NPN-Transistor vor negativer Basis-Emitter-Spannung schützen?

Ich habe eine Schaltung, die 5 V RS-232-Polaritätssignale (logisch 0 = + 5 V, logisch 1 = -5 V) unter Verwendung eines BC548-Transistors in 3,3 V TTL-Polarität (logisch 1 = 3,3 V, logisch 0 = 0 V) umwandelt.

Es bildet ein NICHT-Gatter, sodass bei hohem RS-232-Ausgang der Ausgang nach unten und umgekehrt gezogen wird.

Als Referenz sendet das RS-232-Gerät (ein GPS-Empfänger) mit 9600 Bit / s und ist mit dem UART eines Himbeer-Pis verbunden.

Meine Schaltung sieht so aus:

Diese Konfiguration führt jedoch dazu, dass der Transistor aufgrund der negativen Spannung des RS-232-Eingangs eine Spannung von -5 V über dem Basis-Emitter-Übergang sieht. Der BC548 hat eine maximale Vbe von -6 V, aber ich möchte den Transistor schützen, indem ich negative Spannungen über dem Basis-Emitter-Übergang minimiere.

Nach einigem Suchen bin ich auf einen Beitrag in den Raspberry Pi-Foren gestoßen, der die folgende Schaltung vorschlägt, um den Transistor vor negativer Spannung zu schützen:

Ich habe die Schaltung aufgebaut und es scheint erfolgreich zu sein: Die niedrigste Vbe-Spannung liegt bei -0,5V. Mein Digitalmultimeter wird nur etwa fünfmal pro Sekunde aktualisiert und ich habe kein Oszilloskop, um die Dinge klarer zu sehen, aber es zeigte zuvor die niedrigste Vbe-Spannung bei etwa -5V.

Meine Fragen sind folgende:

Warum ist die Diode dort platziert, wo sie ist? Wenn ich die Dinge richtig interpretiere, bedeutet dies, dass die niedrigste Vbe gleich dem Durchlassabfall der Diode ist und dass ein Stromfluss von Masse über den Widerstand R1 in den negativen Spannungs-RS-232-Pin stattfindet. Wäre es nicht sinnvoller, die Diode zwischen dem RS-232-Eingang und R1 oder zwischen R1 und dem Transistor Q1 zu platzieren, um jeglichen Stromfluss in den Pin zu blockieren?
Der Schaltplan sagt, eine 1N4148-Hochgeschwindigkeitsdiode zu verwenden, die ich verwendet habe. Gibt es einen Nachteil bei der Verwendung eines 1N4001 anstelle eines 1N4148? 9600bps bedeuten, dass jedes Bit ungefähr 100uS lang ist und der 1N4001 eine typische Reverse Recovery-Zeit von 2uS hat. Der 1N4148 hat eine typische Reverse-Recovery-Zeit von 4 ns - eindeutig ist der 1N4148 schneller beim Umschalten, aber macht es in diesem Zusammenhang wirklich einen Unterschied?

transistors diodes npn

— heypete
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Die Diode befindet sich in der besten Position und ist von einem geeigneten Typ.

Es leitet, wenn der Eingang negativ ist, genauso wie die Transistorbasis, wenn der Eingang positiv ist. Der 47K-Widerstand entspricht ungefähr 1/10 einer normalen RS-232- Last . Man könnte auch die Spannung blockieren, aber dann könnte eine -100-V-Spitze (sagen wir ESD) den 1N4148 und den EB-Übergang zerstören und irreversiblen Schaden verursachen.

Auch eine 1N4148 ist eine geeignete Diode für diese Anwendung. Es ist eine "Schaltdiode", niedrige Kapazität und schnelle Rückwärtswiederherstellung. Ein 1N4001 würde wahrscheinlich auch funktionieren, zumindest bei langsamen Baudraten. Der 200mA-Wert bedeutet, dass der Transistor auch dann vollständig geschützt ist, wenn am Eingang eine sehr hohe Spannung anliegt , zumindest bis der Widerstand einen Lichtbogen bildet.

— Spehro Pefhany
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Ausgezeichnet. Vielen Dank. Wäre es nachteilig, einen zweiten 1N4148 ("D2") zwischen den RS-232-Eingang und R1 zu legen, um zu verhindern, dass der Transistor überhaupt eine negative Spannung sieht? Wenn D2 in der von Ihnen beschriebenen Situation ausfällt, kann D1 den RS-232-Pin weiterhin über R1 mit Strom versorgen. Würde das nicht auch den Transistor schützen?

— heypete

Es könnte durchaus ein Nachteil sein, wenn das Kabel lang und die Baudraten hoch wären, da die Kabelkapazität auf -5 oder -10 statt -0,5 aufgeladen wird, aber ansonsten ist dies sicherlich ein vernünftiger Ansatz. Da RS-232 bei '1' (-V) im Leerlauf ist, kann dies senderseitig Strom sparen.

— Spehro Pefhany

Die Gesamtkabellänge beträgt ca. 10 m und die Baudrate beträgt nur 9600 bps, so dass die Kabelkapazität hoffentlich kein Problem darstellt. Wenn es nicht funktioniert, keine große Sache, aber ich wollte sicherstellen, dass ich keine Situation schaffe, die zu einem katastrophalen Ausfall führen könnte (wie das von Ihnen erwähnte ESD-Szenario für die Spannungsblockierungsdiode selbst).

— heypete

Nachtrag: Mit installiertem D2 scheinen die Dinge in Ordnung zu sein und die Vbe ist entweder Null oder positiv, je nach meinem Messgerät. Nochmals vielen Dank für Ihre Hilfe.

— heypete

Weiterer Zusatz: Es gibt Chips, die die RS-232-zu-TTL-Umwandlung besser, kontrollierter und kostengünstiger und kleiner durchführen. Ein MAX3232 beispielsweise benötigt nur wenige kleine externe Kondensatoren und löst das Problem auf elegante Weise.

— Heypete