Qual configuração é melhor para derrubar a base de um transistor NPN?

Eu estava discutindo sobre puxar resistores com um colega meu. Aqui estão as duas configurações do transistor como um comutador.

O sinal de entrada pode vir de um microcontrolador ou de outra saída digital para acionar uma carga, ou de um sinal analógico para fornecer uma saída em buffer do coletor do transistor para o microcontrolador.

À esquerda, no primeiro trimestre, está a configuração do meu colega. Ele afirma que:

• É necessário um resistor de 10K diretamente na base para impedir que o Q1 seja ligado acidentalmente. Se a configuração à direita, com Q1, for usada, a resistência será fraca demais para puxar a base para baixo.
• R2 também protege $V_{BE}$ de sobretensão e fornece estabilidade em caso de mudanças de temperatura.
• R1 protege de sobrecorrente até a base do Q1 e será um resistor de valor maior caso a tensão "uC-out"seja alta (por exemplo, + 24V). Haverá um divisor de tensão formado, mas isso não importa, já que a tensão de entrada é alta o suficiente.

À direita, com o Q2, está minha configuração. Eu penso isso:

• Uma vez que a base de um transistor NPN não é um ponto de impedância elevada como um MOSFET ou um JFET, e o $H_{FE}$ do transístor é inferior a 500, e, pelo menos, 0,6 V é necessária para ligar o transistor ON, uma suspenso resistor é não é crítico e, na maioria dos casos, nem é necessário.
• Se um resistor pull-down for colocado no quadro, o valor exato de 10K é um mito. Depende do seu orçamento de energia. Um 12K faria bem, bem como um 1K.
• Se a configuração à esquerda, com Q1, for usada, um divisor de tensão será criado e poderá criar problemas se o sinal de entrada usado para ligar o transistor estiver baixo.

Então, para esclarecer as coisas, minhas perguntas são:

1. O resistor de tração de 10K é uma regra prática que devo aplicar sempre? Quais são as coisas a considerar ao determinar o valor de um resistor pull-down?
2. O resistor pull-down é realmente necessário em todas as aplicações? Em que casos o resistor pull-down é necessário?
3. Qual configuração você prefere e por quê? Se nenhum, qual seria uma configuração melhor?

Solução resumida:

• As duas configurações são quase equivalentes.

• Ou funcionaria igualmente bem em quase todos os casos.

• Em uma situação em que uma era melhor que a outra, o design seria excessivamente marginal para o uso no mundo real (como algo tão crucial para diferenciar substancialmente as duas significa que a operação está "no limite"). .

• ou R 4 são necessários apenas quando V i n pode ser um circuito aberto, o que, nesse caso, é uma boa idéia. Valores até cerca de 100K provavelmente estão OK na maioria dos casos. 10k é um bom valor seguro na maioria dos casos.$R_{2}$$R_{4}$$V_{in}$

• Um efeito secundário nos transistores bipolares (aos quais aludi na minha resposta) significa que R2 e R4 podem ser necessários para afundar a corrente de vazamento de polarização reversa de Icb. Se isso não for feito, ele será transportado pela junção be e poderá causar a ativação do dispositivo. Este é um efeito genuíno do mundo real, que é bem conhecido e bem documentado, mas nem sempre é bem ensinado nos cursos. Veja minha resposta adicional.

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Caixa da mão esquerda:

• A tensão do inversor diminui em , o que significa 9% menos. $\frac{10}{11}$
• A base vê 10K no terra, se a entrada for um circuito aberto.
• Se a entrada for BAIXA, a base verá cerca de 1K em massa. Na verdade 1K // 10K = essencialmente o mesmo.

Caixa da mão direita:

• Drive = 100% de é aplicado via 1K. $V_{in}$
• A base vê 10K no chão se for um circuito aberto. (em oposição a 11K). $V_{in}$
• Se a entrada for BAIXA, a base exibirá 1K, que é essencialmente o mesmo.

R2 e R4 atuam para desviar a corrente de fuga da base para o terra. Para transistores jellybean de sinal baixo consumo de energia ou pequenos, com classificação de até vários Watts, essa corrente é muito pequena e geralmente não liga o transistor, mas apenas em casos extremos - por exemplo, 100K normalmente seria suficiente para manter a base BAIXA .

Isso se aplica apenas se for circuito aberto. Se V i n está ligado à terra, o que significa que é baixo, então R1 ou R5 são, da base para o chão e R2 ou R4 não são necessários. Boa concepção inclui estas resistências se V i n podem nunca ser um circuito aberto (por exemplo, um pino processador durante o arranque pode ser um circuito aberto ou indefinida).$V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$

Aqui está um exemplo em que um "blip" muito curto devido a um pino flutuante foi de grande importância: Há muito tempo, eu tinha um circuito que controlava uma unidade de fita de dados de bobina aberta de 8 pistas. Quando o sistema era ligado pela primeira vez, a fita corria para trás em alta velocidade e desenrolava. Isso foi "muito, muito, muito chato". O código foi verificado e nenhuma falha foi encontrada. Verificou-se que a unidade de porta foi aberta em circuito quando a porta foi inicializada e isso permitiu que a linha flutuante fosse puxada alta pelo deck de fita, o que colocava um código de rebobinagem na porta de fita. Rebobinou! O código de inicialização não comandou explicitamente a fita para parar, pois supunha-se que ela já estava parada e não seria iniciada por ela mesma. A adição de um comando de parada explícito significava que a fita se contorcia, mas não desolava (conta nos dedos do cérebro - hmmm 34 anos atrás. (Isso foi no início de 1978 - agora quase 38 anos atrás, quando eu edito esta resposta). Sim, tínhamos microprocessadores naquela época. Somente :-).

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Específicos:

É necessário um resistor de 10K diretamente na base para impedir que o Q1 seja ligado acidentalmente. Se a configuração à direita, com Q1, for usada, a resistência será fraca demais para puxar a base para baixo.

Não!

10K = 11K para fins práticos 99,8% do tempo, e até 100k funcionariam na maioria dos casos.

O R2 também protege o VBE contra sobretensão e fornece estabilidade em caso de mudanças de temperatura.

Nenhuma diferença prática em ambos os casos.

O R1 protege da sobrecorrente para a base do Q1 e será um resistor de valor maior caso a tensão da saída de uC seja alta (por exemplo, + 24V). Haverá um divisor de tensão formado, mas isso não importa, já que a tensão de entrada é alta o suficiente.

Algum mérito.

R1 é dimensionado para fornecer a corrente de base desejada, então sim.

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

Como baixo e você projeta para a corrente mais do que suficiente, então:$V_{BE}$

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

- ondeβ= ganho de corrente. $I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$$\beta$

Se (por exemplo, BC337-40 onde β = 250 a 600), projete-o para β ≤ 100, a menos que haja razões especiais para isso. $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

Por exemplo, se então β d e s i g n = 100 . $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

Se e V i n = 24 V, então$Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$

Rb=

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

Poderíamos usar 10k, já que o beta é conservador, mas 8.2k ou 4.7k estão ok.

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

Isso seria ok com um resistor de 4 W,mas123mW pode não ser totalmente trivial, portanto,pode-se usar o resistor de 10k.$\frac{1}{4}W$

Observe que a potência do coletor comutado = V x I = 24 x 250 = 6 Watts.

À direita, com o Q2, está minha configuração. Eu penso isso:

Como a base de um transistor NPN não é um ponto de alta impedância, como um MOSFET ou um JFET, e o HFE do transistor é menor que 500 e são necessários pelo menos 0,6V para ligar o transistor, um resistor pull-down não é crítico. e, na maioria dos casos, nem é necessário.

Como acima - mais ou menos, sim, MAS. isto é, o vazamento da base o morderá às vezes. Murphy diz que, sem o pull-down, disparará acidentalmente o canhão de batata na multidão pouco antes do ato principal, mas que um pull-down de 10 a 100k o salvará.

Se um resistor pull-down for colocado no quadro, o valor exato de 10K é um mito. Depende do seu orçamento de energia. Um 12K faria bem, bem como um 1K.

Sim!
10k = 12k = 33k. 100k PODE estar ficando um pouco alto.
Observe que tudo isso se aplica apenas se Vin puder entrar em circuito aberto.
Se Vin for alto ou baixo ou em qualquer outro lugar, o caminho através de R1 ou R5 será predominante.

Se a configuração à esquerda, com Q1, for usada, um divisor de tensão será criado e poderá criar problemas se o sinal de entrada usado para ligar o transistor estiver baixo.

Somente em casos muito, muito, muito, muito extremos, como mostrado.
IR2=V b

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

Portanto, a fração que o R2 "roubará" é

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

$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$$ $0.1 \times 0.2 = 0.02 = 2\%$

Se você pode julgar Beta e mais de perto que 2% de perda de unidade importa, então você deve estar no programa espacial.

• Os lançadores orbitais trabalham com margens de segurança na faixa de 1% a 2% em algumas áreas-chave. Quando sua carga útil em órbita é de 3% a 10% da sua massa de lançamento (ou menos), então cada% da margem de segurança é uma mordida no nosso almoço. A última tentativa de lançamento orbital norte-coreano usou uma margem de segurança real de -1% a -2% em algum lugar crítico, aparentemente, e "summat gang aglae". Eles estão em boa companhia - os EUA e a URSS perderam muitos lançadores no início dos anos 1960. Eu conheci um homem que costumava construir mísseis atlas desde o início. Que divertido eles tiveram. Um sistema russo NUNCA produziu um lançamento bem-sucedido - muito complexo.) O Reino Unido lançou um satélite por FWIW.

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ADICIONADO

Foi sugerido nos comentários que

R2 e R4 nunca são necessários, pois um NPN é um dispositivo controlado por CORRENTE. R2 e R4 só fazem sentido para dispositivos controlados por VOLTAGE, como MOSFETs

e

Como pode ser necessário um pull-down quando a saída do MCU é hi-Z e o transistor é controlado pela corrente? Você não disse "quem". Está bem. Você também não quer dizer o "porquê"?

Existe um efeito secundário importante nos transistores bipolares, o que resulta em R2 e R4 tendo um papel útil e, às vezes, essencial. Discutirei a versão R2, pois é igual à versão R4, mas um pouco "mais pura" para este caso (ou seja, R1 se torna irrelevante).

Se Vin é um circuito aberto, então R2 é conectado da base ao terra. R1 não tem efeito. A base parece ser aterrada sem fonte de sinal.
No entanto, a junção CB é efetivamente um diodo de silício com polarização reversa. A corrente de fuga reversa fluirá através do diodo CB para a base. Se nenhum caminho externo para o aterramento for fornecido, essa corrente fluirá através do diodo emissor de base com polarização direta para o aterramento. Essa corrente resultará nocionalmente em uma corrente de coletor de vazamento Beta x Icb, mas em correntes tão baixas que você precisará observar as equações subjacentes e / ou os dados publicados do dispositivo. Um BC337 - folha de dados aqui tem um corte de Icb de cerca de 0,1 uA com Vbe = 0.
Ice0 = corrente de base do coletor é de cerca de 200 nA neste caso.
Vc é 40V nesse exemplo, mas a corrente dobra aproximadamente a cada 10 graus C e essa especificação é de 25 ° C e o efeito é relativamente independente da tensão. Os dois estão intimamente relacionados. Por volta de 55c, você pode obter 1 uA - não muito. Se Ic usual é de 1 mA, então 1 uA é irrelevante. Provavelmente.
Vi circuitos do mundo real em que a omissão do R2 causou problemas espúrios.
Com R2 = digamos 100k, 1 uA produzirá um aumento de tensão de 0,1V e está tudo bem.

Correndo o risco de jogar combustível no fogo de uma questão tão contenciosa, acrescentarei meus dois cereais.

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

Como sempre, consulte as folhas de dados apropriadas e projete adequadamente.

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

$\mu$

Por causa da corrente maior para R4 do que para R2, eu preferiria a solução esquerda. Se eu colocasse R2 / R4 em primeiro lugar. O que eu provavelmente não faria.

Como Steven e Russel apontaram, os dois casos são quase equivalentes. No entanto, para uma saída lógica digital normal que gera alta e baixa, você não precisa de um menu suspenso. Isso é o que eu acho que Telaclavo estava tentando dizer, mas mais tarde não me deixou tão certo em seus comentários. De qualquer forma, ele não qualificou sua resposta muito bem e não deu muita informação.

As saídas lógicas digitais CMOS típicas têm transistores que conduzem a linha ativamente, tanto alta quanto baixa. Nesse caso, um único resistor em série está bom. Torna-se um pulldown quando a saída digital é baixa, pois a saída será efetivamente amarrada ao solo pela resistência do lado inferior do FET quando estiver ligado. Isso também ajuda a desligar o transistor NPN mais rapidamente, uma vez que a corrente flui inversamente através do resistor da base por um curto período de tempo para drenar alguma carga da base. Caso contrário, essa carga seria "consumida", causando um fluxo significativamente maior de carga pelo coletor e pelo emissor.

Você ainda precisa do resistor de pulldown em alguns casos. Se a saída digital puder ter alta impedância, é recomendável ter algo que dirija ou desative positivamente a base. Observe que a maioria das saídas do microcontrolador inicia com alta impedância após a inicialização. Dependendo do micro e de como você o configurou, pode demorar 10 segundos para o firmware inicializar a porta para dirigir de uma maneira ou de outra. Se o transistor não precisar ser ligado durante esse período de inicialização devido a falhas ou o que seja, você ainda precisará de um pulldown.

Dito isso, vamos manter em perspectiva o que um resistor base pulldown (ou pullup para PNP) realmente faz para um transistor bipolar. Esses dispositivos funcionam com corrente, não tensão. Tem que haver corrente através de uma base flutuante para ligar o transistor. O acoplamento capacitivo aos sinais dispersos pode causar mudanças significativas de tensão nos nós de alta impedância, mas a corrente geralmente é muito pequena. A menos que o transistor seja polarizado na extremidade da condução e o que estiver a jusante tenha alto ganho, a captação capacitiva dispersa na base provavelmente não ligará o transistor. É claro que você pode encontrar situações onde isso ocorre, mas isso não chega nem perto do problema, é com os portões de alta impedância de um MOSFET.

A menos que você esteja realmente com restrições de espaço ou orçamento, verifique se a base do transistor não fica flutuando quando importa se o transistor está ligado ou não. Mas se surgir uma situação em que o pulldown extra é um problema, pense com cuidado e decida se é realmente necessário, tendo em mente a probabilidade de sinais dispersos colocando corrente suficiente na base para ligar o transistor e as conseqüências desse turnon. .

Sempre use sempre um pulldown de 10 kΩ por motivos religiosos ou porque você soube que era uma boa ideia é bobagem.

Resultados do mundo real:

Um LED verde foi parcialmente aceso pela corrente de vazamento de CB com polarização reversa no 2N3904 quando a base foi desconectada (ou 3 indicadas durante a redefinição). A adição de um caminho ao solo evita a corrente de vazamento de CB da região base e o LED agora estava completamente escuro.

Não é um problema com um LED, mas se fosse um motor, poderia haver resultados indesejáveis ​​de uma fuga descontrolada após a redefinição, mesmo por um curto período de tempo.

O resistor R2 | O R4 também serve para ajudar a remover a carga da região base, para que a mudança da saturação para o ponto de corte seja mais rápida. Nesse caso, a menor resistência da topologia à esquerda (resistor R2 entre a base e o terra) é melhor.

Se a fonte do circuito for uma saída digital que sempre puxe para cima ou para baixo, não há necessidade de um resistor pull-down, pois qualquer resistor dimensionado para passar por corrente suficiente para ligar o transistor satisfatoriamente, mesmo ao usar a lógica de cinco volts (significando que está caindo 4,3 volts) não terá problemas para passar por qualquer quantidade remotamente razoável de vazamento na base do coletor.

Se a fonte do circuito for uma saída digital que alterne entre alta e flutuante, e se a flutuação for traduzida como "desligada", a primeira configuração será geralmente superior em circunstâncias que envolvam BJTs "normais" e níveis lógicos, embora quando usando outros tipos de transistores ou níveis lógicos, há casos em que o segundo seria melhor. A vantagem da primeira configuração é que, se o resistor "desligar" for dimensionado para cair 0,5 volts na corrente de fuga da base de coletor do transistor, a quantidade de corrente desperdiçada passando por ele aumentará apenas 40% quando o transistor deve ser ligado. Por outro lado, na última configuração, usando a mesma suposição de 0,5 volts, se alguém estiver usando, por exemplo, uma saída de 3,3 volts,

A única vez que a segunda configuração realmente funciona melhor que a primeira é quando a tensão de uma saída lógica "alta" é pouco adequada para ligar o transistor. Nesse cenário, o segundo circuito disponibiliza a saída de tensão total pela lógica para ligar o transistor. Por outro lado, o primeiro circuito diminuiria um pouco a tensão. Nos transistores de junção bipolar, geralmente há tanta margem de tensão que uma leve queda de tensão não importa. Com os MOSFETs, no entanto, às vezes é preciso toda a tensão que se pode obter. Além disso, ao acionar MOFSETs, é possível obter um resistor de série maior do que o usado com transistores de junção bipolar; Além disso, dependendo do que se está dirigindo, pode-se dimensionar os resistores no segundo circuito de modo que, mesmo que o transistor falhe com um curto-circuito na porta de drenagem, não exponha o pino do processador a tensão excessiva. O primeiro circuito não ofereceria essa proteção.

Se for uma aplicação crítica em que você precisa de mais imunidade a ruídos com um dispositivo programável (uC ou CPLD) sendo usado para acionar o sinal, é necessário considerar que a condição de redefinição de inicialização define esses pinos como entradas antes das saídas ativas. Então, eu incluía um resistor pull down para evitar situações de disparo de ruído disperso na presença de EMI alto.

Nenhum deles. Esqueça o resistor pull-down. Nos dois casos, o equivalente de Thevenin ao que a base do NPN vê, à sua esquerda, é uma fonte de tensão e um resistor em série. Portanto, use apenas um resistor em série com a base e escolha-o para que a corrente através da base seja a desejada.