Która konfiguracja jest lepsza do ściągnięcia podstawy tranzystora NPN?

Dyskutowałem na temat rozkładanych rezystorów z moim kolegą. Oto dwie konfiguracje tranzystora jako przełącznika.

Sygnał wejściowy może pochodzić z mikrokontrolera lub innego wyjścia cyfrowego do sterowania obciążeniem, lub z sygnału analogowego w celu uzyskania buforowanego wyjścia z kolektora tranzystora do mikrokontrolera.

Po lewej stronie, z Q1, jest konfiguracja mojego kolegi. On uważa, iż:

• Rezystor 10K jest potrzebny bezpośrednio w podstawie, aby zapobiec niezamierzonemu włączeniu Q1. Jeśli zostanie użyta konfiguracja po prawej stronie, z Q1, wówczas opór będzie zbyt słaby, aby ściągnąć podstawę w dół.
• R2 chroni również przed przepięciem i zapewnia stabilność w przypadku zmian temperatury.$V_{BE}$
• R1 chroni przed przetężeniem do podstawy Q1 i będzie rezystorem o większej wartości w przypadku "uC-out"wysokiego napięcia (na przykład + 24 V). Powstanie dzielnik napięcia, ale to nie ma znaczenia, ponieważ napięcie wejściowe jest już wystarczająco wysokie.

Po prawej stronie, z Q2, jest moja konfiguracja. Myślę, że:

• Ponieważ podstawa tranzystora NPN nie jest punktem wysokiej impedancji, takim jak MOSFET lub JFET, a tranzystora jest mniejsza niż 500, a do włączenia tranzystora potrzebne jest co najmniej 0,6 V, rezystor obniżający nie jest krytyczny, aw większości przypadków nawet nie jest potrzebny.$H_{FE}$
• Jeśli na płytce ma zostać umieszczony rezystor obniżający, to wartość dokładnie 10K jest mitem. To zależy od twojego budżetu mocy. 12K wypadłoby dobrze, podobnie jak 1K.
• Jeśli zastosowana zostanie konfiguracja po lewej stronie z Q1, wówczas tworzony jest dzielnik napięcia i może on stwarzać problemy, jeśli sygnał wejściowy, który służy do włączenia tranzystora, jest niski.

Aby wyjaśnić, moje pytania są następujące:

1. Czy rezystor rozkładany 10K to ogólna zasada, którą powinienem stosować za każdym razem? Jakie kwestie należy wziąć pod uwagę przy określaniu wartości rezystora obniżającego?
2. Czy rezystor obniżający jest naprawdę potrzebny w każdej aplikacji? W jakich przypadkach potrzebny jest rezystor obniżający?
3. Którą konfigurację wolisz i dlaczego? Jeśli nie, jaka byłaby lepsza konfiguracja?

Podsumowane rozwiązanie:

• Dwie konfiguracje są zbliżone do równoważnych.

• Oba działałyby równie dobrze w prawie wszystkich przypadkach.

• W sytuacji, gdy jedna z nich była lepsza od drugiej, konstrukcja byłaby zbyt marginalna do użytku w świecie rzeczywistym (ponieważ wszystko, co jest tak istotne, aby różnice między nimi były znaczne, oznacza, że ​​operacja jest „na krawędzi”). .

• lub R 4 są potrzebne tylko wtedy, gdy V i n może być obwodem otwartym, co w takim przypadku jest dobrym pomysłem. W większości przypadków wartości do około 100 KB są prawdopodobnie prawidłowe. 10k to dobra bezpieczna wartość w większości przypadków.$R_{2}$$R_{4}$$V_{in}$

• Drugi efekt w tranzystorach bipolarnych (o którym wspomniałem w mojej odpowiedzi) oznacza, że ​​R2 i R4 mogą być potrzebne do zmniejszenia prądu upływu Icb w odwrotnym kierunku. Jeśli nie zostanie to zrobione, zostanie przeniesione przez złącze be i może spowodować włączenie urządzenia. Jest to prawdziwy efekt rzeczywistego świata, który jest dobrze znany i dobrze udokumentowany, ale nie zawsze jest dobrze nauczany na kursach. Zobacz moje uzupełnienie odpowiedzi.

Koperta po lewej stronie:

• Napięcie napędu zmniejsza się o , co oznacza 9% mniej. $\frac{10}{11}$
• Baza widzi 10K do masy, jeśli wejście jest w obwodzie otwartym.
• Jeśli sygnał wejściowy jest NISKI, wówczas baza widzi około 1K do masy. Właściwie 1K // 10K = zasadniczo taki sam.

Obudowa po prawej stronie:

• Napęd = 100% jest stosowane przez 1K. $V_{in}$
• Baza widzi 10K do masy, jeśli jest w obwodzie otwartym. (w przeciwieństwie do 11K). $V_{in}$
• Jeśli dane wejściowe są NISKIE, baza widzi 1K, co jest w zasadzie takie samo.

R2 i R4 działają w celu przesunięcia podstawowego prądu upływu do ziemi. W przypadku tranzystorów żelowych o niskiej mocy lub małych sygnałach, do kilku watów, prąd ten jest bardzo mały i zwykle nie włącza tranzystora, ale może w skrajnych przypadkach - więc powiedzmy, że 100K zwykle wystarczy, aby utrzymać bazę LOW .

Dotyczy to tylko sytuacji, gdy jest w obwodzie otwartym. Jeśli V i n jest uziemiony, co oznacza, że ​​jest NISKI, wówczas R1 lub R5 są od podstawy do ziemi, a R2 lub R4 nie są potrzebne. Dobry projekt obejmuje te rezystory, gdy V i n mogą zawsze być rozwarty (na przykład procesor sworzeń podczas uruchamiania może być rozwarty lub nieokreślona).$V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$

Oto przykład, w którym bardzo krótki „trzask” spowodowany unoszeniem się szpilki miał zasadnicze znaczenie: bardzo dawno temu miałem obwód sterujący 8-ścieżkowym napędem taśmowym z otwartymi rolkami. Gdy system został włączony po raz pierwszy, taśma biegła do tyłu z dużą prędkością i zstępowała. To było „bardzo, bardzo irytujące”. Kod został sprawdzony i nie znaleziono usterki. Okazało się, że napęd portu otworzył obwód podczas inicjalizacji portu, co pozwoliło na pociągnięcie linii swobodnej przez magnetofon, który umieścił kod przewijania na porcie taśmy. Przewija się! Kod inicjalizacji nie nakazał wyraźnie zatrzymania taśmy, ponieważ przyjęto, że została już zatrzymana i nie uruchomi się sama. Dodanie wyraźnego polecenia zatrzymania oznaczało, że taśma drgała, ale nie opadała (liczy się na palcach mózgu - hmmm 34 lata temu. (Było to na samym początku 1978 roku - teraz prawie 38 lat temu, kiedy edytuję tę odpowiedź). Tak, mieliśmy wtedy mikroprocesory. Właśnie :-).

Specyfika:

Rezystor 10K jest potrzebny bezpośrednio w podstawie, aby zapobiec niezamierzonemu włączeniu Q1. Jeśli zostanie użyta konfiguracja po prawej stronie, z Q1, wówczas opór będzie zbyt słaby, aby ściągnąć podstawę w dół.

Nie!

10 K = 11 K dla celów praktycznych 99,8% czasu, a nawet 100 000 działałoby w większości przypadków.

R2 chroni również VBE przed przepięciem i zapewnia stabilność w przypadku zmian temperatury.

W obu przypadkach nie ma praktycznej różnicy.

R1 chroni przed przetężeniem do podstawy Q1 i będzie rezystorem o większej wartości w przypadku, gdy napięcie z wyjścia „uC-out” jest wysokie (na przykład + 24V). Powstanie dzielnik napięcia, ale to nie ma znaczenia, ponieważ napięcie wejściowe jest już wystarczająco wysokie.

Niektóre zasługi.

R1 jest zwymiarowane w celu zapewnienia pożądanego podstawowego prądu napędu, więc tak.

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

Ponieważ poziom niski i projektujesz prąd o wartości większej niż wystarczająca, to:$V_{BE}$

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

- gdzieβ= wzmocnienie prądu. $I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$$\beta$

Jeżeli (np. BC337-40, gdzie β = 250 do 600), to należy zaprojektować dla β ≤ 100, chyba że istnieją szczególne powody, aby tego nie robić . $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

Na przykład, jeśli to β d e s i g n = 100 . $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

Jeśli i V i n = 24 V, to$Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$

Rb=

Możemy użyć 10k, ponieważ beta jest konserwatywny, ale 8,2k, a nawet 4,7k jest w porządku.

To byłoby w porządku z Rezystor 4 W,ale123 mW może nie być całkowicie trywialny, więczamiast tegomożnaużyć rezystora 10k.$\frac{1}{4}W$

Należy pamiętać, że przełączana moc kolektora = V x I = 24 x 250 = 6 watów.

Po prawej stronie, z Q2, jest moja konfiguracja. Myślę, że:

Ponieważ podstawa tranzystora NPN nie jest punktem wysokiej impedancji, takim jak MOSFET lub JFET, a HFE tranzystora jest mniejszy niż 500, a do włączenia tranzystora potrzebne jest co najmniej 0,6 V, rezystor obniżający nie jest krytyczny , aw większości przypadków nawet nie jest to potrzebne.

Jak wyżej - tak, ale ALE. tzn. przeciek bazowy cię czasem gryzie. Murphy mówi, że bez rozwijania przypadkowo wystrzeli armatę ziemniaczaną w tłum tuż przed głównym aktem, ale uratowanie cię od 10 do 100 tys.

Jeśli na płytce ma zostać umieszczony rezystor obniżający, to wartość dokładnie 10K jest mitem. To zależy od twojego budżetu mocy. 12K wypadłoby dobrze, podobnie jak 1K.

Tak!
10k = 12k = 33k. 100 000 MOŻE być trochę wysokie.
Zauważ, że wszystko to obowiązuje tylko wtedy, gdy Vin może przejść do obiegu otwartego.
Jeśli Vin jest wysokie lub niskie lub gdziekolwiek pomiędzy nimi, ścieżka przez R1 lub R5 będzie dominować.

Jeśli zastosowana zostanie konfiguracja po lewej stronie z Q1, wówczas tworzony jest dzielnik napięcia i może on stwarzać problemy, jeśli sygnał wejściowy, który służy do włączenia tranzystora, jest niski.

Tylko w bardzo, bardzo, bardzo ekstremalnych przypadkach, jak pokazano.
IR2=V b

Tak więc część, którą R2 „ukradnie”, jest

IR

$R_1 = 1k$$R2 = 10K$

Jeśli potrafisz ocenić Beta i dokładniej, że utrata 2% dysku ma znaczenie, powinieneś być w programie kosmicznym.

• Wyrzutnie orbitalne pracują z marginesami bezpieczeństwa w zakresie 1% - 2% w niektórych kluczowych obszarach. Kiedy Twój ładunek na orbitę wynosi od 3% do 10% masy startowej (lub mniej), to każdy procent marginesu bezpieczeństwa stanowi ukąszenie naszego lunchu. Ostatnia próba startu orbitalnego Korei Północnej wykorzystała rzeczywisty margines bezpieczeństwa od -1% do -2% gdzieś krytycznie, najwyraźniej, i „podsumowując gang gangi”. Są w dobrym towarzystwie - USA i ZSRR straciły wiele wielu wyrzutni na początku lat sześćdziesiątych. Znałem człowieka, który wcześnie budował pociski atlasowe. Co za dobra zabawa. Jeden rosyjski system NIGDY nie wyprodukował udanego startu - zbyt skomplikowanego.) Wielka Brytania wystrzeliła jednego satelitę kiedykolwiek FWIW.

DODANY

Sugerowano to w komentarzach

R2 i R4 nigdy nie są potrzebne, ponieważ NPN jest urządzeniem sterowanym PRĄDEM. R2 i R4 mają sens tylko w przypadku urządzeń sterowanych NAPIĘCIEM, takich jak MOSFET

i

Jak może być potrzebne obniżenie, gdy wyjście MCU jest w stanie hi-Z, a tranzystor jest sterowany prądem? Nie powiedziałeś „kto”. Dobrze. Nie chcesz też powiedzieć „dlaczego”?

W tranzystorach bipolarnych występuje ważny efekt wtórny, w wyniku którego R2 i R4 odgrywają przydatną, a czasem istotną rolę. Omówię wersję R2, ponieważ jest ona taka sama jak wersja R4, ale nieco „czystsza” w tym przypadku (tj. R1 staje się nieistotny).

Jeśli Vin jest w obwodzie otwartym, wówczas R2 jest podłączony od podstawy do masy. R1 nie ma wpływu. ZNAJDUJE SIĘ podstawa, która ma być uziemiona bez źródła sygnału.
Jednak złącze CB jest skutecznie diodą krzemową z odwróconym napięciem. Odwrotny prąd upływu przepłynie przez diodę CB do podstawy. Jeśli nie zostanie zapewniona zewnętrzna ścieżka do ziemi, prąd ten przepłynie następnie przez skierowaną do przodu diodę emitera bazy do ziemi. Prąd ten teoretycznie spowoduje upływ prądu kolektora Beta x Icb, ale przy tak niskich prądach należy przyjrzeć się leżącym u podstaw równaniom i / lub opublikowanym danym urządzenia. Arkusz danych BC337 ma tutaj wartość odcięcia Icb około 0,1 uA przy Vbe = 0.
Ice0 = prąd podstawowy kolektora wynosi w tym przypadku około 200 nA.
Vc w tym przykładzie wynosi 40 V, ale prąd w przybliżeniu podwaja się przy wzroście o 10 stopni C, a ta specyfikacja wynosi 25 ° C, a efekt jest względnie niezależny od napięcia. Oba są ściśle powiązane. Przy około 55c możesz dostać 1 uA - niewiele. Jeśli zwykle Ic wynosi 1 mA, wówczas 1 uA nie ma znaczenia. Prawdopodobnie.
Widziałem obwody w świecie rzeczywistym, w których pominięcie R2 powodowało fałszywe problemy z włączaniem.
Przy R2 = powiedzmy 100k, to 1 uA spowoduje wzrost napięcia o 0,1 V i wszystko będzie dobrze.

Na ryzyko wrzucenia paliwa do ognia w tak kontrowersyjnej sprawie dodam dwie moje kasze.

$V_{OL(MAX)}$$V_{OH(MIN)}$

Jak zawsze, zapoznaj się z odpowiednimi kartami danych i odpowiednio projektuj.

$V_{BE}$$\mu$
$V_{BE}$$I_B$

$\mu$

Z powodu większego prądu dla R4 niż dla R2 wolałbym lewe rozwiązanie. Gdybym umieścił R2 / R4 na pierwszym miejscu. Które prawdopodobnie bym nie zrobił.

Jak zauważyli Steven i Russel, oba przypadki są bliskie ekwiwalentu. Jednak w przypadku normalnej cyfrowej logiki wyjściowej, która napędza zarówno wysokie, jak i niskie, nie potrzebujesz wcale rozwijanego menu. Myślę, że to właśnie próbował powiedzieć Telaclavo, ale później nie upewnił mnie w swoich komentarzach. W każdym razie nie zakwalifikował swojej odpowiedzi zbyt dobrze i nie dał zbyt wiele tła.

Typowe cyfrowe wyjścia logiczne CMOS mają tranzystory, które aktywnie napędzają linię zarówno wysoką, jak i niską. W takim przypadku pojedynczy rezystor szeregowy jest w porządku. Staje się rozwijany, gdy wyjście cyfrowe jest niskie, ponieważ wyjście będzie skutecznie powiązane z masą przez rezystancję niskich częstotliwości FET, gdy jest włączony. Pomaga to również szybciej wyłączyć tranzystor NPN, ponieważ prąd faktycznie płynie w odwrotnej kolejności przez rezystor podstawowy przez krótki czas, aby rozładować część ładunku z bazy. W przeciwnym razie ładunek ten zostałby „zużyty”, powodując przepływ znacznie większej ilości ładunku przez kolektor i emiter.

W niektórych przypadkach nadal potrzebujesz opornika rozwijanego. Jeśli wyjście cyfrowe może kiedykolwiek uzyskać wysoką impedancję, dobrym pomysłem jest posiadanie czegoś, co pozytywnie napędza bazę. Zauważ, że większość wyjść mikrokontrolera zaczyna się przy wysokiej impedancji po włączeniu zasilania. W zależności od mikro i tego, jak go skonfigurowałeś, może upłynąć 10 sekund, zanim oprogramowanie układowe będzie mogło zainicjować port w taki czy inny sposób. Jeśli ważne jest, że tranzystor nie może się włączyć w tym czasie zasilania z powodu usterki lub czegoś innego, nadal potrzebujesz rozwijanego menu.

To powiedziawszy, spójrzmy w perspektywie, co tak naprawdę robi rezystor bazowy (lub pullup dla PNP) dla tranzystora bipolarnego. Urządzenia te działają na prądzie, a nie na napięciu. Musi być prąd przez pływającą podstawę, aby włączyć tranzystor. Sprzężenie pojemnościowe z sygnałami błądzącymi może powodować znaczne zmiany napięcia w węzłach o wysokiej impedancji, ale prąd jest zwykle dość mały. O ile tranzystor nie jest nastawiony na krawędź przewodzenia i to, co jest za nim, ma duże wzmocnienie, zbłąkany pojemnościowy przetwornik na podstawie prawdopodobnie nie włączy tranzystora. Oczywiście możesz wymyślić sytuacje, w których tak się dzieje, ale nie jest to bliski problem z bramkami MOSFET o wysokiej impedancji.

O ile tak naprawdę nie jesteś ograniczony przestrzenią lub budżetem, upewnij się, że baza tranzystora nie jest pływająca, gdy ma to znaczenie, czy tranzystor jest włączony, czy nie. Ale jeśli pojawi się sytuacja, w której dodatkowy pulldown stanowi problem, zastanów się nad tym i zdecyduj, czy jest naprawdę potrzebny, pamiętając o prawdopodobieństwie, że zbłąkane sygnały doprowadzą wystarczającą ilość prądu do podstawy, aby włączyć tranzystor i konsekwencje tego zwrotu .

Po prostu zawsze używam menu rozwijanego 10 kΩ z powodów odważnych lub dlatego, że słyszałeś, że to dobry pomysł, jest głupie.

Rzeczywiste wyniki:

Zielona dioda LED została częściowo zapalona przez prąd upływowy CB z odwrotnym napięciem na 2N3904, gdy podstawa została odłączona (lub 3-podana podczas resetowania). Dodanie ścieżki do uziemienia przesuwa prąd upływowy CB poza obszar podstawy, a dioda LED była teraz całkowicie ciemna.

Nie jest to problem z diodą LED, ale gdyby powiedzieć, że jest to silnik, mogłyby wystąpić niepożądane skutki niekontrolowanego ucieczki po resecie, nawet przez krótki czas.

Rezystor R2 | R4 służy również do usuwania ładunku z regionu podstawowego, dzięki czemu przejście z nasycenia do odcięcia jest szybsze. W tym przypadku niższy opór topologii po lewej stronie (rezystor R2 między bazą a ziemią) jest lepszy.

Jeśli źródłem obwodu będzie wyjście cyfrowe, które zawsze będzie czyściło czysto wysoko lub nisko, wówczas nie ma potrzeby stosowania rezystora obniżającego, ponieważ każdy rezystor o rozmiarze wystarczającym do przepuszczenia wystarczającej ilości prądu, aby włączyć tranzystor w sposób zadowalający, nawet przy użyciu logika pięciowoltowa (co oznacza, że ​​spada 4,3 wolta) nie będzie miała problemów z przejściem przez jakąkolwiek zdalnie uzasadnioną ilość nieszczelności kolektora.

Jeśli źródłem obwodu będzie wyjście cyfrowe, które przełącza się między wysokim a swobodnym, a jeśli pływające ma się tłumaczyć na „wyłączone”, pierwsza konfiguracja byłaby na ogół lepsza w okolicznościach obejmujących „normalne” poziomy BJT i ​​logiczne, chociaż gdy przy użyciu innych rodzajów tranzystorów lub poziomów logicznych istnieją przypadki, w których drugi byłby lepszy. Zaletą pierwszej konfiguracji jest to, że jeśli rezystor „wyłączający” ma wielkość zmniejszającą się o 0,5 wolta przy prądzie upływowym kolektor-podstawa tranzystora, ilość zmarnowanego prądu przechodzącego przez niego wzrośnie tylko o 40%, gdy tranzystor ma być włączonym. Natomiast w tej ostatniej konfiguracji, stosując to samo założenie 0,5 wolta, jeśli używa się np. Wyjścia 3,3 wolta,

Druga konfiguracja działa naprawdę lepiej niż pierwsza tylko wtedy, gdy napięcie „wysokiego” wyjścia logicznego jest ledwo wystarczające do włączenia tranzystora. W tym scenariuszu drugi obwód udostępnia pełną moc wyjściową napięcia przez układ logiczny, aby włączyć tranzystor. Natomiast pierwszy obwód nieco obniżyłby napięcie. W dwubiegunowych tranzystorach połączeniowych zwykle występuje tak duży margines napięcia, że ​​niewielki spadek napięcia nie ma znaczenia. Jednak w przypadku tranzystorów MOSFET czasami potrzebne jest całe napięcie, jakie można uzyskać. Ponadto, podczas sterowania MOFSET, można uciec z rezystorem szeregowym większym niż ten, który byłby używany w przypadku tranzystorów bipolarnych; ponadto, w zależności od tego, co się prowadzi, można tak dobrać rezystory w drugim obwodzie, że nawet jeśli tranzystor ulegnie awarii z powodu zwarcia drenu, nie narazi szpilki procesora na nadmierne napięcie. Pierwszy obwód nie zapewniałby takiej ochrony.

Jeśli było to krytyczne zastosowanie, w którym potrzebna jest większa odporność na zakłócenia z użyciem programowalnego urządzenia (uC lub CPLD) do sterowania sygnałem, należy wziąć pod uwagę, że stan resetu po włączeniu zasilania definiuje takie piny jako wejścia przed aktywnymi wyjściami. Dołączyłem więc rezystor obniżający, aby uniknąć sytuacji wyzwalających zakłócenia w obecności wysokiego EMI.

Żaden z nich. Zapomnij o oporniku rozwijanym. W obu twoich przypadkach odpowiednik Thevenin tego, co widzi podstawa NPN, po lewej stronie, jest źródłem napięcia i rezystorem szeregowym. Dlatego używaj tylko rezystora szeregowo z bazą i wybierz go tak, aby prąd przez bazę był tym, którego chcesz.