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) mithilfe eines BC548-Transistors in 3,3-V-TTL-Polarität (logisch 1 = 3,3 V, logisch 0 = 0 V) ​​umwandelt.

Es bildet ein NICHT-Gatter, so dass es, wenn der RS-232-Ausgang hoch ist, den Ausgang niedrig zieht und umgekehrt.

Als Referenz sendet das RS-232-Gerät (ein GPS-Empfänger) mit 9600 bps und ist mit dem UART eines Raspberry Pi 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 alle negativen Spannungen am 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 sie scheint erfolgreich zu sein: Die niedrigste Vbe-Spannung liegt bei etwa -0,5 V. Mein Digitalmultimeter wird nur etwa 5 Mal pro Sekunde aktualisiert, und ich habe kein Oszilloskop, um die Dinge klarer zu sehen, aber es zeigte zuvor die niedrigste Vbe-Spannung bei etwa -5 V.

Meine Fragen sind folgende:

  1. Warum ist die Diode dort platziert, wo sie ist? Wenn ich die Dinge richtig interpretiere, bedeutet dies, dass die niedrigste Vbe mit dem Durchlassabfall der Diode identisch wäre und dass ein Stromfluss von Masse durch den Widerstand R1 in den RS-232-Pin mit negativer Spannung erfolgen würde. Wäre es nicht sinnvoller, die Diode zwischen dem RS-232-Eingang und R1 oder zwischen R1 und dem Transistor Q1 zu platzieren, um jeden Stromfluss in den Pin zu blockieren?

  2. Der Schaltplan besagt, dass eine 1N4148-Hochgeschwindigkeitsdiode verwendet werden soll, die ich verwendet habe. Gibt es einen Nachteil bei der Verwendung eines 1N4001 anstelle eines 1N4148? 9600 bps bedeutet, dass jedes Bit etwa 100 us lang ist und der 1N4001 eine typische Reverse-Recovery-Zeit von 2 us hat. Der 1N4148 hat eine typische Rückwärtswiederherstellungszeit von 4 ns - der 1N4148 schaltet eindeutig schneller, aber macht es in diesem Zusammenhang wirklich einen Unterschied?

Antworten (1)

Die Diode befindet sich in der besten Position und ist von geeignetem Typ.

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

Auch eine 1N4148 ist eine geeignete Diode für diese Anwendung. Es ist eine "Schaltdiode", niedrige Kapazität und schnelle Sperrverzögerung. Ein 1N4001 würde wahrscheinlich auch gut funktionieren, zumindest bei langsamen Baudraten. Die Nennleistung von 200 mA bedeutet, dass der Transistor auch dann vollständig geschützt ist, wenn am Eingang eine sehr hohe Spannung anliegt, zumindest bis zum Überschlag des Widerstands.

Exzellent. Danke dir. Wäre es ein Nachteil, einen zweiten 1N4148 ("D2") zwischen den RS-232-Eingang und R1 zu schalten, um zu verhindern, dass der Transistor überhaupt eine negative Spannung sieht? Wenn D2 in der von Ihnen beschriebenen Situation ausfallen würde, könnte D1 den RS-232-Pin weiterhin über R1 mit Strom versorgen. Würde das nicht auch den Transistor schützen?
Es könnte möglicherweise ein kleiner Nachteil sein, wenn das Kabel lang und die Baudraten hoch sind, weil die Kabelkapazität auf -5 oder -10 statt auf -0,5 aufgeladen wird, aber ansonsten ist es sicherlich ein vernünftiger Ansatz. Da RS-232 bei '1' (-V) im Leerlauf ist, könnte es am Senderende Strom sparen.
Die Gesamtkabellänge beträgt etwa 10 m und die Baudrate beträgt nur 9600 bps, sodass 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 ESD-Szenario, das Sie für die Spannungssperrdiode selbst erwähnt haben).
Nachtrag: Mit installiertem D2 scheinen die Dinge gut zu funktionieren und die Vbe ist laut meinem Messgerät entweder Null oder positiv. Nochmals vielen Dank für Ihre Hilfe.
Weiterer Nachtrag: Es gibt Chips, die die RS-232-zu-TTL-Konvertierung besser und kontrollierter durchführen und kostengünstig und klein sind. Ein MAX3232 beispielsweise benötigt nur wenige kleine externe Kondensatoren und löst das Problem recht elegant.
NPN-Transistor vor negativer Basis-Emitter-Spannung schützen?
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