Welche Konfiguration ist besser, um die Basis eines NPN-Transistors herunterzuziehen?

Ich habe mit einem Kollegen über Pulldown-Widerstände gesprochen. Hier sind die beiden Konfigurationen für den Transistor als Schalter.

Das Eingangssignal kann entweder von einem Mikrocontroller oder einem anderen digitalen Ausgang kommen, um eine Last anzusteuern, oder von einem analogen Signal, um eine gepufferte Ausgabe vom Kollektor des Transistors an den Mikrocontroller zu liefern.

Links mit Q1 ist die Konfiguration meines Kollegen. Er behauptet, dass:

• Ein 10K-Widerstand wird direkt in der Basis benötigt, um ein unbeabsichtigtes Einschalten des Q1 zu verhindern. Wenn die Konfiguration auf der rechten Seite mit Q1 verwendet wird, ist der Widerstand zu schwach, um die Basis nach unten zu ziehen.
• R2 schützt auch $V_{BE}$ vor Überspannung und gibt Stabilität bei Temperaturänderungen.
• R1 schützt vor Überstrom an der Basis des Q1 und ist ein Widerstand mit größerem Wert, wenn die Spannung von "uC-out"hoch ist (in Beispiel +24 V ). Es wird einen Spannungsteiler geben, aber das spielt keine Rolle, da die Eingangsspannung bereits hoch genug ist.

Auf der rechten Seite ist mit Q2 meine Konfiguration. Ich denke, dass:

• Da eine Basis des NPN - Transistors keine hohen Impedanzpunkt wie ein MOSFET oder ein JFET, und das ist $H_{FE}$ des Transistors ist kleiner als 500 und mindestens 0,6 V wird benötigt , um den Transistor auf EIN schalten, einen Pull-down - Widerstand nicht kritisch, und in den meisten Fällen wird nicht einmal benötigt.
• Wenn ein Pull-Down-Widerstand in die Platine eingefügt wird, ist der Wert von genau 10K ein Mythos. Das hängt von Ihrem Strombudget ab. Ein 12K würde ebenso gut funktionieren wie ein 1K.
• Wenn die Konfiguration links mit Q1 verwendet wird, wird ein Spannungsteiler erstellt, der Probleme verursachen kann, wenn das Eingangssignal, das zum Einschalten des Transistors verwendet wird, niedrig ist.

Um die Dinge zu klären, sind meine Fragen:

1. Ist 10K Pull-Down - Widerstand eine Regel-of-Daumen , dass ich sollte jedes Mal anwenden? Was ist zu beachten, wenn der Wert eines Pulldown-Widerstands bestimmt wird?
2. Wird der Pull-Down-Widerstand wirklich in jeder Anwendung benötigt? In welchen Fällen wird der Pulldown-Widerstand benötigt?
3. Welche Konfiguration bevorzugen Sie und warum? Wenn nein, was wäre eine bessere Konfiguration?

Zusammengefasste Lösung:

• Die beiden Konfigurationen sind nahezu gleichwertig.

• Beides würde in fast allen Fällen gleich gut funktionieren.

• In einer Situation, in der eines besser als das andere war, wäre das Design für den Einsatz in der Praxis übermäßig marginal (da alles, was so wichtig ist, um die beiden zu unterscheiden, im Wesentlichen bedeutet, dass die Operation "direkt am Rande" ist). .

• oder R 4 werden nur benötigt, wenn V i n ein offener Stromkreis sein kann, was in diesem Fall eine gute Idee ist. Werte bis ca. 100K sind in den meisten Fällen wahrscheinlich in Ordnung. 10k ist in den meisten Fällen ein guter sicherer Wert.$R_{2}$$R_{4}$$V_{in}$

• Ein sekundärer Effekt bei Bipolartransistoren (auf den ich in meiner Antwort angespielt habe) bedeutet, dass R2 und R4 möglicherweise benötigt werden, um den Icb-Sperrkriechstrom zu senken. Geschieht dies nicht, wird es von der be-Junction übertragen und kann zum Einschalten des Geräts führen. Dies ist ein echter realer Effekt, der bekannt und gut dokumentiert ist, aber in Kursen nicht immer gut vermittelt wird. Siehe auch meine Antwort.

Linker Fall:

• Die Antriebsspannung wird um 10 verringert , was 9% weniger bedeutet. $\frac{10}{11}$
• Die Basisstation sieht 10K gegen Masse, wenn der Eingang offen ist.
• Wenn der Eingang LOW ist, sieht die Basis ungefähr 1K nach Masse. Eigentlich 1K // 10K = im Wesentlichen gleich.

Rechtssache:

• Drive = 100% von wird über 1K angelegt. $V_{in}$
• Base sieht 10K auf Masse , wenn offener Stromkreis ist. (im Gegensatz zu 11K). $V_{in}$
• Wenn die Eingabe LOW ist, sieht base 1K, was im Wesentlichen dasselbe ist.

R2 und R4 wirken so, dass sie den Basisleckstrom nach Masse ableiten. Bei Jellybean-Transistoren mit geringer Leistung oder kleinen Signalen ist dieser Strom bis zu einer Nennleistung von mehreren Watt sehr gering und schaltet den Transistor normalerweise nicht ein, kann aber im Extremfall ausreichen - sagen wir also, 100 K würden normalerweise ausreichen, um die Basis auf LOW zu halten .

Dies gilt nur dann , wenn offener Stromkreis ist. Wenn V $V_{in}$ geerdet, das heißtes ist niedrig, dann R1 oder R5 sind vonBasis an Masse und R2 oder R4 nicht benötigt. Gutes Design umfasst diese Widerstände wenn V i n kannjeoffene Schaltung sein (zB ein Prozessor Stift währendStartvorgangs kann Unterbrechung oder undefiniert sein).$V_{in}$$V_{in}$

Hier ist ein Beispiel, in dem ein sehr kurzes "Blip" aufgrund eines schwebenden Stifts von großer Bedeutung war: Vor sehr langer Zeit hatte ich eine Schaltung, die ein 8-Spur-Datenbandlaufwerk mit offener Spule steuerte. Beim ersten Einschalten des Systems lief das Band mit hoher Geschwindigkeit rückwärts und löschte den Pool. Das war "sehr sehr sehr nervig". Der Code wurde überprüft und es wurde kein Fehler gefunden. Es stellte sich heraus, dass das Port-Laufwerk bei der Initialisierung des Ports im Leerlauf war. Dadurch konnte die schwebende Leitung vom Cassettendeck hochgezogen werden, wodurch ein Rücklaufcode auf den Cassetten-Port angewendet wurde. Es wurde zurückgespult! Der Initialisierungscode hat das Band nicht explizit zum Stoppen angewiesen, da angenommen wurde, dass es bereits gestoppt war und nicht von selbst starten würde. Das Hinzufügen eines expliziten Stoppbefehls bedeutete, dass das Band zwar zuckte, sich aber nicht auflöste (Zählt an den Fingern des Gehirns - hmmm vor 34 Jahren). (Das war Anfang 1978 - jetzt vor fast 38 Jahren, als ich diese Antwort bearbeite). Ja, wir hatten damals Mikroprozessoren. Gerade :-).

Besonderheiten:

Ein 10K-Widerstand wird direkt in der Basis benötigt, um ein unbeabsichtigtes Einschalten des Q1 zu verhindern. Wenn die Konfiguration auf der rechten Seite mit Q1 verwendet wird, ist der Widerstand zu schwach, um die Basis nach unten zu ziehen.

Nein!

10K = 11K für praktische Zwecke 99,8% der Zeit und sogar 100K würden in den meisten Fällen funktionieren.

R2 schützt VBE auch vor Überspannung und gibt Stabilität bei Temperaturänderungen.

In beiden Fällen kein praktischer Unterschied.

R1 schützt die Basis des Q1 vor Überstrom und ist ein Widerstand mit größerem Wert, falls die Spannung von "uC-out" hoch ist (in Beispiel +24 V). Es wird einen Spannungsteiler geben, aber das spielt keine Rolle, da die Eingangsspannung bereits hoch genug ist.

Ein Verdienst.

R1 ist so dimensioniert, dass er den gewünschten Basisantriebsstrom liefert, also ja.

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

Als $V_{BE}$ niedrig und Sie für mehr als genug Strom ausgelegt sind, gilt Folgendes:

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

- wobeiβ= Stromverstärkung. $I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$$\beta$

Wenn (z. B. BC337-40 mit β = 250 bis 600), dann ist für β ≤ 100 zu entwerfen, es sei denn, es gibt besondere Gründe, dies nicht zu tun . $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

Wenn zum Beispiel dann ist β d e s i g n = 100 . $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

Wenn und V i n = 24 $Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$ dann

Rb=

Wir könnten 10k verwenden, da die Beta konservativ ist, aber 8,2k oder sogar 4,7k in Ordnung sind.

Dies wäre mit einer 1 in OrdnungWiderstandaber123mW kann nicht vollständig seinso trivial mankann$\frac{1}{4}W$ möchten.

Beachten Sie, dass die Schaltkollektorleistung = V x I = 24 x 250 = 6 Watt ist.

Auf der rechten Seite ist mit Q2 meine Konfiguration. Ich denke, dass:

Da die Basis eines NPN-Transistors kein hochohmiger Punkt wie ein MOSFET oder ein JFET ist und der HFE des Transistors weniger als 500 beträgt und zum Einschalten des Transistors mindestens 0,6 V erforderlich sind, ist ein Pulldown-Widerstand nicht kritisch , und in den meisten Fällen wird nicht einmal benötigt.

Wie oben - irgendwie ja, ABER. dh Base Leakage wird Sie manchmal beißen. Murphy sagt, dass es ohne den Pulldown versehentlich die Kartoffelkanone kurz vor dem Main Act in die Menge schießen wird, aber dass ein Pulldown von 10k bis 100k Sie retten wird.

Wenn ein Pull-Down-Widerstand in die Platine eingefügt wird, ist der Wert von genau 10K ein Mythos. Das hängt von Ihrem Strombudget ab. Ein 12K würde ebenso gut funktionieren wie ein 1K.

Ja!
10k = 12k = 33k. 100k KÖNNEN ein bisschen hoch werden.
Beachten Sie, dass dies alles nur dann zutrifft, wenn Vin den Stromkreis unterbrechen kann.
Wenn Vin entweder hoch oder niedrig ist oder irgendwo dazwischen liegt, dominiert der Pfad durch R1 oder R5.

Wenn die Konfiguration links mit Q1 verwendet wird, wird ein Spannungsteiler erstellt, der Probleme verursachen kann, wenn das Eingangssignal, das zum Einschalten des Transistors verwendet wird, niedrig ist.

Nur in sehr sehr sehr extremen Fällen wie gezeigt.
IR2=V b

Der Bruchteil, den R2 "stehlen" wird, ist also

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

Wenn Sie Beta und mehr so ​​genau beurteilen können, dass 2% Laufwerksverlust eine Rolle spielen, sollten Sie im Weltraumprogramm sein.

• Orbitalabschussgeräte arbeiten in einigen Schlüsselbereichen mit Sicherheitsmargen im Bereich von 1% bis 2%. Wenn Ihre Zuladung im Orbit 3% bis 10% Ihrer Startmasse (oder weniger) beträgt, ist jeder Prozentpunkt der Sicherheitsmarge ein Leckerbissen für unser Mittagessen. Beim letzten Startversuch im nordkoreanischen Orbit wurde anscheinend an einer kritischen Stelle eine tatsächliche Sicherheitsmarge von -1% bis -2% und "summat gang aglae" verwendet. Sie sind in guter Gesellschaft - die USA und die UdSSR haben in den frühen 1960er Jahren viele, viele Trägerraketen verloren. Ich kannte einen Mann, der früh Atlas-Raketen baute. Was für ein Spaß sie hatten. Ein russisches System produzierte NIEMALS einen erfolgreichen Start - zu komplex.) Großbritannien startete je einen Satelliten FWIW.

HINZUGEFÜGT

Es wurde in Kommentaren vorgeschlagen, dass

R2 und R4 werden niemals benötigt, da ein NPN ein CURRENT-gesteuertes Gerät ist. R2 und R4 wären nur für spannungsgesteuerte Geräte wie MOSFETs sinnvoll

und

Wie kann ein Pulldown erforderlich sein, wenn der MCU-Ausgang hochohmig ist und der Transistor durch Strom gesteuert wird? Du hast nicht das "Wer" gesagt. Okay. Sie wollen auch nicht das "Warum" sagen?

Bei Bipolartransistoren gibt es einen wichtigen sekundären Effekt, der dazu führt, dass R2 und R4 eine nützliche und manchmal wesentliche Rolle spielen. Ich werde die R2-Version besprechen, da sie dieselbe wie die R4-Version ist, aber für diesen Fall etwas "reiner" (dh R1 wird irrelevant).

Wenn Vin ein offener Stromkreis ist, wird R2 von der Basis zur Masse angeschlossen. R1 hat keine Wirkung. base ERSCHEINT, ohne Signalquelle geerdet zu werden.
Der CB-Übergang ist jedoch effektiv eine in Sperrrichtung vorgespannte Siliziumdiode. Rückstrom fließt durch die CB-Diode in die Basis. Wenn kein externer Pfad zur Erde bereitgestellt wird, fließt dieser Strom über die in Durchlassrichtung vorgespannte Basis-Emitter-Diode zur Erde. Dieser Strom führt normalerweise zu einem Kollektorstrom von Beta x Icb-Leckstrom. Bei so geringen Strömen müssen Sie jedoch die zugrunde liegenden Gleichungen und / oder veröffentlichten Gerätedaten überprüfen. Ein BC337 - Datenblatt hier einen Icb - Cutoff von ca. 0,1 uA bei Vbe = 0.
Ice0 = Kollektorbasisstrom beträgt in diesem Fall ca. 200 nA.
Vc beträgt in diesem Beispiel 40 V, aber der Strom verdoppelt sich ungefähr pro 10 ° C Anstieg und diese Spezifikation liegt bei 25 ° C und der Effekt ist relativ spannungsunabhängig. Die beiden sind eng miteinander verbunden. Bei ungefähr 55 ° C können Sie 1 uA bekommen - nicht viel. Wenn Ic normalerweise 1 mA beträgt, ist 1 uA irrelevant. Wahrscheinlich.
Ich habe reale Schaltkreise gesehen, bei denen das Weglassen von R2 zu falschen Einschaltproblemen führte.
Mit R2 = 100k erzeugt 1 uA einen Spannungsanstieg von 0,1V und alles ist in Ordnung.

Auf die Gefahr, bei einer so umstrittenen Angelegenheit Treibstoff ins Feuer zu werfen, werde ich meine beiden Grütze dazugeben.

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

Konsultieren Sie wie immer die entsprechenden Datenblätter und gestalten Sie sie entsprechend.

$V_{BE}$$\mu$
$V_{BE}$$I_B$Wenn als wenn R2 nicht ist, aber der Effekt ist vernachlässigbar.

$\mu$ A. R4 hat nur dann eine Funktion, wenn der Pin des Mikrocontrollers Hi-Z ist.

Wegen des größeren Stroms für R4 als für R2 würde ich die linke Lösung vorziehen. Wenn ich R2 / R4 an erster Stelle platzieren würde. Was ich wahrscheinlich nicht tun würde.

Wie Steven und Russel hervorgehoben haben, sind Ihre beiden Fälle nahezu gleichwertig. Für einen normalen digitalen Logikausgang, der sowohl hoch als auch niedrig treibt, ist jedoch überhaupt kein Pulldown erforderlich. Dies ist, was ich denke, Telaclavo versuchte zu sagen, machte mich aber später in seinen Kommentaren nicht so sicher. Auf jeden Fall hat er seine Antwort nicht besonders gut bewertet und wenig Hintergrundinformationen gegeben.

Typische digitale CMOS-Logikausgänge weisen Transistoren auf, die die Leitung aktiv sowohl hoch als auch niedrig ansteuern. In diesem Fall ist ein einzelner Vorwiderstand ausreichend. Es wird ein Pulldown, wenn der Digitalausgang niedrig ist, da der Ausgang durch den Widerstand des Low-Side-FET, wenn er eingeschaltet ist, effektiv mit Masse verbunden wird. Dies hilft auch dabei, den NPN-Transistor schneller auszuschalten, da der Strom tatsächlich für eine kurze Zeit in Sperrrichtung durch den Basiswiderstand fließt, um etwas Ladung aus der Basis abzuleiten. Diese Ladung würde andernfalls "verbraucht", um zu bewirken, dass wesentlich mehr Ladung durch den Kollektor und den Emitter fließt.

In einigen Fällen benötigen Sie noch den Pulldown-Widerstand. Wenn der digitale Ausgang jemals hochohmig werden könnte, ist es eine gute Idee, die Basis durch etwas Positives an- oder auszuschalten. Beachten Sie, dass die meisten Mikrocontroller-Ausgänge nach dem Einschalten hochohmig sind. Abhängig vom Mikro und der Konfiguration kann es 10 Sekunden dauern, bis die Firmware den Port für das eine oder andere Laufwerk initialisieren kann. Wenn es darauf ankommt, dass der Transistor während dieser Einschaltzeit aufgrund von Störungen oder ähnlichem nicht aufleuchtet, benötigen Sie immer noch einen Pulldown.

Lassen Sie uns in der Perspektive behalten, was ein Basis-Pulldown- (oder Pullup-für-PNP-) Widerstand für einen Bipolartransistor wirklich bewirkt. Diese Geräte arbeiten mit Strom und nicht mit Spannung. Es muss Strom geben durch eine schwebende Basis fließen, um den Transistor einzuschalten. Kapazitive Kopplung mit Streusignalen kann zu erheblichen Spannungsänderungen an hochohmigen Knoten führen, der Strom ist jedoch normalerweise recht klein. Sofern der Transistor nicht am Rand der Leitung vorgespannt ist und was auch immer stromabwärts liegt, eine hohe Verstärkung aufweist, ist es unwahrscheinlich, dass ein kapazitiver Streuabgriff an der Basis den Transistor einschaltet. Natürlich können Sie Situationen finden, in denen dies der Fall ist, aber dies ist bei weitem nicht das Problem, das es mit den hochohmigen Gates eines MOSFET ist.

Stellen Sie sicher, dass die Transistorbasis nicht schwebend bleibt, wenn es darauf ankommt, ob der Transistor eingeschaltet ist oder nicht, es sei denn, Sie haben wirklich Platz- oder Budgetbeschränkungen. Aber wenn es zu einer Situation kommt, in der der zusätzliche Pulldown eine Rolle spielt, überlegen Sie genau, ob er wirklich benötigt wird. Berücksichtigen Sie dabei die Wahrscheinlichkeit, dass Streusignale genügend Strom durch die Basis fließen, um den Transistor einzuschalten, und die Folgen dieses Turnons .

Nur aus religiösen Gründen oder weil Sie gehört haben, dass es eine gute Idee ist, immer einen 10-kΩ-Pulldown zu verwenden, ist albern.

Reale Ergebnisse:

Eine grüne LED wurde teilweise durch den in Sperrrichtung vorgespannten CB-Leckstrom an einem 2N3904 beleuchtet, als die Basis getrennt wurde (oder 3 während des Rücksetzens angegeben wurde). Durch Hinzufügen eines Erdungspfads wird der CB-Leckstrom aus dem Basisbereich abgeleitet, und die LED war jetzt vollständig dunkel.

Kein Problem mit einer LED, aber wenn man von einem Motor sprechen würde, könnte es nach dem Zurücksetzen zu unerwünschten Ergebnissen durch ein unkontrolliertes Auslaufen kommen, selbst für kurze Zeit.

Der Widerstand R2 | R4 dient auch dazu, die Ladung aus dem Basisbereich zu entfernen, so dass das Umschalten von Sättigung zu Abschaltung schneller erfolgt. In diesem Fall ist der niedrigere Widerstand der linken Topologie (Widerstand R2 zwischen Basis und Masse) besser.

Wenn die Quelle für die Schaltung ein digitaler Ausgang ist, der immer sauber hoch oder niedrig zieht, ist kein Pulldown-Widerstand erforderlich, da jeder Widerstand so dimensioniert ist, dass er auch bei Verwendung genügend Strom durchläuft, um den Transistor zufriedenstellend einzuschalten Fünf-Volt-Logik (was bedeutet, dass sie 4,3 Volt sinkt) hat keine Probleme damit, eine annähernd vernünftige Menge an Kollektor-Basis-Leckage zu passieren.

Wenn die Quelle für die Schaltung ein digitaler Ausgang ist, der zwischen hoch und schwebend umschaltet, und wenn schwebend in "aus" übersetzt werden soll, wäre die erste Konfiguration unter Umständen, die "normale" BJTs und Logikpegel beinhalten, im Allgemeinen überlegen, wenn Bei Verwendung anderer Arten von Transistoren oder Logikpegeln gibt es Fälle, in denen die zweite besser wäre. Der Vorteil der ersten Konfiguration besteht darin, dass, wenn der "Ausschalt" -Widerstand so bemessen ist, dass er beim Kollektor-Basis-Leckstrom des Transistors um 0,5 Volt abfällt, die Menge des durch ihn fließenden Stroms nur um 40% zunimmt, wenn der Transistor dies soll eingeschaltet sein. Im Gegensatz dazu wird in der letzteren Konfiguration die gleiche 0,5-Volt-Annahme verwendet, wenn z. B. ein 3,3-Volt-Ausgang verwendet wird.

Die zweite Konfiguration funktioniert nur dann wirklich besser als die erste, wenn die Spannung eines "hohen" Logikausgangs kaum ausreicht, um den Transistor einzuschalten. In diesem Szenario stellt die zweite Schaltung die volle Spannung zur Verfügung, die von der Logik ausgegeben wird, um den Transistor einzuschalten. Im Gegensatz dazu würde die erste Schaltung die Spannung etwas senken. Bei Bipolartransistoren gibt es normalerweise so viel Spannungsspielraum, dass ein geringer Spannungsabfall keine Rolle spielt. Bei MOSFETs benötigt man jedoch manchmal die gesamte Spannung, die man bekommen kann. Außerdem kann man beim Ansteuern von MOFSETs mit einem größeren Vorwiderstand davonkommen, als dies bei Transistoren mit bipolarem Übergang der Fall wäre; weiter, je nachdem, was man fährt, Möglicherweise kann man die Widerstände in der zweiten Schaltung so dimensionieren, dass der Prozessorstift selbst dann keiner übermäßigen Spannung ausgesetzt wird, wenn der Transistor mit einem Drain-Gate-Kurzschluss ausfällt. Die erste Schaltung würde einen solchen Schutz nicht bieten.

Wenn es sich um eine kritische Anwendung handelt, bei der eine höhere Störfestigkeit erforderlich ist, wenn ein programmierbares Gerät (uC oder CPLD) zum Ansteuern des Signals verwendet wird, muss berücksichtigt werden, dass die Power-On-Reset-Bedingung solche Pins als Eingänge vor aktiven Ausgängen definiert. Ich würde dann einen Pull-Down-Widerstand einbauen, um Situationen zu vermeiden, die bei hoher EMI zu Störgeräuschen führen.

Keines von denen. Vergessen Sie den Pulldown-Widerstand. In beiden Fällen ist das Thevenin-Äquivalent zu dem, was die Basis des NPN auf der linken Seite sieht, eine Spannungsquelle und ein Vorwiderstand. Verwenden Sie also nur einen Widerstand in Reihe mit der Basis und wählen Sie ihn so, dass der Strom durch die Basis der von Ihnen gewünschte ist.