¿Por qué no se dispara este transistor PNP?

El circuito a continuación debe tomar una señal de 3.3V de una MCU en MCU_LS12 y emitir una señal de lado alto de 12V.

La salida es siempre de 12V. Al fijar el alcance de la base al transistor de salida, no se está tirando a tierra "lo suficiente", solo va a 12V y luego a 11.5V.

¿Qué me estoy perdiendo? La señal de entrada en LS12 es 3.3V desde una MCU, enviando una onda cuadrada del 50% para la prueba. ¿Por qué Q6 no deja caer Q8s de base a tierra? ¿Qué puedo cambiar? ¿Es el divisor?

Dibujemos el esquema usando el editor EESE (como debería haber hecho):

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Supongo que te cableaste mal. Como señala Andy, un PNP normal aún puede actuar como un transistor PNP si lo invierte. Pero generalmente con mucho peor β (debido a la forma en que las cosas se dopan y se construyen físicamente en un BJT).$Q_8$$\beta$

Sin embargo, lo que Andy puede haberse perdido [suponiendo que pueda tomarlo en serio que está utilizando un MJD127G ( hoja de datos )], ¡entonces este es un Darlington! No los reviertes y esperas mucho. ¡Tienes que organizarlos correctamente!

Desde que mencionaste que has usado , iré con eso. Esto significa un simple I C 8 = $R_{LOAD}=200\:\Omega$ . Aquí hay un cuadro importante de la hoja de datos:$I_{C_8}=60\:\textrm{mA}$

El a esta corriente. Entonces, no puedes esperar seriamente mejor que alrededor de$V_{CE_{SAT}}\approx 800\:\textrm{mV}$ a través de R L O A D . Siempre. Necesitas planear eso. Y menos, si la corriente de su colector aumenta significativamente.$11\:\textrm{V}$$R_{LOAD}$

¡Tenga en cuenta que usan un para la saturación! Bastante significativo Pero este es un Darlington. Entonces eso es de esperarse. Si su corriente de carga es realmente solo $\beta=250$ entonces su corriente base solo necesita ser$60\:\textrm{mA}$ .$250\:\mu\textrm{A}$

¡Ahora, está bastante claro que también estás usando un Darlington para ! ¿¿Qué?? Oh bien. Esa cosa tiene un mínimo de β = 5000 en un I C = $Q_6$ $\beta=5000$ ! ¿Estás cuerdo? La corriente base requerida para Q 6 aquí, en esta configuración de seguidor de emisor es$I_C=10\:\textrm{mA}$$Q_6$ (suponiendo que a estas bajas corrientes que tiene el β (probablemente no). En cualquier caso, no tiene ninguna corriente de base para hablar de Q 6 .$50\:\textrm{nA}$$\beta$$Q_6$

Entonces, ¿cuál es el valor de ? Es R 22 = $R_{22}$ . Sin embargo, contabilizando, digamos,$R_{22}=\frac{3.3\:\textrm{V}-1\:\textrm{V}}{250\:\mu\textrm{A}}=9200\:\Omega$ para R 25 , usaría un$50\:\mu\textrm{A}$$R_{25}$ allí. El valor de R 25 debe obtener como máximo$7.2\:\textrm{k}\Omega$$R_{25}$ , así que pegaría algo a$50\:\mu\textrm{A}$ allí. (Estuve muy tentado de hacerlo mucho más grande. Pero qué diablos. Quédese con esto.) Entonces, de nuevo, R 22 = $22\:\textrm{k}\Omega$ .$R_{22}=\frac{3.3\:\textrm{V}-1\:\textrm{V}}{250\:\mu\textrm{A}+50\:\mu\textrm{A}}\approx 7.2\:\textrm{k}\:\Omega$

^{simular este circuito}

Si aumenta la carga, simplemente continúe con los cálculos.

¿Por qué estás usando Darlingtons? Ah Ahora mencionas que podrías tener una carga de más de $3\:\textrm{A}$ . Entonces tiene sentido.

Vamos a rehacer las cosas para ese tipo de carga:

^{simular este circuito}

Que Darlington dejará caer más voltaje y ahora disipará una buena cantidad de energía. ¡De hecho, se disipará más de lo que te atreves a aplicar! ¡Eche un vistazo a la resistencia térmica y también a las temperaturas máximas de funcionamiento! Asumiendo que no haces algo muy especial en el tablero para disipar mejor, no puedes disipar más que$1.5\:\textrm{W}$ en ese dispositivo.

Entonces, si bien todos los números funcionan "semi-bien", tiene varios problemas.

1. La disipación en su Darlington es simplemente varias veces demasiado alta.
2. Perderás sobre desde su riel de suministro lateral alto, llegando a su carga. Si puedes vivir con aproximadamente$1.5\:\textrm{V}$ , entonces eso puede no ser un problema. Pero ahí está, suponiendo que el Darlington no solo se queme primero.$10.5\:\textrm{V}$

Aparte de eso, parece estar bien.

Necesitas lidiar con la disipación. Este es uno de esos casos en los que un MOSFET comienza a verse bastante bien.

$V_{BE}$$\approx 0.7V$$3.3V-0.7V=2.6V$$V_{CE}$

$V_{CE(sat)}$ en los terminales CE de Q8, probablemente menos de 200 mV )

$I_C \approx I_E = \frac{V_B \;-\;0.7V}{R22} = \frac{3.3V \;-\;0.7V}{220\Omega}\approx 12mA$ .

El problema es que ese circuito funciona como una fuente de corriente siempre que tenga margen de voltaje hacia el riel de 12V. En su circuito, fuerza esos 12mA a R25 (2.2kΩ) en paralelo con la unión BE de Q8 (suponiendo que conecta Q8 correctamente, es decir, intercambia C y E en su circuito).

$\frac{0.7V}{2.2k\Omega}\approx 0.31mA << 12mA$

Una corriente de 12 mA en su base es más que suficiente para saturar el transistor de salida y hacer que funcione como un interruptor encendido (que es lo que necesita). Sin embargo, no obtendrá su base puesta a tierra, como era de esperar, porque el transistor "driver" Q6 no funciona como un interruptor, sino como una fuente de corriente (conmutable).

Supongo que el transistor PNP (Q8) está conectado intencionalmente con el emisor y el colector intercambiados para lograr un Vce ligeramente más bajo cuando está saturado. Esta técnica se usa de vez en cuando, pero tiene problemas potenciales con la descomposición inversa del voltaje de la base del emisor, así que haga los cálculos si es intencional. Si no, sigue leyendo.

La salida es siempre de 12V.

Sin una carga y usando un medidor de alta impedancia Y dada una pequeña corriente de fuga a través de Q8, la salida tenderá a ser arrastrada ligeramente hasta 12 voltios y esto podría ser lo que ve.

Al fijar el alcance de la base al transistor de salida, no se está tirando a tierra "lo suficiente", solo va a 12V y luego a 11.5V.

La unión entre 12 voltios y la base es un diodo conductor directo y es probable que solo caiga entre 0,4 voltios y 0,7 voltios para una corriente de base moderada. Esto no es un problema La corriente de base se establece en 3.3 voltios en la base de Q6: "colocará" aproximadamente 2.7 voltios en el emisor de Q6 y forzará a una corriente de aproximadamente 12 mA a fluir a través de R22; esta corriente pasará en gran medida a través de la base de Q8 ( unos 10 mA) para encenderlo.

¿Qué me estoy perdiendo?

Aparte de una carga de salida y posiblemente cableando incorrectamente el colector y el emisor, nada más.

Comentario 1) Cuando utilice un transistor BJT como interruptor (no como amplificador), conecte el emisor directamente a la fuente de alimentación, sin elementos de circuito entre el emisor y la fuente de alimentación. Para los transistores NPN, conecte el emisor directamente al riel de alimentación NEGATIVO (por ejemplo, TIERRA), y para los transistores PNP conecte el emisor directamente al riel de alimentación POSITIVO (por ejemplo, 12V_IGN_ON, que supongo que es su fuente de alimentación). Conecte el colector a la carga que se enciende y apaga. [Del mismo modo, para los conmutadores MOSFET, conecte el pin SOURCE del MOSFET directamente a la fuente de alimentación: la FUENTE del N-MOS a la fuente de alimentación NEGATIVA; FUENTE de P-MOS a la fuente de energía POSITIVA. Conecte el DRENAJE a la carga.]

Comentario 2) El transistor de salida en un par Darlington no se saturará (se activará por completo); se acercará a la saturación pero nunca alcanzará la saturación. Con esto en mente, los transistores Darlington que está utilizando disiparán (desperdiciarán) más energía y se calentarán mucho más que un transistor BJT "estándar" que funciona en saturación; por lo tanto, habrá menos energía disponible para la entrega a la carga cuando se use un par Darlington como se hace aquí. TL; DR: nunca use transistores de par Darlington para conmutar circuitos que deben alternar entre corte (OFF) y saturación (ON).

Comentario 3) En mi opinión, es más fácil trabajar con los cálculos actuales al diseñar circuitos de conmutación BJT. Suponga que la carga de salida consume una corriente máxima de 100 mA. Supongamos que reemplaza el transistor Q8 de Darlington con un PNP BJT de pequeña señal (p. Ej., 2N3906) cuya saturación beta es 10 (consulte la hoja de datos). Para un primer cálculo de aproximación usamos,

Q8_IC_sat = Q8_Beta_sat * Q8_IB_sat

Por lo tanto,

=> IB_sat = IC_sat / Beta_sat
= (-100 mA) / (10)
=> IB_sat = -10 mA

Por lo tanto, la base actual de Q8 debe ser de al menos 10 mA. Esta corriente base se "programa" a través de una resistencia limitadora de corriente R_X conectada adecuadamente en serie entre el colector Q6 y la base Q8. (nb Eliminar las resistencias R22 y R25.)

R_X = ((12V_IGN_ON) - (Q8_VBE(SAT) @ Q8_IC=100mA) - (Q6_VCE(SAT) @ Q6_IC=10mA)) / 10mA

Reemplace Q6 con un NPN BJT, por ejemplo, una pequeña señal 2N2222A. El objetivo ahora es saturar Q6 cuando el pin de salida digital del microcontrolador está programado para producir una salida ALTA lógica. Una vez más, mirando la hoja de datos del 2N2222A vemos que la beta de saturación es 10. Entonces, la corriente requerida que fluye desde el pin de salida digital del microcontrolador hacia la base de Q6 es

Q6_IB_sat = Q6_IC_sat / Q6_Beta_sat
= (10 mA) / (10)
=> IB_sat(Q6) = 1 mA

Esta corriente de 1 mA se puede programar a través de una resistencia limitadora de corriente con un valor apropiado R_Y conectada en serie entre el pin de salida digital del microcontrolador y la base de Q6:

R_Y = ( (microcontroller VOH) - (Q6_VBE(Sat) @ Q6_IC(sat)=10mA) ) / 1 mA

donde 'VOH' es el voltaje mínimo para una señal lógica de salida ALTA en el pin de salida digital del microcontrolador (consulte la hoja de datos del microcontrolador para encontrar VOH).

VOH <= uC digital output pin logic HIGH voltage < 3.3V

Necesita polarizar adecuadamente el Q6, con una resistencia base. Actualmente es un seguidor de emisores. Por lo tanto, el emisor está a 3.3V - Vbe = 2.6 V

El segundo bjt está de alguna manera en saturación