¿Protege el transistor NPN del voltaje negativo del emisor base?

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Tengo un circuito que convierte las señales de polaridad RS-232 de 5V (lógico 0 = + 5V, lógico 1 = -5V) a polaridad TTL de 3.3V (lógico 1 = 3.3V, lógico 0 = 0V) usando un transistor BC548.

Forma una compuerta NOT, de modo que cuando la salida RS-232 es alta, baja la salida y viceversa.

Como referencia, el dispositivo RS-232 (un receptor GPS) está transmitiendo a 9600bps y está conectado a un UART de Raspberry Pi.

Mi circuito se ve así:

Sin embargo, esta configuración hace que el transistor vea un voltaje de -5V a través de la unión del emisor base debido al voltaje negativo de la entrada RS-232. El BC548 tiene un Vbe máximo de -6V, pero me gustaría proteger el transistor minimizando cualquier voltaje negativo a través de la unión del emisor base.

Después de algunas búsquedas, encontré una publicación en los foros de Raspberry Pi que sugiere el siguiente circuito para proteger el transistor del voltaje negativo:

He construido el circuito y parece tener éxito: el voltaje Vbe más bajo es de alrededor de -0.5V. Mi multímetro digital solo se actualiza aproximadamente 5 veces por segundo y no tengo un osciloscopio para ver las cosas más claramente, pero anteriormente mostró el voltaje Vbe más bajo a alrededor de -5V.

Mis preguntas son las siguientes:

  1. ¿Por qué se coloca el diodo donde está? Si interpreto las cosas correctamente, significa que el Vbe más bajo sería el mismo que la caída directa del diodo y que habría un flujo de corriente desde tierra a través de la resistencia R1 hacia el pin de voltaje negativo RS-232. ¿No tendría más sentido colocar el diodo entre la entrada RS-232 y R1, o entre R1 y el transistor Q1, para bloquear el flujo de corriente en el pin?

  2. El esquema dice que use un diodo de alta velocidad 1N4148, que he usado. ¿Hay alguna desventaja en usar un 1N4001 en lugar de un 1N4148? 9600bps significa que cada bit tiene aproximadamente 100 uS de largo y el 1N4001 tiene un tiempo de recuperación inversa típico de 2 uS. El 1N4148 tiene un tiempo de recuperación inverso típico de 4nS, claramente el 1N4148 es más rápido en el cambio, pero ¿realmente hace una diferencia en este contexto?

heypete
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Respuestas:

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El diodo está en la mejor posición y es del tipo apropiado.

Conduce cuando la entrada es negativa, igual que la base del transistor que conduce cuando la entrada es positiva. La resistencia de 47K es aproximadamente 1/10 de una carga normal RS-232 . También se podría bloquear el voltaje, pero luego un pico de -100V (por ejemplo, ESD) podría romper el 1N4148 y romper la unión EB, causando daños irreversibles.

Además, un 1N4148 es un diodo apropiado para esta aplicación. Es un "diodo de conmutación", baja capacitancia y rápida recuperación inversa. Un 1N4001 también probablemente funcionaría bien, al menos a velocidades de transmisión lentas. La clasificación de 200 mA significa que incluso si apareciera un voltaje muy alto en la entrada, el transistor está completamente protegido, al menos hasta que la resistencia se arquee.

Spehro Pefhany
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Excelente. Gracias. ¿Habría alguna desventaja de colocar un segundo 1N4148 ("D2") entre la entrada RS-232 y R1, para evitar que el transistor vea algún voltaje negativo? Si D2 fallara en la situación que describe, D1 aún podría suministrar corriente al pin RS-232 a través de R1. ¿No protegería esto también el transistor?
heypete
Posiblemente podría ser una pequeña desventaja si el cable fuera largo y las velocidades en baudios altas porque la capacidad del cable se cargará a -5 o -10 en lugar de -0.5, pero aparte de eso, sin duda es un enfoque razonable. Como RS-232 está inactivo en '1' (-V), podría ahorrar energía en el extremo del transmisor.
Spehro Pefhany
La longitud total del cable es de aproximadamente 10 my la velocidad de transmisión es de solo 9600 bps, por lo que esperamos que la capacitancia del cable no sea un problema. Si no funciona, no es gran cosa, pero quería asegurarme de que no crearía una situación que pudiera provocar una falla catastrófica (como el escenario ESD que mencionó para el diodo de bloqueo de voltaje por sí mismo).
heypete
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Anexo: con D2 instalado, las cosas parecen funcionar bien y el Vbe es cero o positivo según mi medidor. Gracias de nuevo por tu ayuda.
heypete
Anexo adicional: existen chips que realizan la conversión de RS-232 a TTL de una manera mejor y más controlada y son baratos y pequeños. Un MAX3232, por ejemplo, requiere solo unos pocos condensadores externos pequeños y resuelve el problema con bastante elegancia.
heypete