¿Qué configuración es mejor para derribar la base de un transistor NPN?

Estaba discutiendo sobre resistencias desplegables con un colega mío. Aquí están las dos configuraciones para el transistor como interruptor.

La señal de entrada puede provenir de un microcontrolador u otra salida digital para controlar una carga, o de una señal analógica para dar una salida en búfer desde el colector del transistor al microcontrolador.

A la izquierda, con Q1, está la configuración de mi colega. Él afirma que:

• Se necesita una resistencia de 10K directamente en la base para evitar que el Q1 se encienda involuntariamente. Si se usa la configuración de la derecha, con Q1, entonces la resistencia será demasiado débil para tirar de la base hacia abajo.
• R2 también protege a del sobrevoltaje y brinda estabilidad en caso de cambios de temperatura.$V_{BE}$
• R1 protege contra sobrecorriente a la base del Q1, y será una resistencia de mayor valor en caso de que el voltaje "uC-out"sea ​​alto (por ejemplo, + 24V). Se formará un divisor de voltaje, pero eso no importa ya que el voltaje de entrada ya es lo suficientemente alto.

A la derecha, con Q2, está mi configuración. Pienso que:

• Dado que la base de un transistor NPN no es un punto de alta impedancia como un MOSFET o un JFET, y el del transistor es inferior a 500, y se necesita al menos 0.6V para encender el transistor, se necesita una resistencia desplegable no es crítico, y en la mayoría de los casos ni siquiera es necesario.$H_{FE}$
• Si se va a colocar una resistencia desplegable en el tablero, entonces el valor de 10K exactos es un mito. Depende de tu presupuesto de energía. Un 12K funcionaría tan bien como un 1K.
• Si se usa la configuración de la izquierda, con Q1, se crea un divisor de voltaje y puede crear problemas si la señal de entrada, que se usa para encender el transistor, es baja.

Entonces, para aclarar las cosas, mis preguntas son:

1. ¿La resistencia desplegable de 10K es una regla general que debo aplicar siempre? ¿Cuáles son las cosas a considerar al determinar el valor de una resistencia desplegable?
2. ¿La resistencia desplegable es realmente necesaria en todas las aplicaciones? ¿En qué casos se necesita la resistencia desplegable?
3. ¿Qué configuración preferirías y por qué? Si no hay ninguno, ¿cuál sería una mejor configuración?

Solución resumida:

• Las dos configuraciones son casi equivalentes.

• Cualquiera de los dos funcionaría igual de bien en casi todos los casos.

• En una situación en la que uno era mejor que el otro, el diseño sería excesivamente marginal para el uso en el mundo real (ya que cualquier cosa tan crucial para hacer que los dos difieran sustancialmente significa que la operación está "al límite"). .

• R 4 V i $R_{2}$ o son necesarios solo cuando puede ser circuito abierto, lo que en ese caso es una buena idea. Los valores de hasta aproximadamente 100K probablemente estén bien en la mayoría de los casos. 10k es un buen valor seguro en la mayoría de los casos.$R_{4}$$V_{in}$

• Un efecto secundario en los transistores bipolares (a los que he aludido en mi respuesta) significa que R2 y R4 pueden ser necesarios para hundir la corriente de fuga de polarización inversa Icb. Si esto no se hace, será transportado por la unión be y puede provocar que el dispositivo se encienda. Este es un efecto genuino del mundo real que es bien conocido y bien documentado, pero no siempre se enseña bien en los cursos. Ver mi respuesta además.

Caso de la mano izquierda:

• El voltaje del variador disminuye , lo que significa un 9% menos. $\frac{10}{11}$
• La base ve 10K a tierra, si la entrada es de circuito abierto.
• Si la entrada es BAJA, entonces la base ve aproximadamente 1K a tierra. En realidad 1K // 10K = esencialmente lo mismo.

Caja de la mano derecha:

• Drive = 100% de se aplica a través de 1K. $V_{in}$
• La base ve 10K a tierra si es circuito abierto. (a diferencia de 11K). $V_{in}$
• Si la entrada es BAJA, la base ve 1K, que es esencialmente lo mismo.

R2 y R4 actúan para desviar la corriente de fuga de la base a tierra. Para transistores Jellybean de baja potencia o señal pequeña, hasta varios vatios de potencia, esta corriente es muy pequeña y, por lo general, no activará el transistor, pero en casos extremos podría ocurrir, por lo tanto, 100 K normalmente serían suficientes para mantener la base BAJA .

Esto solo se aplica si es circuito abierto. Si está conectado a tierra, lo que significa que es BAJO, entonces R1 o R5 son de base a tierra y R2 o R4 no son necesarios. Un buen diseño incluye las siguientes resistencias si puede nunca ser de circuito abierto (por ejemplo, un pasador de procesador durante el inicio puede ser un circuito abierto o no definido). V i n V i $V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$

Este es un ejemplo en el que un "error" muy corto debido a un pin flotante fue una consecuencia importante: Hace mucho tiempo, tenía un circuito que controlaba una unidad de cinta de datos de carrete abierto de 8 pistas. Cuando el sistema se encendió por primera vez, la cinta correría hacia atrás a alta velocidad y se desbobina. Esto fue "muy muy muy molesto". Se verificó el código y no se encontró ninguna falla. Resultó que la unidad de puerto se abrió en circuito cuando el puerto se inicializó y esto permitió que la línea flotante fuera elevada por la plataforma de cinta, lo que puso un código de rebobinado en el puerto de cinta. Se rebobina! El código de inicialización no ordenó explícitamente que la cinta se detuviera, ya que se suponía que ya se había detenido y no comenzaría por sí mismo. Agregar un comando de detención explícito significaba que la cinta se contraería pero no se desbocaría (cuenta con los dedos del cerebro, hmmm hace 34 años. (Eso fue a principios de 1978, ahora hace casi 38 años cuando edito esta respuesta). Sí, teníamos microprocesadores en aquel entonces. Sólo :-).

Detalles específicos:

Se necesita una resistencia de 10K directamente en la base para evitar que el Q1 se encienda involuntariamente. Si se usa la configuración de la derecha, con Q1, entonces la resistencia será demasiado débil para tirar de la base hacia abajo.

¡No!

10K = 11K para fines prácticos el 99.8% del tiempo, e incluso 100k funcionarían en la mayoría de los casos.

R2 también protege a VBE del sobrevoltaje y brinda estabilidad en caso de cambios de temperatura.

No hay diferencia práctica en ninguno de los casos.

R1 protege contra sobrecorriente a la base del Q1, y será una resistencia de mayor valor en caso de que el voltaje de "uC-out" sea alto (por ejemplo, + 24V). Se formará un divisor de voltaje, pero eso no importa ya que el voltaje de entrada ya es lo suficientemente alto.

Un poco de mérito.

R1 está dimensionado para proporcionar la corriente de accionamiento base deseada, así que sí.

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

Como bajo y diseña para corriente más que suficiente, entonces:$V_{BE}$

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

$I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$ - donde = ganancia actual. $\beta$

Si (por ejemplo, BC337-40 donde 250 a 600), diseñe para menos que haya razones especiales para no hacerlo. β = β ≤ $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

Por ejemplo, si entonces . β d e s i g n = $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

Si y entoncesV i n = 24 $Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$

Rb=

Podríamos usar 10k, ya que la beta es conservadora, pero 8.2k o incluso 4.7k está bien.

Esto estaría bien con una resistencia pero 123mW puede no ser totalmente trivial, por lo que es posible que desee utilizar la resistencia de 10k.$\frac{1}{4}W$

Tenga en cuenta que la potencia del colector conmutado = V x I = 24 x 250 = 6 vatios.

A la derecha, con Q2, está mi configuración. Pienso que:

Dado que la base de un transistor NPN no es un punto de alta impedancia como un MOSFET o un JFET, y el HFE del transistor es inferior a 500, y se necesita al menos 0.6V para encender el transistor, una resistencia pull-down no es crítica , y en la mayoría de los casos ni siquiera es necesario.

Como arriba, más o menos, sí, PERO. es decir, la fuga de la base lo morderá algunas veces. Murphy dice que sin el desplegable disparará accidentalmente el cañón de la papa a la multitud justo antes del acto principal, pero que un despliegue de 10k a 100k te salvará.

Si se va a colocar una resistencia desplegable en el tablero, entonces el valor de 10K exactos es un mito. Depende de tu presupuesto de energía. Un 12K funcionaría tan bien como un 1K.

¡Sí!
10k = 12k = 33k. 100k PUEDEN estar subiendo un poco.
Tenga en cuenta que todo esto se aplica solo si Vin puede ir a circuito abierto.
Si Vin es alto o bajo o en cualquier punto intermedio, el camino a través de R1 o R5 dominará.

Si se usa la configuración de la izquierda, con Q1, se crea un divisor de voltaje y puede crear problemas si la señal de entrada, que se usa para encender el transistor, es baja.

Solo en casos muy muy muy muy extremos como se muestra.

Entonces la fracción que R2 "robará" es

Si , entonces y si , (para sumas) entonces Por lo tanto, la fracción total de la unidad perdida es es decir, incluso con 1k / 10k la pérdida de unidad es mínimo$R_1 = 1k$$R2 = 10K$Vbe=0.6VVin=3.6VVb

Si puede juzgar Beta y más de cerca que el 2% de pérdida de unidad es importante, entonces debería estar en el programa espacial.

• Los lanzadores orbitales funcionan con márgenes de seguridad en el rango de 1% - 2% en algunas áreas clave. Cuando su carga útil en órbita es del 3% al 10% de su masa de lanzamiento (o menos), entonces cada% de margen de seguridad es una mordida de nuestro almuerzo. El último intento de lanzamiento orbital de Corea del Norte utilizó un margen de seguridad real de -1% a -2% en algún lugar crítico, aparentemente, y "summat gang aglae". Están en buena compañía: los EE. UU. Y la URSS perdieron muchos, muchos lanzadores a principios de la década de 1960. Conocí a un hombre que solía construir misiles Atlas desde el principio. Qué divertido tuvieron. Un sistema ruso NUNCA produjo un lanzamiento exitoso, demasiado complejo). Reino Unido lanzó un satélite FWIW.

ADICIONAL

Se ha sugerido en comentarios que

R2 y R4 nunca son necesarios, porque un NPN es un dispositivo controlado por CURRENT. R2 y R4 solo tendrían sentido para dispositivos controlados por VOLTAJE, como MOSFET

y

¿Cómo se puede necesitar un menú desplegable cuando la salida de MCU es alta y el transistor está controlado por la corriente? No dijiste el "quién". Okay. ¿Tampoco quieres decir el "por qué"?

Hay un efecto secundario importante en los transistores bipolares que da como resultado que R2 y R4 tengan un papel útil y a veces esencial. Discutiré la versión R2 ya que es la misma que la versión R4 pero ligeramente "más pura" para este caso (es decir, R1 se vuelve irrelevante).

Si Vin es un circuito abierto, R2 está conectado de la base a tierra. R1 no tiene efecto. la base APARECE a tierra sin fuente de señal.
Sin embargo, la unión CB es efectivamente un diodo de silicio con polarización inversa. La corriente de fuga inversa fluirá a través del diodo CB hacia la base. Si no se proporciona una ruta externa a tierra, esta corriente fluirá a través del diodo emisor de base polarizado hacia tierra. Esta corriente no solo dará como resultado una corriente de colector de fuga Beta x Icb, pero a corrientes tan bajas debe mirar las ecuaciones subyacentes y / o los datos publicados del dispositivo. Una hoja de datos BC337 aquí tiene un corte de Icb de aproximadamente 0.1 uA con Vbe = 0.
Ice0 = la corriente base del colector es de aproximadamente 200 nA en este caso.
Vc es 40V en ese ejemplo, pero la corriente se duplica aproximadamente por cada aumento de 10 grados C y esa especificación está a 25C y el efecto es relativamente independiente del voltaje. Los dos están estrechamente relacionados. Alrededor de 55c puede obtener 1 uA, no mucho. Si lo habitual, Ic es 1 mA, entonces 1 uA es irrelevante. Probablemente.
He visto circuitos del mundo real donde la omisión de R2 causó problemas espurios.
Con R2 = digamos 100k, entonces 1 uA producirá un aumento de voltaje de 0.1V y todo estará bien.

A riesgo de arrojar combustible al fuego de un tema tan polémico, agregaré el valor de mis dos granos.

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

Como siempre, consulte las hojas de datos apropiadas y diseñe en consecuencia.

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

$\mu$

Debido a la corriente más grande para R4 que para R2 yo preferiría la solución izquierda. Si yo colocaría R2 / R4 en el primer lugar. Lo cual probablemente no lo haría.

Como Steven y Russel han señalado, sus dos casos son casi equivalentes. Sin embargo, para una salida lógica digital normal que impulsa tanto alto como bajo, no necesita un menú desplegable. Esto es lo que creo que Telaclavo estaba tratando de decir, pero luego me hizo no estar tan seguro en sus comentarios. En cualquier caso, no calificó muy bien su respuesta y no dio muchos antecedentes.

Las salidas lógicas digitales CMOS típicas tienen transistores que controlan la línea de forma activa tanto alta como baja. En ese caso, una sola resistencia en serie está bien. Se convierte en un pulldown cuando la salida digital es baja, ya que la salida estará efectivamente vinculada a tierra por la resistencia del FET del lado bajo cuando está encendido. Esto también ayuda a apagar el transistor NPN más rápidamente ya que la corriente fluirá en sentido inverso a través de la resistencia de la base por un corto tiempo para drenar algo de carga de la base. De lo contrario, esta carga se "usaría" para hacer que fluya significativamente más carga a través del colector y el emisor.

Todavía necesita la resistencia pulldown en algunos casos. Si la salida digital puede llegar a tener una alta impedancia, es una buena idea tener algo que active o desactive positivamente la base. Tenga en cuenta que la mayoría de las salidas del microcontrolador comienzan a alta impedancia después del encendido. Dependiendo del micro y de cómo lo haya configurado, pueden pasar 10 segundos de ms antes de que el firmware pueda inicializar el puerto para conducir de una forma u otra. Si es importante que el transistor no se encienda durante este tiempo de encendido debido a fallas o lo que sea, entonces aún necesita un pulldown.

Dicho todo esto, mantengamos en perspectiva lo que realmente hace una resistencia de pulldown de base (o pullup para PNP) para un transistor bipolar. Estos dispositivos funcionan con corriente, no con voltaje. Tiene que haber corriente a través de una base flotante para encender el transistor. El acoplamiento capacitivo a las señales parásitas puede causar cambios de voltaje significativos en los nodos de alta impedancia, pero la corriente suele ser bastante pequeña. A menos que el transistor esté polarizado en el borde de la conducción y lo que esté aguas abajo tenga una alta ganancia, no es probable que la captación capacitiva perdida en la base encienda el transistor. Por supuesto, puede llegar a situaciones en las que sucede, pero esto no está cerca del problema que tiene con las puertas de alta impedancia de un MOSFET.

A menos que esté realmente limitado de espacio o presupuesto, de alguna manera asegúrese de que la base del transistor no se deje flotando cuando importa si el transistor está encendido o no. Pero si surge una situación en la que el pulldown adicional es un problema, piénselo detenidamente y decida si realmente es necesario, teniendo en cuenta la probabilidad de que las señales extraviadas pongan suficiente corriente a través de la base para encender el transistor y las consecuencias de ese giro. .

Simplemente usar un pulldown de 10 kΩ por razones religiosas o porque escuchaste que era una buena idea es una tontería.

Resultados del mundo real:

Un LED verde estaba parcialmente encendido por la corriente de fuga de CB con polarización inversa en un 2N3904 cuando se desconectó la base (o se indicó 3 durante el reinicio). Agregar un camino a tierra desvía la corriente de fuga de CB fuera de la región base, y el LED ahora estaba completamente oscuro.

No es un problema con un LED, pero si se hubiera dicho un motor, podría haber resultados no deseados de una fuga incontrolada después del reinicio, incluso por un corto período de tiempo.

La resistencia R2 | R4 también sirve para ayudar a eliminar la carga de la región base, de modo que el cambio de saturación a corte es más rápido. En este caso, la resistencia más baja de la topología a la izquierda (resistencia R2 entre base y tierra) es mejor.

Si la fuente del circuito será una salida digital que siempre se moverá limpiamente hacia arriba o hacia abajo, entonces no hay necesidad de una resistencia desplegable, ya que cualquier resistencia dimensionada para pasar a través de suficiente corriente para encender el transistor satisfactoriamente incluso cuando se usa la lógica de cinco voltios (lo que significa que está bajando 4.3 voltios) no tendrá problemas para pasar a través de una cantidad remotamente razonable de fugas en la base del colector.

Si la fuente del circuito será una salida digital que cambia entre alta y flotante, y si se supone que flotante se traduce en "apagado", la primera configuración sería generalmente superior en circunstancias que involucren BJT "normales" y niveles lógicos, aunque cuando Usando otros tipos de transistores o niveles lógicos, hay casos en que el segundo sería mejor. La ventaja de la primera configuración es que si la resistencia de "apagado" está dimensionada para caer 0.5 voltios en la corriente de fuga de la base del colector del transistor, la cantidad de corriente que se desperdicia al pasar aumentará solo un 40% cuando se supone que el transistor estar encendido Por el contrario, en la última configuración, usando la misma suposición de 0.5 voltios, si se usa, por ejemplo, una salida de 3.3 voltios,

La única vez que la segunda configuración realmente funciona mejor que la primera es cuando el voltaje de una salida lógica "alta" es apenas suficiente para encender el transistor. En ese escenario, el segundo circuito hace que la salida de voltaje completo por la lógica esté disponible para encender el transistor. Por el contrario, el primer circuito caería un poco el voltaje. Con los transistores de unión bipolar, generalmente hay tanto margen de voltaje que una ligera caída de voltaje no importará. Sin embargo, con los MOSFET, a veces se necesita todo el voltaje que se puede obtener. Además, cuando se manejan MOFSET, uno puede salirse con una resistencia en serie más grande que la que usaría con los transistores de unión bipolar; Además, dependiendo de lo que se conduce, uno puede dimensionar las resistencias en el segundo circuito de modo que incluso si el transistor falla con un cortocircuito en la compuerta de drenaje, no expondrá el pin del procesador a un voltaje excesivo. El primer circuito no ofrecería tal protección.

Si se tratara de una aplicación crítica en la que necesita más inmunidad al ruido con un dispositivo programable (uC o CPLD) que se utiliza para controlar la señal, se debe considerar que la condición de reinicio de encendido define tales pines como entradas antes de las salidas activas. Entonces, incluiría una resistencia desplegable para evitar situaciones de activación de ruido parásito en presencia de un alto EMI.

Ninguno de ellos. Olvídate de la resistencia desplegable. En ambos casos, el equivalente de Thevenin de lo que ve la base del NPN, a su izquierda, es una fuente de voltaje y una resistencia en serie. Por lo tanto, use solo una resistencia en serie con la base y elíjala para que la corriente a través de la base sea la que desea.