¿Proteger el transistor NPN del voltaje negativo del emisor de base?

Tengo un circuito que convierte señales de polaridad RS-232 de 5 V (0 lógico = +5 V, 1 lógico = -5 V) a polaridad TTL de 3,3 V (1 lógico = 3,3 V, 0 lógico = 0 V) ​​usando un transistor BC548.

Forma una puerta 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) transmite a 9600 bps 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 -5 V en la unión base-emisor debido al voltaje negativo de la entrada RS-232. El BC548 tiene un Vbe máximo de -6 V, pero me gustaría proteger el transistor minimizando los voltajes negativos en la unión base-emisor.

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

Construí el circuito y parece tener éxito: el voltaje Vbe más bajo es de alrededor de -0.5V. Mi multímetro digital solo se actualiza unas 5 veces por segundo y no tengo un osciloscopio para ver las cosas con mayor claridad, pero anteriormente mostraba el voltaje Vbe más bajo alrededor de -5V.

Mis preguntas son estas:

  1. ¿Por qué el diodo está colocado 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 RS-232 de voltaje negativo. ¿No tendría más sentido colocar el diodo entre la entrada RS-232 y R1, o entre R1 y el transistor Q1, para bloquear cualquier flujo de corriente hacia 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? 9600 bps significa que cada bit tiene una longitud de aproximadamente 100 us y el 1N4001 tiene un tiempo de recuperación inverso típico de 2 us. El 1N4148 tiene un tiempo típico de recuperación inversa de 4 ns; claramente, el 1N4148 es más rápido en el cambio, pero ¿realmente hace una diferencia en este contexto?

Respuestas (1)

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

Conduce cuando la entrada es negativa, lo mismo que la base del transistor que conduce cuando la entrada es positiva. La resistencia de 47K es aproximadamente 1/10 de una carga RS-232 normal . También se podría bloquear el voltaje, pero luego un pico de -100 V (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", de baja capacitancia y rápida recuperación inversa. Es probable que un 1N4001 también funcione 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.

Excelente. Gracias. ¿Habría alguna desventaja de colocar un segundo 1N4148 ("D2") entre la entrada RS-232 y R1, para evitar que el transistor vea ningún voltaje negativo? Si D2 fallara en la situación que describe, entonces D1 aún podría suministrar corriente al pin RS-232 a través de R1. ¿No protegería esto también al transistor?
Posiblemente podría ser una pequeña desventaja si el cable fuera largo y las tasas de baudios altas porque la capacitancia del cable se cargará a -5 o -10 en lugar de -0.5, pero aparte de eso, ciertamente es un enfoque razonable. Dado que RS-232 está inactivo en '1' (-V), podría ahorrar energía en el extremo del transmisor.
La longitud total del cable es de aproximadamente 10 m y la velocidad en baudios es de solo 9600 bps, por lo que es de esperar que la capacitancia del cable no sea un problema. Si no funciona, no es gran cosa, pero quería asegurarme de no crear una situación que pudiera resultar en una falla catastrófica (como el escenario de ESD que mencionaste para el diodo de bloqueo de voltaje).
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.
Adición adicional: existen chips que realizan la conversión RS-232 a TTL de una manera mejor y más controlada y son económicos y pequeños. Un MAX3232, por ejemplo, requiere solo unos pocos condensadores externos pequeños y resuelve el problema con bastante elegancia.
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