solito c'è così tanto margine di tensione che non importa una leggera caduta di tensione. Con i MOSFET, tuttavia, a volte è necessario tutto il voltaggio che si può ottenere. Inoltre, quando si guidano i MOFSET, si può cavarsela con un resistore in serie più grande di quello che si userebbe con i transistor di giunzione bipolare; inoltre, a seconda di ciò che si sta guidando, si potrebbe essere in grado di dimensionare i resistori nel secondo circuito in modo tale che anche se il transistor si guasta con un cortocircuito del gate di scarico, non esporrà il pin del processore a una tensione eccessiva. Il primo circuito non offrirebbe tale protezione.

Se si trattava di un'applicazione critica in cui è necessaria una maggiore immunità ai disturbi con un dispositivo programmabile (uC o CPLD) utilizzato per guidare il segnale, si deve considerare che la condizione di ripristino all'accensione definisce tali pin come ingressi prima delle uscite attive. Quindi aggiungerei un resistore pull down per evitare il rumore vagante che innesca situazioni in presenza di EMI elevate.

Nessuno di loro. Dimentica la resistenza di pull-down. In entrambi i due casi, l'equivalente di Thevenin di ciò che vede la base dell'NPN, alla sua sinistra, è una sorgente di tensione e un resistore in serie. Quindi, utilizzare solo un resistore in serie con la base e sceglierlo in modo che la corrente attraverso la base sia quella desiderata.