Какую конфигурацию лучше использовать для снятия базы NPN-транзистора?

Я обсуждал вопрос о снижении резисторов с моим коллегой. Вот две конфигурации транзистора в качестве переключателя.

Входной сигнал может поступать либо с микроконтроллера, либо с другого цифрового выхода для управления нагрузкой, либо с аналогового сигнала для выдачи буферизованного выхода с коллектора транзистора на микроконтроллер.

Слева, с Q1, конфигурация моего коллеги. Он утверждает, что:

• Резистор 10K необходим непосредственно в базе, чтобы предотвратить непреднамеренное включение Q1. Если используется конфигурация справа с Q1, тогда сопротивление будет слишком слабым, чтобы опустить базу вниз.
• R2 также защищает от перенапряжения и обеспечивает стабильность в случае изменения температуры.$V_{BE}$
• R1 защищает от перегрузки по току на базу Q1 и будет резистором большего значения в случае высокого напряжения "uC-out"(например, +24 В). Будет сформирован делитель напряжения, но это не имеет значения, так как уже достаточно высокое входное напряжение.

Справа, с Q2, моя конфигурация. Я думаю что:

• Поскольку база NPN-транзистора не является точкой с высоким импедансом, такой как MOSFET или JFET, и транзистора составляет менее 500, и для включения транзистора требуется не менее 0,6 В, резистор понижающий не критично, а в большинстве случаев даже не нужно.$H_{FE}$
• Если в плату будет вставлен понижающий резистор, то точное значение 10К является мифом. Это зависит от вашего энергетического бюджета. 12K будет хорошо, а также 1K.
• Если используется конфигурация слева с Q1, то делитель напряжения создается и может создавать проблемы, если входной сигнал, который используется для включения транзистора, низкий.

Итак, чтобы уточнить вещи, мои вопросы:

1. Является ли 10K понижающий резистор эмпирическим правилом, которое я должен применять каждый раз? Что нужно учитывать при определении значения резистора?
2. Действительно ли понижающий резистор нужен в каждом приложении? В каких случаях нужен понижающий резистор?
3. Какую конфигурацию вы бы предпочли и почему? Если нет, что было бы лучше конфигурации?

Обобщенное решение:

• Две конфигурации близки к эквивалентным.

• Любой из них будет работать одинаково хорошо почти во всех случаях.

• В ситуации, когда один был лучше другого, дизайн был бы чрезмерно маргинальным для использования в реальном мире (поскольку все, что так важно, чтобы эти два отличались существенно, означает, что операция «прямо на краю»). ,

• R 4 V я $R_{2}$ или необходимы только тогда, когда может быть разомкнутой цепью, что в этом случае является хорошей идеей. Значения до 100K, вероятно, в большинстве случаев нормальные. 10k - это хорошее безопасное значение в большинстве случаев.$R_{4}$$V_{in}$

• Вторичный эффект в биполярных транзисторах (о котором я говорил в моем ответе) означает, что R2 и R4 могут быть необходимы для поглощения тока утечки обратного смещения Icb. Если этого не сделать, то он будет перенесен соединением be и может привести к включению устройства. Это подлинный эффект реального мира, который хорошо известен и задокументирован, но не всегда хорошо преподается на курсах. Смотрите дополнение моего ответа.

---

Левый корпус:

• Напряжение привода уменьшается на , что означает уменьшение на 9%. $\frac{10}{11}$
• База видит 10K на землю, если вход разомкнут.
• Если вход НИЗКИЙ, то база видит около 1 К на землю. На самом деле 1K // 10K = по сути то же самое.

Правый корпус:

• Диск = 100% применяется через 1K. $V_{in}$
• База видит 10K на землю, если является разомкнутой цепью. (в отличие от 11К). $V_{in}$
• Если вход НИЗКИЙ, база видит 1 КБ, что по сути то же самое.

R2 и R4 действуют для шунтирования тока утечки базы на землю. Для маломощных или малосигнальных желейных транзисторов с номинальной мощностью до нескольких ватт этот ток очень мал и обычно не включает транзистор, но в крайних случаях это может произойти, так что, как правило, достаточно 100 КБ, чтобы поддерживать базу НИЗКОЙ ,

Это применимо, только если является разомкнутой цепью. Если заземлен, что означает, что он НИЗКИЙ, тогда R1 или R5 находятся от основания до земли, а R2 или R4 не нужны. Хороший дизайн включает в себя эти резисторы, если может когда-либо быть разомкнутой цепью (например, вывод процессора во время запуска может быть разомкнутой цепью или не определен). В я н В я $V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$

Вот в качестве примера, где очень короткое «проблескивание» из-за плавающего штифта имело большое значение: давным-давно, у меня была схема, управляющая 8-дорожечным ленточным накопителем с открытым барабаном. При первом включении системы лента будет двигаться назад на высокой скорости и отключаться. Это было «очень, очень, очень раздражает». Код был проверен, и ошибка не была найдена. Оказалось, что привод порта разомкнулся, поскольку порт инициализировался, и это позволило плавающей линии быть высоко поднятой кассетной декой, которая поместила код перемотки на порт ленты. Это перематывается! Код инициализации явно не велел остановить ленту, поскольку предполагалось, что она уже остановлена ​​и не запустится сама по себе. Добавление явной команды останова означало, что лента будет дергаться, но не отрываться (Считает по пальцам мозга - хммм 34 года назад. (Это было в самом начале 1978 года - сейчас, почти 38 лет назад, когда я редактировал этот ответ). Да, тогда у нас были микропроцессоры. Только что :-).

---

Особенности:

Резистор 10K необходим непосредственно в базе, чтобы предотвратить непреднамеренное включение Q1. Если используется конфигурация справа с Q1, тогда сопротивление будет слишком слабым, чтобы опустить базу вниз.

Нет!

10K = 11K для практических целей в 99,8% случаев, и даже 100K будет работать в большинстве случаев.

R2 также защищает VBE от перенапряжения и обеспечивает стабильность в случае изменения температуры.

Нет практической разницы в любом случае.

R1 защищает от перегрузки по току на базе Q1 и будет резистором большего значения в случае высокого напряжения на выходе uC-out (например, + 24 В). Будет сформирован делитель напряжения, но это не имеет значения, так как уже достаточно высокое входное напряжение.

Некоторая заслуга.

R1 рассчитан для обеспечения желаемого базового тока привода, так что да.

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

Когда низкое и вы рассчитываете на более чем достаточный ток, то:$V_{BE}$

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

- гдеβ= коэффициент усиления по току. $I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$$\beta$

Если (например, BC337-40, где β = 250–600 ), тогда рассчитывайте для β ≤ 100, если только нет особых причин не делать этого. $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

Например, если тогда β d e s i g n = 100 . $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

Если и V я п = 24 V затем$Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$

Rb=

$$I_b = \frac{I_c}{\beta} = \frac{250}{100} = 2.5mA$$ $$R_b = \frac{V}{I} = \frac{24V}{2.5mA} = 9.6k \Omega$$

Мы могли бы использовать 10 КБ, поскольку бета-версия консервативна, но 8,2 КБ или даже 4,7 КБ приемлемы.

$$Pr_{4.7k} = \frac{V^2}{R} = \frac{24^2}{4.7k} = 123mW$$

$\frac{1}{4}W$

Обратите внимание, что мощность коммутируемого коллектора = V x I = 24 x 250 = 6 Вт.

Справа, с Q2, моя конфигурация. Я думаю что:

Поскольку база NPN-транзистора не является точкой с высоким импедансом, такой как MOSFET или JFET, и HFE транзистора составляет менее 500, и для включения транзистора требуется не менее 0,6 В, резистор с понижением не является критичным и в большинстве случаев даже не нужен.

Как и выше - вроде как, да, НО. то есть утечка базы будет кусать вас иногда. Мерфи говорит, что без опускания он случайно выстрелит из толпы картофельной пушки прямо перед основным актом, но опуск от 10 до 100 тысяч спасет вас.

Если в плату будет вставлен понижающий резистор, то точное значение 10К является мифом. Это зависит от вашего энергетического бюджета. 12K будет хорошо, а также 1K.

Да!
10k = 12k = 33k. 100k МОЖЕТ быть немного высоким.
Обратите внимание, что все это применимо только в том случае, если Вин может разомкнуться
Если Vin является высоким или низким или где-то посередине, тогда путь через R1 или R5 будет доминировать.

Если используется конфигурация слева с Q1, то делитель напряжения создается и может создавать проблемы, если входной сигнал, который используется для включения транзистора, низкий.

$$I_{R1} = \frac{V}{R} = \frac{V_{in}-V{be}}{R1}$$
$$I_{R2} = \frac{V_{be}}{R_2}$$

Таким образом, фракция, которую «украдет» R2,

$$\frac{I_{R2}}{I_{R1}} = \frac{\frac{V_{be}}{R_2}} { \frac{V_{in}-V_{be}}{R_1}}$$
$$\frac{I_{R2}}{I_{R1}} = \frac{R_1}{R_2} \times \frac{V_{be}}{V_{in}-V_{be}}$$

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

$$\frac{R_1}{R_2} = 0.1$$
$V_{be} = 0.6V$$V_{in} = 3.6V$ $$\frac{V_{be}}{V_{in}-V_{be}} = \frac{0.6}{3.0} = 0.2$$ $0.1 \times 0.2 = 0.02 = 2\%$

Если вы можете судить о бета-версии и более точно, что потеря 2% диска имеет значение, то вы должны участвовать в космической программе.

• Орбитальные пусковые установки работают с запасом прочности в диапазоне 1% - 2% в некоторых ключевых областях. Когда ваша полезная нагрузка на орбиту составляет от 3% до 10% от вашей стартовой массы (или меньше), тогда каждый% запаса прочности является укусом от нашего обеда. Последняя попытка запуска на северокорейской орбите использовала фактический запас прочности от -1% до -2% где-то критически, по-видимому, и "summat gang aglae". Они в хорошей компании - США и СССР в начале 1960-х годов потеряли много-много пусковых установок. Я знал человека, который раньше создавал ракеты «Атлас». Как весело они были. Одна российская система НИКОГДА не произвела успешный запуск - слишком сложный.) Великобритания запустила один спутник FWIW.

---

ADDED

В комментариях было предложено, что

R2 и R4 никогда не нужны, потому что NPN является устройством, управляемым ТОКОМ. R2 и R4 имеют смысл только для устройств, управляемых VOLTAGE, таких как MOSFET

а также

Как может потребоваться опускание, если выход MCU - hi-Z, а транзистор управляется током? Вы не сказали «кто». Хорошо. Вы тоже не хотите говорить «почему»?

Существует важный вторичный эффект в биполярных транзисторах, в результате чего R2 и R4 играют полезную, а иногда и существенную роль. Я буду обсуждать версию R2, так как она такая же, как версия R4, но немного «чище» для этого случая (т. Е. R1 становится неактуальным).

Если Vin - разомкнутая цепь, тогда R2 подключен от основания к земле. R1 не имеет никакого эффекта. база кажется заземленной без источника сигнала.
Тем не менее, CB-переход фактически является кремниевым диодом с обратным смещением. Обратный ток утечки будет протекать через диод CB в базу. Если внешний путь к земле не предусмотрен, то этот ток будет течь через смещенный вперед диод базы-эмиттера к земле. Этот ток условно приведет к току коллектора с утечкой Beta x Icb, но при таких малых токах вам необходимо взглянуть на основные уравнения и / или опубликованные данные устройства. Спецификация BC337 - здесь имеет срез Icb около 0,1 мкА с
Vbe = 0. В этом случае Ice0 = базовый ток коллектора составляет около 200 нА.
В этом примере значение Vc составляет 40 В, но ток увеличивается примерно вдвое на 10 градусов Цельсия, и этот показатель составляет 25 ° С, а эффект относительно независим от напряжения. Два тесно связаны. На отметке 55С вы можете получить 1 ед. - не так много. Если обычный Ic равен 1 мА, то 1 мкА не имеет значения. Вероятно.
Я видел схемы реального мира, где пропуск R2 вызывал ложные проблемы при включении.
Если R2 = скажем, 100 кОм, то 1 мкА приведет к повышению напряжения на 0,1 В, и все в порядке.

На риск выбрасывания топлива на огонь такой весьма спорный вопрос, я добавлю мою два крупяной ценность.

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

Как всегда, сверьтесь с соответствующими техническими данными и разработайте соответствующий дизайн.

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

$\mu$

Из-за большего тока для R4, чем для R2, ​​я бы предпочел левое решение. Если бы я поставил R2 / R4 на первое место. Что я, вероятно, не будет.

Как указали Стивен и Рассел, оба ваших случая близки к эквивалентным. Тем не менее, для нормального цифрового логического выхода, который управляет как высоким, так и низким уровнем, вам вообще не нужен сброс. Это то, что, как мне кажется, пытался сказать Телаклаво, но позже убедил меня не так уверенно в своих комментариях. В любом случае, он не очень хорошо квалифицировал свой ответ и не давал подробных сведений.

Типичные цифровые логические выходы CMOS имеют транзисторы, которые активно управляют линией, как высокой, так и низкой. В этом случае резистор одной серии в порядке. Это становится понижением, когда цифровой выход низок, так как выход будет эффективно привязан к земле сопротивлением FET низкой стороны, когда он включен. Это также помогает быстрее отключить NPN-транзистор, поскольку ток на самом деле будет течь в обратном направлении через базовый резистор на короткое время, чтобы разрядить часть заряда с базы. В противном случае этот заряд «использовался бы», чтобы через коллектор и эмиттер протекал значительно больший заряд.

В некоторых случаях вам все еще нужен резистор понижения напряжения. Если цифровой выход может когда-либо достигать высокого импеданса, то хорошая идея - включить или выключить базу. Обратите внимание, что большинство выходов микроконтроллера запускаются с высоким сопротивлением после включения питания. В зависимости от микросхемы и от того, как вы ее настроили, может пройти 10 секунд мс, прежде чем микропрограмма сможет инициализировать порт для того или иного привода. Если имеет значение, что транзистор не должен включаться в течение этого времени включения из-за сбоев или чего-то еще, то вам все равно нужно отключение.

Тем не менее, давайте посмотрим, что в действительности делает резистор понижающего напряжения (или понижающего напряжения для PNP) для биполярного транзистора. Эти устройства работают на ток, а не напряжение. Для включения транзистора должен быть ток через плавающую базу. Емкостная связь с паразитными сигналами может привести к значительным изменениям напряжения на узлах с высоким импедансом, но ток обычно довольно мал. Если транзистор не смещен по краю проводимости, а то, что находится ниже по потоку, имеет высокий коэффициент усиления, паразитный емкостный датчик на базе вряд ли включит транзистор. Конечно, вы можете придумывать ситуации, в которых это происходит, но это далеко не та проблема, которая есть с затворами с высоким импедансом полевого МОП-транзистора.

Если вы действительно не ограничены в пространстве или бюджете, каким-то образом убедитесь, что основание транзистора не остается плавающим, когда имеет значение, включен транзистор или нет. Но если возникает ситуация, когда возникает проблема с дополнительным понижением напряжения, тщательно обдумайте его и решите, действительно ли это необходимо, учитывая вероятность появления случайных сигналов, пропускающих через базу достаточный ток, чтобы включить транзистор, и последствия этого включения. ,

Просто использовать 10 кОм по религиозным причинам или потому, что вы слышали, что это хорошая идея, глупо.

Реальные результаты:

Зеленый светодиод был частично освещен током утечки CB с обратным смещением на 2N3904, когда база была отсоединена (или 3 указана во время сброса). Добавление пути к земле шунтирует ток утечки CB из базовой области, и светодиод теперь был полностью темным.

Не проблема со светодиодом, но если бы это был, скажем, двигатель, могут быть нежелательные результаты от неконтролируемого выбега после сброса, даже в течение короткого периода времени.

Резистор R2 | R4 также служит для удаления заряда из базовой области, так что переключение с насыщения на отсечку происходит быстрее. В этом случае, чем ниже сопротивление топологии слева (резистор R2 между базой и землей), тем лучше.

Если источником в цепи будет цифровой выход, который всегда будет работать чисто на высоком или низком уровне, тогда нет нужды в понижающем резисторе, поскольку любой резистор с сопротивлением, достаточным для прохождения через ток, достаточный для удовлетворительного включения транзистора даже при использовании У логики с пятью вольтами (то есть она падает на 4,3 вольт) не возникнет проблем при прохождении через какое-либо дистанционно разумное количество утечек через коллектор.

Если источником в цепи будет цифровой выход, который переключается между высоким и плавающим, и если предполагается, что плавающее значение переводится в «выкл», то первая конфигурация будет в целом лучше при обстоятельствах, включающих «нормальные» уровни BJT и логические уровни, хотя когда При использовании других типов транзисторов или логических уровней бывают случаи, когда второй будет лучше. Преимущество первой конфигурации состоит в том, что, если резистор «выключения» рассчитан на падение 0,5 В при токе утечки через коллекторную базу транзистора, то величина тока, который теряется через него, увеличится только на 40%, когда предполагается, что транзистор быть включен. Напротив, в последней конфигурации, использующей такое же допущение 0,5 В, если используется, например, выход 3,3 В,

Единственная ситуация, когда вторая конфигурация действительно работает лучше, чем первая, - это когда напряжение «высокого» логического выхода едва достаточно для включения транзистора. В этом сценарии вторая схема обеспечивает выход полного напряжения с помощью логики для включения транзистора. Напротив, первая цепь несколько снизит напряжение. При использовании биполярных переходных транзисторов запас напряжения обычно настолько велик, что небольшое падение напряжения не имеет значения. Однако при использовании полевых МОП-транзисторов иногда требуется все возможное напряжение. Кроме того, при управлении MOFSET можно избежать использования последовательного резистора большего размера, чем при использовании биполярных переходных транзисторов; далее, в зависимости от того, кто за рулем, можно рассчитать размеры резисторов во второй цепи так, что даже если транзистор выйдет из строя при коротком замыкании затвора, он не подвергнет контакт процессора чрезмерному напряжению. Первая схема не будет предлагать такую ​​защиту.

Если бы это было критическое приложение, где вам нужно больше помехоустойчивости с программируемым устройством (uC или CPLD), используемым для передачи сигнала, следует учитывать, что условие сброса при включении питания определяет такие контакты как входы перед активными выходами. Поэтому я бы включил понижающий резистор, чтобы избежать ситуаций запуска посторонних шумов при наличии высокого уровня электромагнитных помех.

Ни один из них. Забудьте о понижающем резисторе. В обоих ваших случаях тевенинским эквивалентом того, что база NPN видит слева, является источник напряжения и последовательный резистор. Поэтому используйте только резистор, включенный последовательно с базой, и выберите его так, чтобы ток через базу был тем, который вам нужен.