¿Qué configuración es mejor para bajar la base de un transistor NPN?

Question

Estaba discutiendo sobre las resistencias pull down con un colega mío. Aquí están las dos configuraciones para el transistor como un interruptor.

La señal de entrada puede proceder de un microcontrolador o de otra salida digital para accionar una carga, o de una señal analógica para dar una salida amortiguada desde el colector del transistor al microcontrolador.

A la izquierda, con Q1, está la configuración de mi colega. Él afirma que:

• Se necesita una resistencia de 10K directamente en la base para evitar que el Q1 se ponga en ON involuntariamente. Si se utiliza la configuración de la derecha, con Q1, entonces la resistencia será demasiado débil para tirar de la base.
• R2 también protege \$V_{BE}\$ de la sobretensión y dan estabilidad en caso de cambios de temperatura.
• R1 protege de la sobrecorriente a la base de Q1, y será una resistencia de mayor valor en caso de que la tensión de "uC-out" es alta (en el ejemplo +24V). Se va a formar un divisor de tensión, pero eso no importa ya que la tensión de entrada es lo suficientemente alta, ya.

A la derecha, con la Q2, está mi configuración. Creo que:

• Como la base de un transistor NPN no es un punto de alta impedancia como un MOSFET o un JFET, y el \$H_{FE}\$ del transistor es inferior a 500, y se necesitan al menos 0,6V para poner el transistor en ON, una resistencia pull-down no es crítica, y en la mayoría de los casos ni siquiera es necesaria.
• Si se va a poner una resistencia pull-down en la placa, entonces el valor de 10K exactos es un mito. Depende de tu presupuesto de energía. Una de 12K puede valer tanto como una de 1K.
• Si se utiliza la configuración de la izquierda, con Q1, se crea un divisor de tensión y puede crear problemas si la señal de entrada, que se utiliza para encender el transistor, es baja.

Así que, para aclarar las cosas, mis preguntas son:

1. ¿Es la resistencia pull-down de 10K una regla general que debe ¿se aplica siempre? ¿Qué hay que tener en cuenta para determinar el valor de una resistencia pull-down?
2. ¿Es realmente necesaria la resistencia pull-down en todas las aplicaciones? ¿En qué casos es necesaria la resistencia pull-down?
3. ¿Qué configuración prefiere y por qué? Si no hay ninguna, ¿cuál sería una configuración mejor?

Answer 1

Solución resumida:

• Las dos configuraciones son casi equivalentes.

• Cualquiera de los dos funcionaría igualmente bien en casi todos los casos.

• En una situación en la que uno fuera mejor que el otro, el diseño sería excesivamente marginal para el uso en el mundo real (ya que cualquier cosa tan crucial para que los dos se diferencien sustancialmente significa que la operación está "justo en el límite").

• \$R_{2}\$ ou \$R_{4}\$ son necesarios sólo cuando \$V_{in}\$ pueden ser de circuito abierto, y son una buena idea en ese caso. Los valores de hasta unos 100K probablemente estén bien en la mayoría de los casos. 10k es un buen valor seguro en la mayoría de los casos.

• Un efecto secundario en los transistores bipolares (al que he aludido en mi respuesta) significa que R2 y R4 pueden ser necesarios para hundir la corriente de fuga de polarización inversa Icb. Si esto no se hace, será transportada por la unión base-emisor y puede provocar el encendido del dispositivo. Este es un efecto genuino del mundo real que es bien conocido y bien documentado, pero no siempre bien enseñado en los cursos. Ver mi respuesta adicional.

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Caso de la mano izquierda:

• La tensión de accionamiento se reduce en \$\frac{10}{11}\$ , lo que significa un 9% menos.
• La base ve 10K a tierra, si la entrada está en circuito abierto.
• Si la entrada es BAJA, la base ve aproximadamente 1K a tierra. En realidad 1K//10K = esencialmente lo mismo.

Caso de la mano derecha:

• Accionamiento = 100% de \$V_{in}\$ se aplica a través de 1K.
• La base ve 10K a tierra si \$V_{in}\$ es un circuito abierto. (a diferencia de 11K).
• Si la entrada es LOW, la base ve 1K, que es esencialmente lo mismo.

R2 y R4 actúan para derivar la corriente de fuga de la base a tierra. Para los transistores de baja potencia o de pequeña señal, de hasta varios vatios de potencia, esta corriente es muy pequeña, y normalmente no encenderá el transistor, pero podría hacerlo en casos extremos, por lo que unos 100K serían suficientes para mantener la base BAJA.

Esto sólo se aplica si \$V_{in}\$ es un circuito abierto. Si \$V_{in}\$ está conectado a tierra, lo que significa que es BAJO, entonces R1 o R5 están de la base a tierra y R2 o R4 no son necesarios. Un buen diseño incluye estas resistencias si \$V_{in}\$ puede siempre estar en circuito abierto (por ejemplo, un pin del procesador durante el arranque puede estar en circuito abierto o indefinido).

He aquí un ejemplo en el que un "blip" muy corto debido a la flotación de un pin tuvo consecuencias importantes: Hace mucho tiempo, tenía un circuito que controlaba una unidad de cinta de datos de carrete abierto de 8 pistas. Cuando el sistema se encendía por primera vez, la cinta corría hacia atrás a gran velocidad y se desbocaba. Esto era "muy, muy, muy molesto". Se comprobó el código y no se encontró ningún fallo. Resultó que la unidad de puerto se convirtió en un circuito abierto cuando el puerto se inicializó, y esto permitió que la línea flotante fuera tirada en alto por la pletina, lo que puso un código de rebobinado en el puerto de cinta. ¡Se rebobinó! El código de inicialización no ordenaba explícitamente que la cinta se detuviera, ya que se suponía que ya estaba parada y no se pondría en marcha por sí misma. Añadir una orden explícita de parada significaba que la cinta se movía pero no se desenrollaba. (Cuenta con los dedos del cerebro - hmmm, hace 34 años. (Eso fue a principios de 1978 - ahora hace casi 38 años mientras edito esta respuesta). Sí, entonces teníamos microprocesadores. Sólo :-).

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Específicos:

Se necesita una resistencia de 10K directamente en la base para evitar que el Q1 se ponga en ON involuntariamente. Si se utiliza la configuración de la derecha, con Q1, entonces la resistencia será demasiado débil para tirar de la base.

¡No!

A efectos prácticos, 10K = 11K para el 99,8% de las veces, e incluso 100K funcionaría en la mayoría de los casos.

R2 también protege al VBE de la sobretensión y le da estabilidad en caso de cambios de temperatura.

No hay ninguna diferencia práctica en ambos casos.

R1 protege de la sobrecorriente a la base de Q1, y será una resistencia de mayor valor en caso de que la tensión de "uC-out" sea alta (en el ejemplo, +24V). Se va a formar un divisor de tensión, pero eso no importa, ya que la tensión de entrada ya es lo suficientemente alta.

Esto tiene cierto mérito.

R1 está dimensionado para proporcionar la corriente de accionamiento de base deseada, así que sí.

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

Como \$V_{BE}\$ baja y se diseña para una corriente más que suficiente, entonces:

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

\$I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}\$ - donde \$\beta\$ = ganancia de corriente.

Si \$\beta_{nominal} = 400\$ (por ejemplo, BC337-40 donde \$\beta =\$ 250 a 600) entonces diseñe para \$\beta \leq 100\$ a menos que haya razones especiales para no hacerlo.

Por ejemplo, si \$\beta_{nominal} = 400\$ entonces \$\beta_{design} = 100\$ .

Si \$Ic_{max} = 250mA \$ y \$V_{in} = 24V \$ entonces

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

Podríamos usar 10k, ya que la beta es conservadora, pero 8,2k o incluso 4,7k está bien.

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

Esto estaría bien con un \$\frac{1}{4}W\$ resistencia, pero 123mW puede no ser totalmente trivial, por lo que uno puede desea utilizar la resistencia de 10k en su lugar.

Tenga en cuenta que la potencia del colector conmutado = V x I = 24 x 250 = 6 vatios.

A la derecha, con la Q2, está mi configuración. Creo que:

Como la base de un transistor NPN no es un punto de alta impedancia como un MOSFET o un JFET, y la HFE del transistor es inferior a 500, y se necesitan al menos 0,6V para poner el transistor en ON, una resistencia pull-down no es crítica, y en la mayoría de los casos ni siquiera es necesaria.

Como en el caso anterior - más o menos, sí, PERO, la fuga de base te morderá a veces. Murphy dice que, sin el pull-down, disparará accidentalmente el cañón de patatas a la multitud justo antes del acto principal, pero que un pull-down de 10k a 100k le salvará.

Si se va a poner una resistencia pull-down en la placa, entonces el valor de 10K exactos es un mito. Depende de tu presupuesto de energía. Una de 12K estaría bien así como una de 1K.

¡Sí!
10k = 12k = 33k. 100k puede ser un poco alto.

Tenga en cuenta que todo esto se aplica sólo si Vin puede ir en circuito abierto.
Si Vin está alto o bajo o en cualquier punto intermedio entonces el camino a través de R1 o R5 dominará.

Si se utiliza la configuración de la izquierda, con Q1, se crea un divisor de tensión y puede crear problemas si la señal de entrada, que se utiliza para encender el transistor, es baja.

Sólo en casos muy, muy, muy, muy extremos como los mostrados.
$$ I_{R1} = \frac{V}{R} = \frac{V_{in}-V{be}}{R1} $$
$$ I_{R2} = \frac{V_{be}}{R_2} $$

Así que la fracción que R2 "robará" es

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

Si \$R_1 = 1k \$ , \$R2 = 10K\$ entonces $$\frac{R_1}{R_2} = 0.1 $$
y si \$V_{be} = 0.6V \$ , \$V_{in} = 3.6V \$ (para que las sumas sean más claras) entonces $$ \frac{V_{be}}{V_{in}-V_{be}} = \frac{0.6}{3.0} = 0.2 $$ Así que la fracción global de la unidad perdida es \$ 0.1 \times 0.2 = 0.02 = 2\% \$
es decir, incluso con 1k/10k la pérdida de impulso es mínima.

Si puedes juzgar a Beta y más de cerca que el 2% de pérdida de impulso importa, entonces deberías estar en el programa espacial.

• Los lanzadores orbitales trabajan con márgenes de seguridad de entre el 1% y el 2% en algunas áreas clave. Cuando la carga útil en órbita es del 3% al 10% de la masa de lanzamiento (o menos), cada % de margen de seguridad es un bocado de nuestro almuerzo. El último intento de lanzamiento orbital de Corea del Norte utilizó un margen de seguridad real del -1% al -2% en algún punto crítico, aparentemente, y "summat gang aglae". Están en buena compañía: los EE.UU. y la URSS perdieron muchos muchos lanzadores a principios de la década de 1960. Conocí a un hombre que construía misiles Atlas a principios. Qué diversión tenían. Un sistema ruso NUNCA produjo un lanzamiento exitoso - demasiado complejo). El Reino Unido lanzó un solo satélite.

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AÑADIDO

Se ha sugerido en los comentarios que

R2 y R4 nunca son necesarios, porque un NPN es un dispositivo controlado por la CORRIENTE. R2 y R4 sólo tendrían sentido para dispositivos controlados por VOLTAJE, como los MOSFETs

y

¿Cómo puede ser necesario un pull-down cuando la salida del MCU es hi-Z, y el transistor se controla por corriente?

Esta sugerencia, en varias formas, ha sido repetida por suficientes personas que vale la pena enfatizar.

• Si la base de un transistor bipolar se deja flotante, la realidad Y la información de la hoja de datos correspondiente demuestran que puede fluir una pequeña cantidad de corriente de colector en condiciones específicas.

• A continuación se describen las condiciones en las que esto suele ocurrir.

• He visto personalmente situaciones en el mundo real en las que este efecto causó problemas de encendido espurios.

• Si su peor situación, utilizando los parámetros del peor caso (no los típicos) de la hoja de datos, no cumple estas condiciones, y/o los resultados no le conciernen al peor caso, entonces un pull-down de base no es estrictamente esencial.

Hay un efecto secundario importante en los transistores bipolares que hace que R2 y R4 tengan un papel útil y a veces esencial. Hablaré de la versión R2, ya que es la misma que la versión R4 pero ligeramente "más pura" para este caso (es decir, R1 se vuelve irrelevante).

Si Vin está en circuito abierto, entonces R2 está conectado de la base a tierra y R1 no tiene ningún efecto. La base parece estar conectada a tierra, y no tiene ninguna fuente de señal. Sin embargo, la unión CB es efectivamente un diodo de silicio con polarización inversa. La corriente de fuga inversa fluirá a través del diodo CB hacia la base. Si no se proporciona una ruta externa a tierra, esta corriente fluirá a través del diodo base-emisor con polarización directa a tierra. Esta corriente resultará teóricamente en una corriente de colector de fuga Beta x Icb, pero a corrientes tan bajas que es necesario mirar las ecuaciones subyacentes y/o los datos publicados del dispositivo. A BC337 - hoja de datos aquí tiene un corte de Icb de aproximadamente 0,1 uA con Vbe = 0.
Ice0 = la corriente colector-base es de unos 200 nA en este caso.
Vc es 40V en ese ejemplo, pero la corriente se duplica aproximadamente por cada 10 grados C de aumento, y esa especificación es a 25C y el efecto es relativamente independiente del voltaje. Los dos están estrechamente relacionados. A unos 55C puedes obtener 1 uA - no mucho. Si la Ic habitual es de 1 mA, entonces 1 uA es irrelevante. Probablemente.
He visto circuitos del mundo real en los que la omisión de R2 causaba problemas de encendido espurios.
Con R2 = digamos 100K, entonces 1 uA producirá un aumento de tensión de 0,1V y todo está bien.

Answer 2

A riesgo de echar leña al fuego de una cuestión tan controvertida, añadiré mi granito de arena.

El PO menciona "otra salida digital" o una "señal analógica" como posible señal de conducción. A riesgo de decir lo que es obvio, los valores de las resistencias deben elegirse de manera que la fuente de accionamiento garantice el encendido del transistor y fuera en las peores condiciones. Si el \$V_{OL(MAX)}\$ de la fuente es mayor que 0,6V, R4 sí será necesario. Este podría ser el caso, por ejemplo, si la fuente de conducción es un op-amp sin salida rail-to-rail, o una salida de transistor digital con un alto voltaje de saturación. Del mismo modo, R1 y R2 deben elegirse de manera que la corriente de base del transistor sea suficiente para encender el transistor con la fuente a \$V_{OH(MIN)}\$ .

Como siempre, consulte las fichas técnicas correspondientes y diseñe en consecuencia.

Answer 3

La izquierda parece que proporciona un divisor de tensión para bajar la tensión de base, pero no es cierto: la tensión de base es sólo \$V_{BE}\$ o alrededor de 0,65V para corrientes bajas. R2 sólo provocará una corriente ligeramente superior de la salida del microcontrolador, pero a 65 \$\mu\$ A no hay que preocuparse. Y sí, R2 tirará de la base hacia abajo si el pin del microcontrolador es Hi-Z. Añádelo si te tranquiliza, aunque los transistores no empiezan a conducir si no se aplica tensión a la base.
Con los cambios actuales de R2 en \$V_{BE}\$ causará menos cambios en \$I_B\$ que cuando no hay R2, pero el efecto es insignificante.

En la derecha R4 sólo provoca un recorrido de corriente innecesario desde el pin de salida a tierra. Esta será mayor que la que verá R2, si el microcontrolador funciona a 5V será de 500 \$\mu\$ A. R4 sólo tiene una función si el pin del microcontrolador es Hi-Z.

Debido a la mayor corriente para R4 que para R2 preferiría la solución de la izquierda. Si colocara R2/R4 en primer lugar. Lo que probablemente no haría.

Answer 4

Como han señalado Steven y Russel, sus dos casos son casi equivalentes. Sin embargo, para una salida lógica digital normal que conduce tanto a alto como a bajo, no se necesita un pulldown en absoluto. Esto es lo que creo que Telaclavo intentaba decir, pero luego me hizo no estar tan seguro en sus comentarios. En cualquier caso, no calificó muy bien su respuesta y no dio muchos antecedentes.

Las salidas lógicas digitales CMOS típicas tienen transistores que conducen la línea de forma activa tanto en alto como en bajo. En ese caso, una sola resistencia en serie está bien. Se convierte en un pulldown cuando la salida digital es baja, ya que la salida estará efectivamente ligada a tierra por la resistencia del FET del lado bajo cuando está encendido. Esto también ayuda a apagar el transistor NPN más rápidamente ya que la corriente fluirá en sentido inverso a través de la resistencia de base durante un corto tiempo para drenar algo de carga de la base. Esta carga, de otro modo, se "agotaría" provocando un flujo de carga significativamente mayor a través del colector y el emisor.

En algunos casos todavía se necesita la resistencia de pulldown. Si la salida digital puede llegar a una alta impedancia, entonces tener algo que impulse positivamente la base de encendido o apagado es una buena idea. Tenga en cuenta que la mayoría de las salidas de los microcontroladores comienzan con alta impedancia después del encendido. Dependiendo del micro y de cómo lo tengas configurado, podrían pasar 10s de ms antes de que el firmware pueda inicializar el puerto para conducir de una manera u otra. Si importa que el transistor no se encienda durante este tiempo de encendido debido a fallos o lo que sea, entonces todavía necesitas un pulldown.

Dicho esto, mantengamos en perspectiva lo que una resistencia de pulldown de base (o pullup para PNP) realmente hace para un transistor bipolar. Estos dispositivos funcionan con corriente, no con tensión. Tiene que haber actual a través de una base flotante para encender el transistor. El acoplamiento capacitivo a las señales parásitas puede causar una tensión cambia en los nodos de alta impedancia, pero la corriente suele ser bastante pequeña. A menos que el transistor esté polarizado en el borde de la conducción y lo que sea que esté aguas abajo tenga alta ganancia, no es probable que la captación capacitiva perdida en la base encienda el transistor. Por supuesto, se pueden dar situaciones en las que sí lo haga, pero esto no es ni de lejos el problema que es con las puertas de alta impedancia de un MOSFET.

A no ser que estés realmente limitado por el espacio o el presupuesto, asegúrate de alguna manera de que la base del transistor no quede flotando cuando importe si el transistor está encendido o no. Pero si se da una situación en la que el pulldown extra es un problema, piénsalo bien y decide si es realmente necesario, teniendo en cuenta la probabilidad de que las señales parásitas pasen suficiente corriente por la base para encender el transistor y las consecuencias de ese encendido.

Solo usar siempre un pulldown de 10 kΩ por razones relgiosas o porque escuchaste que era una buena idea es una tontería.

Answer 5

Resultados en el mundo real:

Un LED verde se encendió parcialmente por la corriente de fuga CB de polarización inversa en un 2N3904 cuando la base se desconectó (o se puso en 3 estados durante el reinicio). La adición de un camino a tierra desvía la corriente de fuga CB fuera de la región de la base, y el LED estaba ahora completamente oscuro.

No es un problema con un LED, pero si se tratara de un motor, podría haber resultados indeseables de un funcionamiento incontrolado después del reinicio, incluso durante un corto período de tiempo.

La resistencia R2 | R4 también sirven para ayudar a eliminar la carga de la región de la base, para que el cambio de saturación a corte sea más rápido. En este caso, la menor resistencia de la topología de la izquierda (resistencia R2 entre la base y la tierra) es mejor.