Cấu hình nào tốt hơn để kéo xuống cơ sở của bóng bán dẫn NPN?

Tôi đã thảo luận về việc kéo xuống điện trở với một đồng nghiệp của tôi. Dưới đây là hai cấu hình cho bóng bán dẫn như một công tắc.

Tín hiệu đầu vào có thể đến từ một vi điều khiển hoặc một đầu ra kỹ thuật số khác để truyền tải hoặc từ tín hiệu tương tự để đưa ra một đầu ra được đệm từ bộ thu của bóng bán dẫn đến vi điều khiển.

Ở bên trái, với Q1, là cấu hình của đồng nghiệp của tôi. Anh ấy khẳng định rằng:

• Một điện trở 10K là cần thiết trực tiếp trong cơ sở để ngăn Q1 vô tình bật ON. Nếu cấu hình bên phải, với Q1, được sử dụng, thì điện trở sẽ quá yếu để kéo chân đế xuống.
• R2 cũng bảo vệ $V_{BE}$ khỏi quá điện áp và ổn định trong trường hợp thay đổi nhiệt độ.
• R1 bảo vệ khỏi quá dòng đến cơ sở của Q1 và sẽ là điện trở có giá trị lớn hơn trong trường hợp điện áp từ "uC-out"cao (ví dụ + 24 V). Sẽ có một bộ chia điện áp được hình thành, nhưng điều đó không quan trọng vì điện áp đầu vào đã đủ cao rồi.

Ở bên phải, với Q2, là cấu hình của tôi. Tôi nghĩ vậy:

• Vì cơ sở của bóng bán dẫn NPN không phải là điểm trở kháng cao như MOSFET hoặc JFE và của bóng bán dẫn nhỏ hơn 500 và cần ít nhất 0,6V để bật bóng bán dẫn, điện trở kéo xuống là không quan trọng, và trong hầu hết các trường hợp thậm chí không cần thiết.$H_{FE}$
• Nếu một điện trở kéo xuống sẽ được đặt vào bảng, thì giá trị của 10K chính xác là một huyền thoại. Nó phụ thuộc vào ngân sách quyền lực của bạn. 12K sẽ làm tốt cũng như 1K.
• Nếu cấu hình bên trái, với Q1, được sử dụng, thì bộ chia điện áp được tạo và có thể gây ra sự cố nếu tín hiệu đầu vào, được sử dụng để chuyển đổi bóng bán dẫn ON, ở mức thấp.

Vì vậy, để làm rõ mọi thứ, câu hỏi của tôi là:

1. Là điện trở kéo xuống 10K có phải là quy tắc mà tôi nên áp dụng mọi lúc không? Những điều cần xem xét khi xác định giá trị của điện trở kéo xuống là gì?
2. Là điện trở kéo xuống thực sự cần thiết trong mọi ứng dụng? Trong trường hợp nào điện trở kéo xuống là cần thiết?
3. Bạn thích cấu hình nào và tại sao? Nếu không, điều gì sẽ là một cấu hình tốt hơn?

Giải pháp tóm tắt:

• Hai cấu hình gần tương đương.

• Hoặc là sẽ làm việc tốt như nhau trong hầu hết các trường hợp.

• Trong một tình huống mà một cái tốt hơn cái kia thì thiết kế sẽ quá mức cho việc sử dụng trong thế giới thực (vì bất cứ điều gì rất quan trọng để làm cho hai cái khác biệt đáng kể có nghĩa là hoạt động là "ngay trên rìa"). .

• $R_{2}$ hoặc$R_{4}$ chỉ cần thiết khi$V_{in}$ có thể mở mạch, trong trường hợp đó chúng là một ý tưởng tốt. Giá trị lên tới khoảng 100K có thể là OK trong hầu hết các trường hợp. 10k là một giá trị an toàn tốt trong hầu hết các trường hợp.

• Một hiệu ứng thứ cấp trong các bóng bán dẫn lưỡng cực (mà tôi đã nói đến trong câu trả lời của tôi) có nghĩa là R2 và R4 có thể cần thiết để đánh chìm dòng rò ngược dòng Icb. Nếu điều này không được thực hiện thì nó sẽ được mang theo đường giao nhau và có thể khiến thiết bị bật. Đây là một hiệu ứng thế giới thực được biết đến và được ghi nhận tốt nhưng không phải lúc nào cũng được dạy tốt trong các khóa học. Xem thêm câu trả lời của tôi.

Trường hợp tay trái:

• Điện áp ổ đĩa giảm $\frac{10}{11}$ , có nghĩa là ít hơn 9%.
• Cơ sở nhìn thấy 10K xuống đất, nếu đầu vào là mạch mở.
• Nếu đầu vào là THẤP, thì cơ sở nhìn thấy khoảng 1K để tiếp đất. Thực tế 1K // 10K = về cơ bản là giống nhau.

Trường hợp tay phải:

• Ổ đĩa = 100% được áp dụng thông qua 1K. $V_{in}$
• Cơ sở nhìn thấy 10K xuống đất nếu là mạch hở. (trái ngược với 11K). $V_{in}$
• Nếu đầu vào là THẤP, cơ sở nhìn thấy 1K, về cơ bản là giống nhau.

R2 và R4 hành động để giảm dòng rò cơ sở xuống đất. Đối với các bóng bán dẫn sứa công suất thấp hoặc tín hiệu nhỏ, lên đến vài mức Watts, dòng điện này rất nhỏ và thường sẽ không bật bóng bán dẫn, nhưng nó chỉ có thể trong trường hợp cực đoan - vì vậy, nói rằng 100K thường đủ để giữ mức cơ bản THẤP .

Điều này chỉ áp dụng nếu là mạch hở. Nếu V i n được nối đất, có nghĩa là nó THẤP, thì R1 hoặc R5 là từ cơ sở đến mặt đất và R2 hoặc R4 là không cần thiết. Thiết kế tốt bao gồm các điện trở này nếu V i n có thể$V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$ bao giờ được mở mạch (ví dụ như một pin xử lý trong quá trình khởi động có thể được mở mạch hoặc không xác định).

Đây là một ví dụ trong đó một "đốm sáng" rất ngắn do pin nổi là hậu quả lớn: Cách đây rất lâu, tôi có một mạch điều khiển ổ đĩa băng dữ liệu cuộn 8 rãnh. Khi hệ thống lần đầu tiên được bật, băng sẽ chạy ngược lại ở tốc độ cao và despool. Điều này là "rất rất rất rất khó chịu". Mã đã được kiểm tra và không có lỗi được tìm thấy. Hóa ra ổ đĩa cổng đã mở mạch khi cổng khởi tạo và điều này cho phép đường nổi được kéo lên cao bởi sàn băng đặt mã tua lại trên cổng băng. Nó tua lại! Mã khởi tạo không ra lệnh dừng băng một cách rõ ràng vì người ta cho rằng nó đã bị dừng và sẽ không tự khởi động. Thêm một lệnh dừng rõ ràng có nghĩa là băng sẽ co giật nhưng không phải là despool. (Đếm trên ngón tay của não - hmmm 34 năm trước. (Đó là vào đầu năm 1978 - bây giờ gần 38 năm trước khi tôi chỉnh sửa câu trả lời này). Vâng, chúng tôi đã có bộ vi xử lý sau đó. Chỉ :-).

Cụ thể:

Một điện trở 10K là cần thiết trực tiếp trong cơ sở để ngăn Q1 vô tình bật ON. Nếu cấu hình bên phải, với Q1, được sử dụng, thì điện trở sẽ quá yếu để kéo chân đế xuống.

Không!

10K = 11K cho các mục đích thực tế 99,8% thời gian và thậm chí 100k sẽ hoạt động trong hầu hết các trường hợp.

R2 cũng bảo vệ VBE khỏi quá điện áp và ổn định trong trường hợp thay đổi nhiệt độ.

Không có sự khác biệt thực tế trong cả hai trường hợp.

R1 bảo vệ khỏi quá dòng đến cơ sở của Q1 và sẽ là điện trở có giá trị lớn hơn trong trường hợp điện áp từ "uC-out" cao (ví dụ + 24 V). Sẽ có một bộ chia điện áp được hình thành, nhưng điều đó không quan trọng vì điện áp đầu vào đã đủ cao rồi.

Một số công đức.

R1 được định kích thước để cung cấp dòng ổ cơ sở mong muốn nên có.

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

Vì thấp và bạn thiết kế cho quá nhiều hiện tại, sau đó:$V_{BE}$

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

- nơi$I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$$\beta$ = tăng hiện tại.

Nếu (ví dụ BC337-40 nơi β = 250-600) sau đó thiết kế cho β ≤ 100 trừ khi có những lý do đặc biệt không. $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

Ví dụ, nếu sau đó β d e s i g n = 100 . $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

Nếu và V i n = 24 V thì$Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$

Rb=

Chúng tôi có thể sử dụng 10k, vì beta là bảo thủ nhưng 8.2k hoặc thậm chí 4.7k là ok.

Điều này sẽ ổn với Điện trở 4 Wnhưng123mW có thể không hoàn toàn tầm thường nên người tacó thểmuốn sử dụng điện trở 10k thay thế.$\frac{1}{4}W$

Lưu ý rằng công suất bộ thu đã chuyển = V x I = 24 x 250 = 6 Watts.

Ở bên phải, với Q2, là cấu hình của tôi. Tôi nghĩ vậy:

Vì cơ sở của bóng bán dẫn NPN không phải là điểm trở kháng cao như MOSFET hoặc JFE và HFE của bóng bán dẫn nhỏ hơn 500 và cần ít nhất 0,6V để bật bóng bán dẫn, nên điện trở kéo xuống không quan trọng và trong hầu hết các trường hợp thậm chí không cần thiết.

Như trên - sắp xếp, vâng, NHƯNG. tức là rò rỉ cơ sở đôi khi sẽ cắn bạn. Murphy nói rằng nếu không kéo xuống, nó sẽ vô tình bắn đại bác khoai tây vào đám đông ngay trước khi hành động chính, nhưng việc kéo xuống từ 10k đến 100k sẽ cứu bạn.

Nếu một điện trở kéo xuống sẽ được đặt vào bảng, thì giá trị của 10K chính xác là một huyền thoại. Nó phụ thuộc vào ngân sách quyền lực của bạn. 12K sẽ làm tốt cũng như 1K.

Vâng!
10k = 12k = 33k. 100k CÓ THỂ nhận được một chút cao.
Lưu ý rằng tất cả điều này chỉ áp dụng nếu Vin có thể mở mạch.
Nếu Vin cao hoặc thấp hoặc bất cứ nơi nào ở giữa thì đường đi qua R1 hoặc R5 sẽ chiếm ưu thế.

Nếu cấu hình bên trái, với Q1, được sử dụng, thì bộ chia điện áp được tạo và có thể gây ra sự cố nếu tín hiệu đầu vào, được sử dụng để chuyển đổi bóng bán dẫn ON, ở mức thấp.

Chỉ trong những trường hợp rất rất rất rất cực đoan như được hiển thị.
IR2=V b

Vì vậy, phần mà R2 sẽ "đánh cắp" là

IR

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

Nếu bạn có thể đánh giá Beta và chặt chẽ hơn đến mức mất 2% ổ đĩa thì bạn nên tham gia chương trình không gian.

• Các bệ phóng quỹ đạo hoạt động với tỷ lệ an toàn trong phạm vi 1% - 2% ở một số khu vực chính. Khi tải trọng của bạn lên quỹ đạo là 3% đến 10% khối lượng phóng của bạn (hoặc ít hơn) thì mỗi% biên độ an toàn là một cú cắn trong bữa trưa của chúng tôi. Nỗ lực phóng quỹ đạo mới nhất của Bắc Triều Tiên đã sử dụng tỷ lệ an toàn thực tế từ -1% đến -2% ở một nơi nào đó quan trọng, rõ ràng và "triệu tập băng đảng". Họ đang ở trong một công ty tốt - US và USSR đã mất rất nhiều bệ phóng vào đầu những năm 1960. Tôi biết một người đàn ông đã từng chế tạo tên lửa atlas từ rất sớm. Họ đã có những gì vui vẻ. Một hệ thống của Nga KHÔNG BAO GIỜ tạo ra một vụ phóng thành công - quá phức tạp.) Vương quốc Anh đã phóng một vệ tinh từng FWIW.

THÊM

Nó đã được đề xuất trong các ý kiến ​​rằng

R2 và R4 không bao giờ cần thiết, vì NPN là thiết bị được điều khiển HIỆN TẠI. R2 và R4 sẽ chỉ có ý nghĩa đối với các thiết bị được điều khiển bằng VOLTAGE, như MOSFET

và

Làm thế nào có thể cần kéo xuống khi đầu ra MCU là hi-Z và bóng bán dẫn được điều khiển bởi dòng điện? Bạn đã không nói "ai". Được. Bạn cũng không muốn nói "tại sao"?

Có một hiệu ứng thứ cấp quan trọng trong các bóng bán dẫn lưỡng cực dẫn đến R2 và R4 có vai trò hữu ích và đôi khi cần thiết. Tôi sẽ thảo luận về phiên bản R2 vì nó giống với phiên bản R4 nhưng hơi "tinh khiết" hơn trong trường hợp này (tức là R1 trở nên không liên quan).

Nếu Vin là mạch hở thì R2 được kết nối từ cơ sở xuống đất. R1 không có hiệu lực. CÁC NỀN TẢNG cơ sở được nối đất không có nguồn tín hiệu.
Tuy nhiên, ngã ba CB thực sự là một diode silicon phân cực ngược. Dòng rò ngược sẽ chảy qua diode CB vào đế. Nếu không có đường dẫn bên ngoài tới mặt đất được cung cấp thì dòng điện này sau đó sẽ chảy qua đi-ốt phát ra cơ sở phân cực thuận xuống đất. Dòng điện này về cơ bản sẽ dẫn đến một dòng thu của rò rỉ Beta x Icb nhưng ở dòng điện thấp như vậy, bạn cần xem xét các phương trình cơ bản và / hoặc dữ liệu thiết bị được công bố. Một BC37 - bảng dữ liệu ở đây có mức cắt Icb khoảng 0,1 uA với Vbe = 0.
Ice0 = dòng cơ sở collector là khoảng 200 nA trong trường hợp này.
Vc là 40V trong ví dụ đó nhưng dòng điện tăng gấp đôi trên 10 độ C và thông số đó ở 25C và hiệu ứng tương đối độc lập với điện áp. Hai người có liên quan chặt chẽ. Ở khoảng 55c bạn có thể nhận được 1 uA - không nhiều. Nếu Ic thông thường là 1 mA thì 1 uA là không liên quan. Có lẽ.
Tôi đã thấy các mạch trong thế giới thực trong đó thiếu sót của R2 gây ra các vấn đề về bật giả.
Với R2 = nói 100k thì 1 uA sẽ tạo ra điện áp tăng 0,1V và tất cả đều ổn.

Có nguy cơ ném nhiên liệu vào lửa của một vấn đề gây tranh cãi cao như vậy, tôi sẽ thêm hai giá trị của mình.

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

Như mọi khi, tham khảo các bảng dữ liệu phù hợp và thiết kế phù hợp.

$V_{BE}$$\mu$
$V_{BE}$$I_B$ hơn khi không có R2, nhưng hiệu quả không đáng kể.

$\mu$ A. R4 chỉ có chức năng nếu chân của vi điều khiển là Hi-Z.

Do dòng điện lớn hơn cho R4 so với R2, tôi thích giải pháp bên trái hơn. Nếu tôi sẽ đặt R2 / R4 ở vị trí đầu tiên. Mà tôi có lẽ sẽ không.

Như Steven và Russel đã chỉ ra, cả hai trường hợp của bạn đều gần tương đương nhau. Tuy nhiên, đối với đầu ra logic kỹ thuật số thông thường, điều khiển cả cao và thấp, bạn hoàn toàn không cần kéo xuống. Đây là những gì tôi nghĩ Telaclavo đã cố gắng nói, nhưng sau đó khiến tôi không chắc lắm trong những bình luận của anh ấy. Trong mọi trường hợp, anh ta không đủ điều kiện trả lời của mình rất tốt và không đưa ra nhiều nền tảng.

Các đầu ra logic kỹ thuật số CMOS điển hình có các bóng bán dẫn điều khiển dòng tích cực cả cao và thấp. Trong trường hợp đó một điện trở loạt duy nhất là tốt. Nó trở thành một pulldown khi đầu ra kỹ thuật số thấp vì đầu ra sẽ được gắn chặt với mặt đất bởi điện trở của FET bên thấp khi bật. Điều này cũng giúp tắt bóng bán dẫn NPN nhanh hơn vì dòng điện thực sự sẽ chảy ngược lại qua điện trở cơ sở trong một thời gian ngắn để rút điện tích ra khỏi đế. Khoản phí này nếu không sẽ bị "sử dụng hết" trong việc gây ra nhiều điện tích hơn đáng kể để truyền qua bộ thu và bộ phát.

Bạn vẫn cần điện trở kéo xuống trong một số trường hợp. Nếu đầu ra kỹ thuật số có thể trở thành trở kháng cao, thì có một cái gì đó tích cực điều khiển cơ sở bật hoặc tắt là một ý tưởng tốt. Lưu ý rằng hầu hết các đầu ra vi điều khiển bắt đầu ở trở kháng cao sau khi khởi động. Tùy thuộc vào vi mô và cách bạn đã cấu hình, có thể là 10 giây trước khi phần sụn có thể khởi tạo cổng để lái theo cách này hay cách khác. Nếu vấn đề là bóng bán dẫn không được bật trong thời gian bật nguồn này do trục trặc hoặc bất cứ điều gì, thì bạn vẫn cần giảm tốc.

Như đã nói, chúng ta hãy theo dõi những gì một điện trở kéo xuống cơ sở (hoặc pullup cho PNP) thực sự làm gì cho một bóng bán dẫn lưỡng cực. Các thiết bị này hoạt động trên hiện tại, không phải điện áp. Phải có hiện tại thông qua một cơ sở nổi để bật bóng bán dẫn. Khớp điện dung với tín hiệu đi lạc có thể gây ra thay đổi điện áp đáng kể trên các nút trở kháng cao, nhưng dòng điện thường khá nhỏ. Trừ khi bóng bán dẫn bị lệch trên cạnh dẫn và bất cứ thứ gì ở hạ lưu đều có mức tăng cao, thì bộ thu điện dung đi lạc trên đế không có khả năng bật bóng bán dẫn. Tất nhiên bạn có thể đưa ra các tình huống xảy ra, nhưng đây không phải là vấn đề với các cổng trở kháng cao của MOSFET.

Trừ khi bạn thực sự bị hạn chế về không gian hoặc ngân sách, bằng cách nào đó hãy đảm bảo rằng đế của bóng bán dẫn không bị nổi khi nó quan trọng cho dù bóng bán dẫn có bật hay không. Nhưng nếu một tình huống xuất hiện trong đó sự cố giảm tốc thêm là một vấn đề, hãy suy nghĩ cẩn thận và quyết định xem nó có thực sự cần thiết hay không, hãy lưu ý đến khả năng các tín hiệu đi lạc đặt đủ dòng điện để bật bóng bán dẫn và hậu quả của sự quay vòng đó .

Chỉ cần luôn luôn sử dụng một kéo xuống 10 kΩ vì những lý do đáng tin cậy hoặc bởi vì bạn nghe nói đó là một ý tưởng tốt là ngớ ngẩn.

Kết quả thực tế:

Một đèn LED màu xanh lá cây được thắp sáng một phần bởi dòng rò CB phân cực ngược trên 2N3904 khi đế bị ngắt kết nối (hoặc 3-nêu trong khi đặt lại). Thêm một đường dẫn xuống đất sẽ đẩy dòng rò CB ra khỏi vùng cơ sở và đèn LED giờ đã hoàn toàn tối.

Không phải là vấn đề với đèn LED, nhưng có thể nói là một động cơ, có thể có kết quả không mong muốn từ việc bỏ chạy không kiểm soát sau khi đặt lại, ngay cả trong một khoảng thời gian ngắn.

Điện trở R2 | R4 cũng phục vụ để giúp loại bỏ phí từ khu vực cơ sở, do đó việc chuyển từ bão hòa sang cắt giảm nhanh hơn. Trong trường hợp này, điện trở thấp hơn của cấu trúc liên kết bên trái (điện trở R2 giữa cơ sở và mặt đất) là tốt hơn.

Nếu nguồn tới mạch sẽ là đầu ra kỹ thuật số sẽ luôn luôn kéo cao hoặc thấp một cách sạch sẽ, thì không cần điện trở kéo xuống, vì bất kỳ điện trở nào có kích thước đi qua đủ dòng để bật bóng bán dẫn một cách thỏa đáng ngay cả khi sử dụng logic năm volt (có nghĩa là nó giảm 4,3 volt) sẽ không gặp khó khăn khi đi qua bất kỳ lượng rò rỉ cơ sở thu hợp lý nào từ xa.

Nếu nguồn tới mạch sẽ là đầu ra kỹ thuật số chuyển đổi giữa mức cao và mức nổi và nếu nổi được cho là dịch thành "tắt", thì cấu hình đầu tiên nói chung sẽ vượt trội hơn trong các trường hợp liên quan đến mức độ logic và thông thường của BJT, mặc dù khi sử dụng các loại bóng bán dẫn hoặc mức logic khác, có những trường hợp thứ hai sẽ tốt hơn. Ưu điểm của cấu hình đầu tiên là nếu điện trở "tắt" có kích thước giảm 0,5 volt ở dòng rò cơ sở thu của bóng bán dẫn, thì dòng điện bị lãng phí đi qua nó sẽ chỉ tăng 40% khi bóng bán dẫn được cho là được bật Ngược lại, trong cấu hình sau, sử dụng cùng một giả định 0,5 volt, nếu một người đang sử dụng, ví dụ như một đầu ra 3,3 volt,

Lần duy nhất cấu hình thứ hai thực sự hoạt động tốt hơn lần đầu tiên là khi điện áp của đầu ra logic "cao" không đủ để bật bóng bán dẫn. Trong kịch bản đó, mạch thứ hai tạo ra đầu ra điện áp đầy đủ bằng logic có sẵn để bật bóng bán dẫn. Ngược lại, mạch đầu tiên sẽ giảm điện áp phần nào. Với các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực, thường có biên độ điện áp lớn đến mức giảm điện áp nhẹ sẽ không thành vấn đề. Tuy nhiên, với MOSFET, đôi khi người ta cần tất cả điện áp người ta có thể nhận được. Hơn nữa, khi lái MOFSET, người ta có thể thoát ra với một điện trở loạt lớn hơn so với người ta sử dụng với các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực; hơn nữa, tùy thuộc vào những gì một người đang lái xe, người ta có thể điều chỉnh kích thước các điện trở trong mạch thứ hai sao cho ngay cả khi bóng bán dẫn bị hỏng với cổng thoát nước, nó sẽ không để chân của bộ xử lý tiếp xúc với điện áp quá mức. Các mạch đầu tiên sẽ không cung cấp bảo vệ như vậy.

Nếu đó là một ứng dụng quan trọng trong đó bạn cần miễn nhiễm nhiễu hơn với thiết bị lập trình (uC hoặc CPLD) đang được sử dụng để điều khiển tín hiệu, người ta phải xem xét rằng điều kiện đặt lại bật nguồn xác định các chân đó làm đầu vào trước khi đầu ra hoạt động. Vì vậy, sau đó tôi sẽ bao gồm một điện trở kéo xuống để tránh các tình huống kích hoạt tiếng ồn đi lạc với sự hiện diện của EMI cao.

Không một ai trong số họ. Hãy quên đi các điện trở kéo xuống. Trong cả hai trường hợp của bạn, Thevenin tương đương với những gì mà cơ sở của NPN nhìn thấy, ở bên trái của nó, là một nguồn điện áp và một điện trở nối tiếp. Vì vậy, chỉ sử dụng một điện trở nối tiếp với cơ sở, và chọn nó để dòng điện qua cơ sở là thứ bạn muốn.