NPNトランジスタのベースをプルダウンするのに適した構成はどれですか？

私は同僚とプルダウン抵抗について議論していました。スイッチとしてのトランジスタの2つの構成を次に示します。

入力信号は、負荷を駆動するためのマイクロコントローラまたは別のデジタル出力から、またはトランジスタのコレクタからマイクロコントローラへのバッファされた出力を与えるアナログ信号からのいずれかです。

左側のQ1には、同僚の構成があります。彼は次のように述べています。

• Q1が意図せずにオンになるのを防ぐために、10Kの抵抗がベースに直接必要です。右側のQ1の構成を使用すると、抵抗が弱すぎてベースを引き下げることができなくなります。
• R2はまた、を過電圧から保護し、温度が変化した場合に安定性を与えます。$V_{BE}$
• R1はQ1のベースへの過電流から保護し、電圧"uC-out"が高い場合（たとえば+ 24V）には大きな値の抵抗になります。分圧器が形成されますが、すでに入力電圧が十分に高いので、それは問題ではありません。

右側のQ2では、私の構成です。私は思う：

• NPNトランジスタのベースは、MOSFETやJFETのような高インピーダンスポイントではなく、トランジスタのは500未満であり、トランジスタをオンにするには少なくとも0.6Vが必要であるため、プルダウン抵抗重要ではなく、ほとんどの場合、必要さえありません。$H_{FE}$
• プルダウン抵抗をボードに配置する場合、正確な10Kの値は神話です。それはあなたの電力バジェットに依存します。12Kでも1Kで十分です。
• 左側のQ1の構成を使用すると、分圧器が作成され、トランジスタをオンにするために使用される入力信号が低い場合に問題が発生する可能性があります。

だから、物事を明確にするために、私の質問は次のとおりです。

1. 10Kプルダウン抵抗は、毎回適用すべき経験則ですか？プルダウン抵抗の値を決定する際に考慮すべきことは何ですか？
2. すべてのアプリケーションでプルダウン抵抗は本当に必要ですか？どのような場合にプルダウン抵抗が必要ですか？
3. どの構成を選択しますか、またその理由は何ですか？ない場合、より良い構成は何でしょうか？

要約ソリューション：

• 2つの構成はほぼ同等です。

• いずれもほぼすべての場合に等しく機能します。

• 一方が他方より優れている状況では、設計は実際の使用には過度に限界になります（2つを実質的に異なるものにするために非常に重要なことは、操作が「すぐに」行われることを意味します）。。

• または R 4は、 V i nが開回路になり得る場合にのみ必要です。その場合、それらは良い考えです。ほとんどの場合、最大で約100Kの値で十分です。ほとんどの場合、10kは安全な値です。$R_{2}$$R_{4}$$V_{in}$

• バイポーラトランジスタの二次的な効果（これは私の答えで示唆した）は、Icb逆バイアスリーク電流をシンクするためにR2とR4が必要になる可能性があることを意味します。これが行われない場合、BEジャンクションによって運ばれ、デバイスがオンになる可能性があります。これは本物の現実世界の効果であり、よく知られ、文書化されていますが、コースで常に十分に教えられているわけではありません。追加の回答を参照してください。

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左手ケース：

• 駆動電圧が10減る、つまり9％少ないことを意味します。 $\frac{10}{11}$
• 入力がオープン回路の場合、ベースはグランドに対して10Kを認識します。
• 入力がLOWの場合、ベースはグラウンドに対して約1Kを認識します。実際には1K // 10K =基本的に同じです。

右手のケース：

• ドライブ= 100％が1K経由で適用されます。 $V_{in}$
• が開回路の場合、ベースはグランドに対して10Kを認識します。（11Kとは対照的に）。 $V_{in}$
• 入力がLOWの場合、baseは1Kを認識しますが、これは基本的に同じです。

R2とR4は、ベースリーク電流をグランドにシャントするように機能します。低電力または小信号のジェリービーントランジスタ（定格数ワットまで）の場合、この電流は非常に小さく、通常はトランジスタをオンにしませんが、極端な場合にはそうなる可能性があります。 。

これは、が開回路の場合のみ適用されます。場合Vは、I NがLOWである手段、接地され、その後、R1またはR5は、ベースからグランドにあり、R2またはR4は不要です。場合グッドデザインは、これらの抵抗を含んでV I Nがあり、これまで（起動中など、プロセッサのピンがオープン回路または未定義でもよい）、オープン回路であっても。$V_{in}$$V_{in}$$V_{in}$

これは、ピンの浮きによる非常に短い「ブリップ」が大きな結果をもたらした例です。非常に長い時間前に、8トラックのオープンリールデータテープドライブを制御する回路がありました。システムの電源を最初に入れたとき、テープは高速で逆方向に実行され、デスプールされました。これは「非常に非常に迷惑です」。コードがチェックされ、障害は見つかりませんでした。ポートが初期化されるとポートドライブが開回路になり、テープデッキによってフローティングラインがハイにプルされ、テープポートに巻き戻しコードが配置されることが判明しました。巻き戻しました！初期化コードは、テープが既に停止しており、それ自体では開始されないと想定されていたため、テープに停止するように明示的に命令しませんでした。明示的な停止コマンドを追加することは、テープがけいれんするが、デスプールしないことを意味しました（脳の指で数える-うーん34年前。（それは1978年のまさに始まりでした-今から約38年前にこの答えを編集しています）。はい、当時はマイクロプロセッサがありました。ただ:-)。

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詳細：

Q1が意図せずにオンになるのを防ぐために、10Kの抵抗がベースに直接必要です。右側のQ1の構成を使用すると、抵抗が弱すぎてベースを引き下げることができなくなります。

いや！

実用的な目的で10K = 11Kは99.8％の時間であり、ほとんどの場合、100Kでも機能します。

また、R2はVBEを過電圧から保護し、温度が変化した場合に安定性を提供します。

どちらの場合も実用的な違いはありません。

R1はQ1のベースへの過電流から保護し、「uC-out」からの電圧が高い場合（たとえば+ 24V）、より大きな値の抵抗になります。分圧器が形成されますが、すでに入力電圧が十分に高いので、それは問題ではありません。

いくつかのメリット。

R1は、必要なベース駆動電流を提供するように設計されています。

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

同様に低い、あなたはその後、十分な電流以上の設計：$V_{BE}$

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

ここで、β=電流ゲイン。 $I_{base \ desired} >> \frac{Ic}{\beta}$$\beta$

もし（例えばBC337-40ここでβ = 600から250）、その後の設計β ≤ 100 ないように特別な理由がない限り。 $\beta_{nominal} = 400$$\beta =$$\beta \leq 100$

例えば、もし次いで、β D E S I G N = 100。 $\beta_{nominal} = 400$$\beta_{design} = 100$

もし及びV iがN = 24 V次いで$Ic_{max} = 250mA$$V_{in} = 24V$

Rb=

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

ベータ版は保守的ですが、8.2kまたは4.7kでも大丈夫なので、10kを使用できます。

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

これは1で大丈夫です抵抗器ですが、123mWは完全に自明ではない場合があるため、代わりに10kの抵抗器を使用することをお勧めします。$\frac{1}{4}W$

スイッチコレクタ電力= V x I = 24 x 250 = 6ワットであることに注意してください。

右側のQ2では、私の構成です。私は思う：

NPNトランジスタのベースは、MOSFETやJFETのような高インピーダンスポイントではなく、トランジスタのHFEは500未満であり、トランジスタをオンにするには少なくとも0.6Vが必要なので、プルダウン抵抗は重要ではありません。 、ほとんどの場合は必要ありません。

上記のように、はい、そうです。すなわち、ベース漏れは時々あなたを噛みます。マーフィーによると、プルダウンを使用しないと、メインアクトの直前に誤ってポテトキャノンが群衆に向けて発射されますが、10kから100kのプルダウンはあなたを救います。

プルダウン抵抗をボードに配置する場合、正確な10Kの値は神話です。それはあなたの電力バジェットに依存します。12Kでも1Kで十分です。

はい！
10k = 12k = 33k。100kが少し高くなる場合があります。
これはすべて、Vinが開路できる場合にのみ適用されることに注意してください。
Vinが高いか低いか、またはその間のいずれかの場合、R1またはR5を通るパスが優位になります。

左側のQ1の構成を使用すると、分圧器が作成され、トランジスタをオンにするために使用される入力信号が低い場合に問題が発生する可能性があります。

示されているように、非常に非常に非常に極端な場合のみ。
IR2=V b

$$I_{R1} = \frac{V}{R} = \frac{V_{in}-V{be}}{R1}$$
$$I_{R2} = \frac{V_{be}}{R_2}$$

したがって、R2が「スチール」する割合は

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

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

$$\frac{R_1}{R_2} = 0.1$$
$V_{be} = 0.6V$$V_{in} = 3.6V$ $$\frac{V_{be}}{V_{in}-V_{be}} = \frac{0.6}{3.0} = 0.2$$ $0.1 \times 0.2 = 0.02 = 2\%$

ベータ版と2％のドライブ損失が問題になるほど密接に判断できる場合は、宇宙プログラムに参加する必要があります。

• オービタルランチャーは、一部の主要エリアで1％から2％の範囲の安全マージンで動作します。軌道へのペイロードが打ち上げ質量の3％から10％（またはそれ以下）である場合、安全マージンのすべての％が昼食から少しずつ消費されます。最新の北朝鮮の軌道打ち上げの試みでは、-1％から-2％の実際の安全マージンを使用し、明らかに「サマーギャングアグラエ」と言われています。1960年代初頭、米国とソ連は多くの多くのランチャーを失いました。アトラスミサイルを早くから構築していた男を知っていました。楽しかった。あるロシアのシステムは、打ち上げの成功を決して生み出しませんでした。複雑すぎます。

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追加されました

コメントで提案されている

NPNは電流制御デバイスであるため、R2とR4は必要ありません。R2とR4は、MOSFETなどの電圧制御デバイスでのみ意味を持ちます

そして

MCU出力がhi-Zであり、トランジスタが電流で制御されている場合、どのようにプルダウンが必要ですか？「誰」とは言わなかった。OK。「なぜ」と言いたくないのですか？

バイポーラトランジスタには重要な二次的な影響があり、R2とR4が有用で、時には不可欠な役割を果たします。R2バージョンはR4バージョンと同じですが、この場合は少し「純粋」です（つまり、R1は無関係になります）。

Vinが開回路の場合、R2はベースからグランドに接続されます。R1は効果がありません。ベースは信号源なしで接地されるように見えます。
ただし、CB接合は事実上逆バイアスシリコンダイオードです。逆リーク電流は、CBダイオードを通ってベースに流れます。グランドへの外部経路が提供されていない場合、この電流は、順方向バイアスのベースエミッタダイオードを介してグランドに流れます。この電流は、概念上、ベータx Icbリークのコレクタ電流になりますが、このような低電流では、基礎となる方程式や公開されたデバイスデータを確認する必要があります。 BC337-ここのデータシートには、Vbe = 0で約0.1 uAの Icbカットオフがあり
ます。この場合、Ice0 =コレクターベース電流は約200 nAです。
この例ではVcは40Vですが、電流は10°C上昇するごとに約2倍になり、その仕様は25Cであり、効果は比較的電圧に依存しません。2つは密接に関連しています。約55cで、1 uAを得ることができます-それほどではありません。通常のIcが1 mAの場合、1 uAは無関係です。多分。
R2を省略すると、スプリアスターンオンの問題が発生する実際の回路を見てきました。
R2 = 100kとすると、1 uAで0.1Vの電圧上昇が発生し、すべて正常です。

このような非常に論争の多い問題の火に燃料を投げる危険性があるので、私は2つのひき割りの価値を追加します。

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

相変わらず、適切なデータシートを参照し、それに応じて設計してください。

$V_{BE}$$\mu$
$V_{BE}$$I_B$

$\mu$

R2よりR4の方が電流が大きいため、私は左のソリューションを好むでしょう。最初にR2 / R4を配置する場合。私はおそらくそうしないでしょう。

スティーブンとラッセルが指摘したように、あなたの2つのケースはどちらもほぼ同等です。ただし、ハイとローの両方を駆動する通常のデジタルロジック出力の場合、プルダウンはまったく必要ありません。これは、テラクラボが言いたかったことだと思いますが、後で彼のコメントで私は確信が持てませんでした。いずれにせよ、彼は自分の答えをあまりよく修飾せず、多くの背景を与えませんでした。

一般的なCMOSデジタルロジック出力には、ラインをアクティブにハイとローの両方で駆動するトランジスタがあります。その場合、単一の直列抵抗で十分です。デジタル出力が低い場合、プルダウンになります。これは、出力がオンのときにローサイドFETの抵抗によって効果的にグランドに接続されるためです。これはまた、NPNトランジスタをより速くオフにするのに役立ちます。これは、電流が実際にベース抵抗を逆方向に短時間流れて、ベースから電荷を排出するためです。さもなければ、この電荷は、コレクターとエミッターを通してかなり多くの電荷が流れるようになると「使い果たされ」ます。

場合によっては、引き続きプルダウン抵抗が必要です。デジタル出力が高インピーダンスになる可能性がある場合、ベースをオンまたはオフに積極的に駆動するものを用意することをお勧めします。ほとんどのマイクロコントローラ出力は、電源投入後に高インピーダンスで開始することに注意してください。マイクロとその設定方法によっては、ファームウェアがポートを初期化して何らかの方法でドライブできるようになるまでに数十ミリ秒かかる場合があります。グリッチなどが原因でこのパワーアップ時間中にトランジスタがオンになってはいけないことが重要な場合は、プルダウンが必要です。

それはすべて、ベースプルダウン（またはPNPの場合はプルアップ）抵抗がバイポーラトランジスタに対して実際に行うことを理解してみましょう。これらのデバイスは、電圧ではなく電流で動作します。トランジスタをオンにするには、フローティングベースを通る電流が必要です。浮遊信号への容量性結合は、高インピーダンスのノードで大幅な電圧変化を引き起こす可能性がありますが、通常、電流はごくわずかです。伝導の端でトランジスタがバイアスされており、下流にあるものが高利得でない限り、ベース上の浮遊容量性ピックアップはトランジスタをオンにする可能性がありません。もちろん、それが起こる状況を思いつくことができますが、これはMOSFETの高インピーダンスゲートにある問題に近いものではありません。

本当にスペースや予算に制約されている場合を除き、トランジスタがオンであるかどうかに関係なく、トランジスタのベースがフローティングにならないようにしてください。ただし、余分なプルダウンが問題になる状況が発生した場合は、慎重に考えて、本当に必要かどうかを判断し、トランジスタをオンにするのに十分な電流をベースに流す浮遊信号の可能性とそのターンオンの結果を念頭に置いてください。

反抗的な理由や、良いアイデアだと聞いたために、常に10kΩのプルダウンを使用するのはばかげています。

実際の結果：

緑色のLEDは、ベースが切断された（またはリセット中にトライステートになった）2N3904の逆バイアスCBリーク電流によって部分的に点灯しました。グランドへのパスを追加すると、CBリーク電流がベース領域から分流し、LEDは完全に暗くなりました。

LEDの問題ではありませんが、モーターと言われた場合、短い時間であっても、リセット後の制御不能な暴走から望ましくない結果が生じる可能性があります。

抵抗R2 | R4はベース領域から電荷を除去するのにも役立ち、飽和からカットオフへの切り替えがより高速になります。この場合、左側のトポロジ（ベースとグランドの間の抵抗R2）の抵抗が低いほど優れています。

回路へのソースが常にきれいに高くまたは低くプルするデジタル出力である場合、プルダウン抵抗は必要ありません。抵抗を使用する場合でも、トランジスタを十分にオンにするのに十分な電流を通すサイズです。 5ボルトのロジック（4.3ボルトを落とすことを意味します）は、コレクターベースの漏れの遠隔的に合理的な量を通過するのに問題がありません。

回路へのソースがハイとフローティングを切り替えるデジタル出力であり、フローティングが「オフ」に変換されることになっている場合、「通常の」BJTと論理レベルを含む状況では、最初の構成が一般的に優れています他のタイプのトランジスタまたはロジックレベルを使用すると、2番目の方が優れている場合があります。最初の構成の利点は、「ターンオフ」抵抗がトランジスターのコレクターベースの漏れ電流で0.5ボルトをドロップするようにサイズ設定されている場合、トランジスターが流れるはずの電流が40％だけ増加することです。オンにします。対照的に、後者の構成では、同じ0.5ボルトの仮定を使用して、たとえば3.3ボルトの出力を使用している場合、

2番目の構成が最初の構成よりもうまく機能するのは、「高」ロジック出力の電圧がトランジスタをオンにするのにかろうじて十分な場合だけです。そのシナリオでは、2番目の回路は、トランジスターをオンにするためのロジックによる全電圧出力を利用可能にします。対照的に、最初の回路では電圧がいくらか低下します。バイポーラ接合トランジスタでは、通常、電圧マージンが非常に大きいため、わずかな電圧降下は問題になりません。ただし、MOSFETを使用する場合は、取得できるすべての電圧が必要な場合があります。さらに、MOFSETを駆動する場合、バイポーラ接合トランジスタで使用するよりも大きな直列抵抗で回避できます。さらに、運転しているものに応じて、トランジスタがドレインとゲートの短絡で故障した場合でも、プロセッサピンが過度の電圧にさらされないように、2つ目の回路の抵抗のサイズを調整できる場合があります。最初の回路はそのような保護を提供しません。

信号を駆動するために使用されるプログラマブルデバイス（uCまたはCPLD）でより高いノイズ耐性が必要な重要なアプリケーションである場合、パワーオンリセット条件がアクティブな出力の前にそのようなピンを入力として定義することを考慮する必要があります。そこで、高いEMIが存在する状況での浮遊ノイズトリガーの状況を避けるために、プルダウン抵抗を含めます。

そのなかで何も。プルダウン抵抗は忘れてください。2つのケースの両方で、NPNのベースが左に見るものに相当するテブナンは、電圧源と直列抵抗です。そのため、ベースと直列の抵抗のみを使用し、ベースを通る電流が目的のものになるように選択します。