Usar un PNP sobre un NPN para activar un solenoide

Estoy trabajando en un circuito que controla un solenoide mediante el uso de un Arduino. Una pregunta que tuve fue si había alguna ventaja en usar un transistor PNP sobre un transistor NPN. De la clase, sé que los PNP suelen ser mejores para tirar de los dispositivos hacia arriba y los NPN son mejores para tirar de los dispositivos hacia abajo, aunque no estoy seguro de por qué es así.

Como referencia, quiero usar un Arduino para controlar el transistor que activa el solenoide. Entonces, cuando el Arduino emite una señal ALTA, el solenoide debería activarse, y con una señal BAJA, no debería hacer nada. Después de buscar en línea, parece que un esquema general para eso se vería así (aparte del BJT):

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Parece que un NPN sería la mejor opción para este escenario, pero realmente no entiendo cómo conectar el solenoide a tierra lo activaría. Lógicamente, parece tener más sentido tener el solenoide conectado a tierra todo el tiempo, luego, cuando sea el momento de activar el solenoide, simplemente levante el solenoide con un PNP. Sin embargo, debido al comportamiento inverso de un PNP a un NPN, tomaría un poco más de trabajo que simplemente hacer que Arduino emita una señal ALTA.

Déjame ver. Los muchachos de EE generalmente prefieren NPN sobre PNP por muchas razones, incluidas las siguientes: (1) Por lo general, es más eficiente usar NPN, (a) resulta más económico debido a la producción en masa, (b) resulta en más tutoriales, referencias y compilación una espiral ascendente, mientras que PNP desciende en una espiral descendente. (2) por lo general, es más eficiente extraer una entrada y activar algo tirando hacia abajo (lo que se denomina activación/habilitación de bajo nivel). / continuar, ...
/ continuación, ... Es posible que desee hojear mi respuesta en las siguientes preguntas y respuestas para encontrar más respuestas a su pregunta: (1) ¿ Cómo usar correctamente un módulo de relé con JD-VCC de Arduino/Raspberry? Preguntado hace 4 meses, visto 1k veces electronics.stackexchange.com/questions/505318/… . Feliz aprendizaje. Salud.
I don't really understand how connecting the solenoid to ground would activate it... ¿por qué no entendería que conectar la parte inferior del solenoide a tierra completa el circuito y activa el solenoide?... el solenoide se conecta a través de los pines de la fuente de alimentación
Ah, estúpido, ni siquiera registré que el solenoide no estaba conectado a tierra de forma predeterminada, ¡gracias! También @tlfong01, gracias por todos los datos y el enlace. De hecho, he encontrado más documentación y casos en los que alguien usa un NPN sobre un PNP.
Rds(on) puede o no importar. Depende de si necesita control proporcional o solo encendido/apagado. Cuando importa, usaría un MOSFET en su lugar.
@ tlfong01 Deja de responder en la sección de comentarios . Las advertencias y la política están ahí por una razón. Podría haber escrito una respuesta larga en lugar de todos los comentarios que ha esparcido sobre esta pregunta y respuesta.
@pipe, muchas gracias por recordarnos las advertencias y la política. Salud.

Respuestas (6)

¿Alguna ventaja de usar un transistor PNP sobre un transistor NPN?

Es en gran parte una cuestión de economía y eficiencia. En general, por un precio fijo, los dispositivos NPN y de canal N pueden transportar más corriente, y por una capacidad de corriente fija, los dispositivos NPN y de canal N son más baratos. Por ejemplo, tome el 2N440x, TO-92, 600mA, 40V. El 4401 es NPN, $0.293; el 4403 es PNP, $0.299. Otros dispositivos pueden tener diferencias más dramáticas: brechas de precios más amplias o incluso disponibilidad solo en NPN y no en PNP.

Aparte de eso, toma una lectura a través de esto , por ejemplo. Los dispositivos NPN tienen una movilidad de portador de carga (electrones) más rápida; voltaje de referencia más conveniente (tierra) cuando está en la configuración más común, emisor común; y menos mueren área.

Veo los beneficios económicos, sin embargo, dado que no planeo usar mucho, realmente no se aplican tanto a mí. Disculpe si esto es un poco obvio, pero dado que los dispositivos NPN tienen una movilidad de portador de cargador más rápida, ¿significa esto que al activar el transistor, el solenoide se activará más rápido debido a una corriente más rápida? Además, no estoy muy seguro de qué significa menos área de troquel y voltaje de referencia conveniente. Si estuviera usando un PNP, ¿no estaría conectando el drenaje al solenoide y la fuente a una fuente de 12 V?
Para un solenoide, la diferencia de velocidad realmente no le importará; que exige una conmutación lenta y potente.
El área del troquel significa que, en una oblea de silicio física durante el proceso de fabricación, los dispositivos PNP son proporcionalmente más grandes. No siempre afectará el tamaño del paquete IC, pero afectará el costo ya que se pueden fabricar menos dispositivos PNP en una sola matriz.
En un circuito típico puede haber muchos rieles positivos, pero generalmente solo un riel negativo importante: tierra. En una configuración de emisor común (o fuente común, en tierra FET), los dispositivos de tipo N conectan su emisor a tierra, que a menudo está más disponible en diseños de PCB, o se comparte entre más subcircuitos que voltajes dispares como 3.3V, 5V , 12V, 24V, etc
@transienttoast, (2) Ah, el relé es en realidad un tipo ridículamente lento y puede cambiar como máximo a 10 Hz, es decir, 10 veces por segundo. Por otro lado, BJT NPN o PNP pueden cambiar fácilmente 1 millón de veces más rápido, es decir, del orden de 10 MHz. (2) No estoy seguro de su aplicación, pero podría considerar un MOSFET de potencia de canal N, por ejemplo, IRL540N, en lugar de un relé lento que requiere alrededor de 70 mA para cambiar. Un MOSFET de potencia puede manejar una corriente de conmutación mayor que un relé, y también muchas veces más rápido y, a menudo, más económico, más duradero, ocupa menos espacio y es más silencioso (sin sonido de clic). Pero yo, ok zoomer, ¡todavía amo el relevo! :)

Se trata principalmente de conveniencia.

La unidad de lado bajo, como la NPN que se muestra, puede controlarse directamente mediante niveles lógicos ordinarios, pero puede administrar un voltaje controlado más alto (como el +12 V que se muestra en el ejemplo).

Se puede usar un PNP (o P-FET) para cambiar en el lado alto, si el suministro del interruptor es igual o inferior al nivel lógico .

Ejemplo:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

De lo contrario, sigue leyendo.

Para voltajes más altos que los lógicos como el ejemplo, un PNP de accionamiento de lado alto necesita un cambiador de nivel (como otro NPN) para traducir el voltaje hacia arriba. La palanca de cambios asegura que la base del PNP se levante lo suficientemente alto como para apagar el dispositivo de manera confiable.

Ejemplo:

esquemático

simular este circuito

(Algunas notas. R3 no es estrictamente necesario, eleva la base Q1 hasta +12 cuando Q2 está apagado para mejorar la inmunidad al ruido. R2 debe dimensionarse en función de la corriente de saturación Q1 requerida).

Lo mismo ocurre con los MOSFET: un N-FET de lado bajo se puede cambiar con lógica; un P-FET de lado alto necesita un cambiador de nivel si está cambiando un voltaje más alto que el nivel lógico.

Y aquí está el interruptor del lado alto, con MOSFET:

esquemático

simular este circuito

Los NPN (y sus primos N-FET) ofrecen una capacidad de manejo de corriente algo mejor que los dispositivos de tipo P, pero solo un poco dada la tecnología de proceso moderna.

Solo se necesita un cambiador de nivel si hay un voltaje que no sea Vdd en el drenaje. Ese es el caso aquí (12V) pero no siempre será así.
¿Significa esto que cada vez que uso un microcontrolador como Arduino, debo tratar de usar siempre un transistor NPN en aplicaciones de conmutación debido a la simplicidad (es decir, control directo desde salidas lógicas versus palanca de cambios de nivel)?
@transienttoast si está cambiando el dispositivo eléctrico, use NPN, pero si está cambiando el dispositivo electrónico (p. ej., cambie la alimentación de la pantalla LCD/OLED), mejor use la conmutación de lado alto (PNP). En la configuración NPN y el estado apagado, la corriente fluirá desde la fuente de alimentación a GND a través de los pines de control/datos del dispositivo electrónico: una lección aprendida bastante costosa.
@tlfong01, ¿De dónde sacas esta imaginación desenfrenada? ¿Y ese sutil sentido del humor? ¿Quizás te inspira el pensamiento de Einstein sobre la imaginación :)?

Una lógica 'alta' o 'baja' es relativa a la polaridad de la referencia.

Si la referencia fuera negativa, 'alto' sería positivo y 'bajo' negativo.

Asimismo, si la referencia fuera positiva, 'baja' sería positiva y 'alta' negativa.

En el presente contexto, se usaría un transistor NPN, si la tierra fuera negativa.

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En consecuencia, se usaría un transistor PNP, si la tierra fuera positiva.

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La configuración es la misma en ambos casos.

Sin embargo, conectar el segundo a un Arduino no es tan simple.
Por supuesto, Brian. Pero, ¿por qué uno tendría que hacer eso?
Es simple, si ignora el símbolo de tierra que no tiene ningún propósito excepto hacer que el esquema sea confuso, y el Arduino tiene salidas de drenaje abierto. En ese caso, el uC puede tirar de la resistencia base hacia el terminal "-" o dejarla flotar.
Sí, es divertido pensar en lo que significa 'tierra', pero la realidad es que el PNP, como se muestra, sería el equivalente a la conmutación del lado alto si estuviera realmente conectado a un sistema de microcontrolador real, ya sabes, uno que tenga una conexión a tierra negativa .
@hacktastical El cambio de lado alto no es algo inusual, y si miras el esquema al revés, es exactamente un cambio de lado alto normal. Me equivoqué acerca de que el Arduino tiene salidas de drenaje abierto, pero estoy seguro de que puede pensar en algunos circuitos integrados que tienen salidas de drenaje abierto. Podrías haberlo señalado sin calificar mi observación de inútil , lo que sería un poco menos insultante.
@hacktastical, también pareces estar pasando por alto la parte de la pregunta en la que el cartel parece tener alguna superstición acerca de que las cosas están unidas al suelo. Quizá te olvidaste de cómo es aprender electrónica: disipar este tipo de supersticiones no tiene sentido .
El OP no implicaba tal cosa. Están preguntando sobre un tema muy simple: por qué la preferencia por el cambio de lado bajo, en el contexto de la interfaz de microcontroladores. Todo se reduce a cómo necesita sesgar el dispositivo para que funcione, ya sea NPN o PNP, N-FET o P-FET. El asunto de cambiar la referencia del suelo no solo es irrelevante, sino confuso.
@Phil Frost, creo que el único beneficio de usar el "símbolo de tierra confuso" es que facilita (2 veces) nuestro trabajo al describir el funcionamiento del circuito. Esto nos permite hablar de un voltaje (potencial) de un punto en lugar de diferencia entre dos puntos. Es como hablar en la vida de "longitud" en lugar de "altura" de un edificio. Es simple pero más formal y, en muchos casos, impide entender los circuitos. Frecuentemente elimino el símbolo de tierra para mostrar la idea básica detrás de circuitos tales como amplificador inversor, integrador, amplificador de transimpedancia, arreglo de arranque, etc.
Esto es para aclarar que mi respuesta solo se limita a la elección entre un transistor NPN o PNP, para un controlador de solenoide conectado a una salida Arduino. En este contexto, un transistor NPN solo sería adecuado. Por supuesto, uno podría verse obligado a conectar en cascada una etapa PNP de conmutación de lado alto, en caso de que una corriente de solenoide mucho más alta lo exija. Les agradezco a todos por sus útiles comentarios.
@hacktastical eres libre de interpretar la pregunta como quieras. Pero cuando eliges interpretarlo a tu manera y luego dices que la interpretación de los demás no tiene sentido , no estás siendo amable. Se agradece señalar errores, como la falta de salidas OD en el arduino. Minimizar las observaciones de los demás no lo es.

Lógicamente, parece tener más sentido tener el solenoide conectado a tierra todo el tiempo, luego, cuando sea el momento de activar el solenoide, simplemente levante el solenoide con un PNP.

¿Porqué es eso? Tenga en cuenta que el solenoide no "sabe" qué extremo está conectado a tierra. "Tierra" es un concepto que la gente inventó para simplificar la discusión sobre un circuito. Los componentes electrónicos no saben nada al respecto.

Su circuito podría redibujarse así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Ahora el solenoide está conectado a tierra todo el tiempo, pero este circuito es idéntico al de su pregunta. La elección de qué llamar "tierra" es arbitraria, y aunque esta elección en particular no es convencional y es confuso hablar de ella porque viola las convenciones de lo que es típicamente "tierra", es eléctricamente idéntica.

Esto se debe a que el "voltaje" mide la diferencia de potencial eléctrico , y debido a que su diferencia significa que no importa qué punto decidamos llamar "0V" o "tierra". Lo único que le importa al solenoide es que haya una diferencia de 12V entre sus terminales.

Ahora, por supuesto, podría construir el circuito con un PNP, así:

esquemático

simular este circuito

Algunos circuitos integrados (generalmente lógica digital) tienen salidas de drenaje abierto como esta, o puede reemplazar M1 con un MOSFET discreto o un transistor NPN. Algunos microcontroladores pueden tenerlos, pero el AVR de un Arduino no.

El único cambio realmente es que es posible que desee aumentar el valor de R1, ya que, de lo contrario, la corriente base sería mayor debido al voltaje adicional. Pero dada la explicación anterior sobre la naturaleza arbitraria del terreno, ¿hay alguna ventaja particular en esta solución?

Phil Frost, una emocionante historia sobre el suelo y sus variaciones... Por cierto, me alegro de verte de nuevo. ¿A dónde fuiste? SE EE necesita gente como tú, yo también :) Honestamente, una de las razones por las que vine aquí fuiste tú...
@Circuitfantasist He estado activo en ham.se últimamente. Solo tiempo para uno :)
Ay, los radioaficionados sois unos locos :)
No, no, no. No puede usar una salida OD de microcontrolador de esa manera. No son realmente de 'drenaje abierto' y, a menos que se especifique lo contrario, cualquier voltaje de E/S debe estar entre Vdd y Vss. El ejemplo que muestra destruiría la pieza, o al menos tendría una ruta de fuga entre la base Q1 y la plataforma de E/S.
@hacktastical No estoy seguro de que no haya microcontroladores que los tengan, pero tienes razón, el AVR que podría estar en un arduino no los tiene, así que toma nota.

Una de las razones por las que querría cambiar el 'lado alto' es impulsar una carga en una aplicación automotriz. A menudo, los controladores simplemente impulsan cargas con un solo cable, donde la ruta de retorno es una conexión a tierra del chasis. Es posible que no tenga la opción de controlar la tierra. En ese caso, los MOSFET de canal P o BJT PNP son más fáciles de usar que los dispositivos de canal N con arranque.

En ese caso, las unidades con cambio de nivel, como las que muestra @hacktastical en el segundo y tercer dibujo, se adaptarían muy bien.

A veces, el dominio del problema que está tratando de resolver limitará las soluciones que pondrá en práctica.

Aunque se ha dicho varias veces, intentaré decirlo aún más simple y claramente.

La simple verdad es que, en la mayoría de los casos, las fuentes de entrada y las siguientes cargas están conectadas con uno (negativo) de sus dos terminales al terminal negativo de la fuente de alimentación asignado como punto de referencia cero ("tierra"). El transistor también debe estar conectado a este punto con su "terminal negativa"; por lo que debe ser de tipo NPN.

Pero en ese circuito de interruptor de lado bajo en cuestión, la carga no está conectada al punto de referencia de tierra. Y su respuesta no dice por qué esta sería la "simple verdad".
@ilkkachu, Gracias por la respuesta. Me refiero al caso habitual de etapas en cascada donde la carga está conectada en paralelo al transistor. Realmente, aquí la carga está conectada en serie al transistor, pero eso no cambia las cosas sobre el transistor (está en el mismo lugar).
@Circuit fantasist, su mención de " etapas en cascada " y " la carga está conectada en paralelo al transistor " parece hacer las cosas más confusas. Sería bueno si puede describir su circuito con más detalle, o mejor aún, dibujar un esquema, lo cual será muy apreciado.
Estoy tratando de responder aquí a tu pregunta "¿ De dónde sacas esta imaginación desenfrenada? ¿Y ese sutil sentido del humor? ¿Quizás estás inspirado en el pensamiento de Einstein sobre la imaginación :)? La razón de no responder no es un comentario en la respuesta donde escribí mi historia de "imaginación" (en realidad una "predicción") parece haber desaparecido en el futuro. / para continuar, ...
@ tlfong01, mi respuesta fue más general: sobre un amplificador de etapas múltiples, donde la parte del emisor del colector de salida del transistor actual impulsa la unión del emisor de base de entrada del siguiente transistor que actúa como una carga a tierra. En realidad, he explicado por qué los transistores NPN, pero no los PNP, se usan ampliamente para construir amplificadores de transistores...
@Circuit fantasioso, ya veo. Entonces, se ha desviado un poco hacia los amplificadores analógicos que utilizan la topología push-pull. En realidad, los circuitos digitales también pueden hacer push-pull. Por lo general, clasifico las salidas del controlador/búfer digital BJT en tres tipos: (1) Colector abierto, hundimiento/extracción de corriente de la carga, (2) Colector común, suministro/empuje de corriente a la carga, (3) Push-Pull, puede hacer hundimiento/ tirar o fuente/empujar. Al OP le gustaría ver en mi respuesta de relé mencionada anteriormente, ejemplos de diferentes tipos de salida en el manejo de un relé. / continuar, ...
/ Continuación, ... (1) Amplificadores de clase B - Tutoriales de electrónica electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_6.html (2) Salida de colector abierto (corriente de sumidero de una carga) - Wikipedia en.wikipedia.org/wiki/ Open_collector (3) Salida de colector común (fuente de corriente a una carga) - Wikipedia en.wikipedia.org/wiki/Common_collector (4) Salida push-pull (puede hundirse o generar desde/hacia una carga) - Ecircuit Center ecircuitcenter.com/ Circuitos/pushpull/pushpull.htm . Salud.
@ tlfong01, eres una persona interesante con este razonamiento "filosófico"... Veo cierto parecido entre nosotros :) Simplemente no puedo estar de acuerdo con el término "coleccionista común". ¿Quizás "abastecimiento", "hundimiento" y "abastecimiento y hundimiento" es un determinante más apropiado que "colector abierto"?
(1) Pero colector abierto, emisor común, sumidero, fuente, etc., son términos "oficiales" utilizados por los profesionales. Es posible que desee ver este video Academia RSD - Colectores abiertos y resistencias pull up youtube.com/watch?v=BH3u8E2UfSo , para ver que otros profesionales están usando estos términos en una aplicación de uso de opAmp (Comparador) para activar un relé, explicando el uso de colector abierto, salida push/pull y resistencias pull up, etc.
Sobre mi razonamiento "filosófico", tengo una licenciatura en Filosofía e Historia, por lo que tengo un interés particular en usar el lenguaje humano para explicar cosas difíciles de explicar (OK, como Einstein) y mirar cosas en el pasado (PNP/NPN BJT) y predecir cosas en el futuro (Todos los MOSFET en 2035). Predecir cosas en el futuro cercano es muy importante para los profesionales de TI en la planificación estratégica y los negocios innovadores/de puesta en marcha. Ah, también tengo una maestría en Educación, así que soy interesados ​​en enseñar (o aprender juntos) de una manera amigable para los novatos, por ejemplo, entendiendo mediante el uso de metáforas. Quizás más adelante.
@tlfong01, Muy interesante... Me alegro de que haya gente como tú (y yo :) aquí... y que tengan el coraje de escribir de esa manera. Soy por vocación un inventor, un maestro y sobre todo un "pensador de circuito". Intento encontrar ideas básicas detrás de los circuitos... y me lleva años. Luego explico los circuitos construyéndolos (reinventándolos) paso a paso y mostrando su evolución. Lo hago usando explicaciones amigables para los humanos, analogías... y visualizando las cantidades eléctricas invisibles. Mis diagramas de circuitos son conceptuales pero luego muestro varias aplicaciones. Pero no puedo encontrar seguidores... ¿Por qué?
@tlfong01, decidí ver la película de "colección abierta" de la Academia RSD pero me decepcionó mucho, muchas palabras sin un propósito claro. Luego comencé a ver la siguiente película sobre el "divisor de voltaje" y quedé completamente decepcionado: nuevamente se habló mucho sin revelar la idea básica. Un ejemplo típico de la situación cuando alguien explica algo sin entender la filosofía que hay detrás...
Usar un PNP sobre un NPN para activar un solenoide
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