Преобразователь RS232-RS485, Покритикуйте, пожалуйста, схему Опции

[haker_fox]

Здравствуйте, уважаемые коллеги!
Покритикуйте, пожалуйста, решение в приложенном пдфе) Вроде бы ничего сложного там нет, но все-таки. Буду сразу печатку делать, не хотелось бы потом мучаться
Спасибо заранее!

Прикрепленные файлы

 Schematic_Prints.pdf ( 17.06 килобайт ) Кол-во скачиваний: 538

 

[haker_fox]

Добрый день еще раз)
Перед тем, как делать печатную плату, могу я пропросить уважаемое сообщество окинуть опытным взгядом сию схему?)
Это гальваническая развязка для USART TTL <-> RS485. Сделана по мотивам предыдущей схемы (в этой ветке).
К разъему P1 будет подключен ARM. Сразу "ножками". Симулировал схему в MicroCAP. Больше всего беспокоил узел на транзисторе Q1. Но на частотах до 115200 проблем не вижу.

Общие земли напряжений +5V и OPTO_VCC_3V3.

Заранее спасибо большое!

Прикрепленные файлы

 Schematic_Prints.pdf ( 15.23 килобайт ) Кол-во скачиваний: 140

 

[Сергей Борщ]

окинуть опытным взгядом сию схему?)

Смущает номинал R3. Падение на нем будет не более падения на переходе база-эмиттер, т.е. в худшем случае для этого транзистора около 0.8в. Таким образом, при подаче лог. нуля на 4 ногу разъема основной закрывающий ток будет течь через R2, а R3 фактически будет работать только после включения питания, пока 4 нога в Z-состоянии (а возможно ваш ARM имеет подтяжку при сбросе, тогда от R3 вообще пользы никакой). Т.е. свою основную функцию - ускорение закрывания транзистора, R3 не выполняет.
При полностью открытом транзисторе падение напряжения на нем согласно даташиту - 0.2в, на диоде оптрона - 1.2в, при этом ток через светодиод получается порядка (3.3-0.2-1.2)/120 = ~ 16мА. Транзистор при таком токе имеет коэф. усиления в худшем случае 100, т.е в базу надо вдуть 16/100 ~ 160мкА. Если снизить сопротивление R3 раз в 20, т.е до 620 Ом, для получения такого тока базы через R1 должен течь ток 1.6*10^-4 + (0.8/620) = ~ 1.4мА, т.е. сопротивление R2 должно быть (3.3-0.8)/1.4*10^-3 = ~1.8К. С такими номиналами и закрываться транзистор будет быстрее, и ток от процессора по 4 ноге потреблять меньше чем при ваших номиналах. По-моему так!

U3B, несомненно, перегружен.

Почему? Падение на светодиоде оптрона - 1.2в, ток через него - (5-1.2)/680 = 5.6мА, падение на желтом светодиоде - 1.6в в лучшем случае, ток через него - (5-1.6)/330 = 10мА, итого суммарный ток 15мА. Нормальный ток, до перегрузки далеко.

[=AK=]

Смущает номинал R3. Падение на нем будет не более падения на переходе база-эмиттер, т.е. в худшем случае для этого транзистора около 0.8в. Таким образом, при подаче лог. нуля на 4 ногу разъема основной закрывающий ток будет течь через R2, а R3 фактически будет работать только после включения питания, пока 4 нога в Z-состоянии (а возможно ваш ARM имеет подтяжку при сбросе, тогда от R3 вообще пользы никакой). Т.е. свою основную функцию - ускорение закрывания транзистора, R3 не выполняет.

У него основная функция - чтобы база в воздухе не болталась Для этой функции номинал 12.4к сгодится. Непонятно с какого бодуна взят именно этот прецизионный номинал, но сам по себе он пригоден. В этом месте чего угодно можно ставить, от 1к до 100к, все сойдет.

Почему?

Потому что электрические характеристики приведены для тока нагрузки 5.2мА при 6В питания, или 4 мА при 4.5В питания. При большем токе нагрузки величина выходного напряжения V_OH даташитом никак не гарантируется. В принципе микросхема имеет право вытворять на выходе что угодно, если величина тока больше, чем указанная. Ведь транзистор по выходу есть генератор тока, как известно.

[Сергей Борщ]

У него основная функция - чтобы база в воздухе не болталась

Ню-ню. Основная функция - ускорение запирания путем рассасывание неосновных носителей заряда и ускорения спадания базового тока. В быстрых схемах это дает увеличение быстродействия, в силовых - уменьшает время нахождения в линейном режиме и рассеиваимую мощность. А уже побочная функция - чтобы база в воздухе не болталась. Будем спорить или на голосование поставим?

[=AK=]

Ню-ню. Основная функция - ускорение запирания путем рассасывание неосновных носителей заряда и ускорения спадания базового тока. В быстрых схемах это дает увеличение быстродействия, в силовых - уменьшает время нахождения в линейном режиме и рассеиваимую мощность. А уже побочная функция - чтобы база в воздухе не болталась. Будем спорить или на голосование поставим?

Давайте-ка поспорим.

В согласии с вашими исходными посылками примем, что ток коллектора должен быть не менее 16 мА, а минимальный коэфф. передачи тока у транзистора - 100. Ток в базе у него должен быть, таким образом, не менее 160 мкА, но и, по возможности, ненамного более чем 160 мкА, поскольку при дальнейшем увеличении тока он будет входить во все более глубокое насыщение. Положим также, что ваши расчеты верны и выполнены для случая минимальной температуры окружающей среды. И вот возникает вопрос: а как глубоко войдет в насыщение этот же транзистор, но имеющий максимально возможное значение коэфф. передачи тока и работающий при максимальной температуре окружающей среды? Для него - будет ли отличаться время выхода из насыщения при исходном значении номиналов и при предложенных вами номиналах? А если будет отличаться - то насколько?

Мой ответ - отличаться если и будет, то не настолько, чтобы это кто-то вообще заметил. В пределах погрешности измерения. А посему считать основной функцией данного резистора "ускорение запирания" есть заблуждение. Это у него вторичная, побочная, не всегда исполняющаяся и потому не имеющая значения функция, которая может как-то работать разве что в тепличных лабораторных условиях и путем подбора номинала резистора под конкретный экземпляр транзистора.

Кроме того, на практике низкое значение сопротивления R2 вообще делает все манипуляции с R3 иррелевантными. Поскольку КМОП порт, который выдает сигнал на R2, эффективно тянет R2 не только к питанию, но и на землю.

[Сергей Борщ]

Мой ответ - отличаться если и будет, то не настолько, чтобы это кто-то вообще заметил. В пределах погрешности измерения. А посему считать основной функцией данного резистора "ускорение запирания" есть заблуждение. Это у него вторичная, побочная, не всегда исполняющаяся и потому не имеющая значения функция, которая может как-то работать разве что в тепличных лабораторных условиях и путем подбора номинала резистора под конкретный экземпляр транзистора.

Попробуйте подумать в таком направлении - пойдем на поводу у вашей гипотезы и временно исключим R3, как не влияющий на скорость. При открывании ток базы будет (3.3в - 0.8в) / R2 = 2.5в / R2 , при закрывании - -0.8в / R2. Вы не находите, что токи отличаются почти в 3 раза? Или будете утверждать, что эти токи никак не влияют на время закрывания/открывания?

При моих номиналах ток открывания 150мкА, ток закрывания = -0.8в / R2 - 0.8в / R3 = -1.7мА. Согласитесь, что больший закрывающий ток приводит к более быстрому закрыванию транзистора. Опять же напомню, что процесс закрывания состоит из двух стадий - рассасывания неосновных носителей и лишь потом собственно падение коллекторного тока. Вот как раз время рассасывания и является основным "тормозом" закрывания транзистора. И именно на его уменьшение и нацелен низкий номинал R3. А заодно и на уменьшение времени падения коллекторного тока.

haker_fox: вы можете промоделировать работу этого каскада с обоими вариантами номиналов?

[=AK=]

Или будете утверждать, что эти токи никак не влияют на время закрывания/открывания?

Буду продолжать утверждать, что влияние это несущественно, поскольку и в том и в другом случае транзистор находится в насыщении. Разница была бы существенной, если бы в одном случае он был на границе активного режима, а в другом - в насыщении. Однако на границе активного режима он будет находиться только в случае минимальго коэф. передачи по току и минимальной температуры окружающей среды. Во всех остальных случаях транзистор находится в насыщении и выходит из него довольно долго. Причем номинал резистора в базе влияет не так уж сильно, в силу того, что у базы есть собственное объемное сопротивление, и оно довольно велико.

Вот если бы вы диод Шоттки поставили между базой и коллектором, тогда бы работа на границе насыщения обеспечивалась при любом значении коэфф. передачи тока и температура. Вот это бы, действительно, обеспечило ускорение запирания. Или если бы вы ускоряющие конденсаторы предложили использовать.

[Сергей Борщ]

Буду продолжать утверждать, что влияние это несущественно, поскольку и в том и в другом случае транзистор находится в насыщении.

А при насыщении неосновные носители из базы святым духом выносит? Или все же вытекающим током, который в моем случае существенно больше?

Причем номинал резистора в базе влияет не так уж сильно, в силу того, что у базы есть собственное объемное сопротивление, и оно довольно велико.

Хотя бы порядок этого сопротивления укажите, что ли.

Вот если бы вы диод Шоттки...

Методы ускорения мне известны, но речь сейчас не о них.

[=AK=]

А при насыщении неосновные носители из базы святым духом выносит? Или все же вытекающим током, который в моем случае существенно больше?

Ага, святым духом. Насколько я знаю, они в основном рекомбинируют на золотом допинге, который вводят в базу как раз для этого. Поиграйтесь с относительно современными транзисторами типа BC548 и убедитесь, что догмы, которые в нас вдалбливали по учебникам полувековой давности, на них не очень-то распространяются.

Хотя бы порядок этого сопротивления укажите, что ли.

Несколько сотен ом.

Методы ускорения мне известны, но речь сейчас не о них.

Вот именно, что не о них, поскольку резисторами с базы на землю существенного ускорения не добьешься.

[Сергей Борщ]

Поиграйтесь с относительно современными транзисторами типа BC558 и убедитесь, что догмы, которые в нас вдалбливали по учебникам полувековой давности, на них не очень-то распространяются.

Открываем даташит на использованный haker_fox 2N3904. Смотрим динамические характеристики:

ts Storage Time VCC = 3.0V, IC = 10mA IB1 = IB2 = 1.0mA 200 ns

Это то самое время рассасывания неосновных носителей. С чего бы это они указывали ток базы, если он, по вашим утверждениям, "не влияет"?

Несколько сотен ом.

То есть по сравнению с ним десяток килоом или несколько сотен ом - все же существенная разница?

[=AK=]

Это то самое время рассасывания неосновных носителей. С чего бы это они указывали ток базы, если он, по вашим утверждениям, "не влияет"?

Да вы что, первый раз на свет родились, что ли? Они же обязаны указать режим измерения, без этого их или в суд потянут, или будут презирать за непрофессионализм и не станут покупать продукты.

И обратите внимание, что в указанном в даташите режиме глубокого насыщения (ток базы 1 ма, ток коллектора 10 мА, при типовом коэфф. передачи по току 300) время смехотворно мало - гарантируется не более 0.2 мкс. То есть, безо всяких там резисторов с базы на землю, в глубоком насыщении, просто так, с кондачка, при помощи святого духа и золотого легирования базы, транзистор будет прекрасно шпарить на частоте 5 МГц. И стоит ли на этом фоне сопли по стеклу развозить?

[Сергей Борщ]

То есть, безо всяких там резисторов с базы на землю, в глубоком насыщении, просто так, с кондачка, при помощи святого духа и золотого легирования базы, транзистор будет прекрасно шпарить на частоте 5 МГц.

Ага. И 1mA закрывающего тока тоже от святого духа берется.

Дабы поставить точку. Попросил товарища промоделировать в микрокапе:
вариант с R3 = 10К, R2 = 1.2К:


вариант с R3 = 680 Ом, R2 = 1.8K:


Если для вас уменьшение времени закрывания почти в 6 раз - "несущественно", "в пределах погрешности измерения", то дальше спорить смысла нет.
Видимо микрокап не знает, что "догмы из учебников полувековой давности" отменили.

[=AK=]

Если для вас уменьшение времени закрывания почти в 6 раз - "несущественно", "в пределах погрешности измерения", то дальше спорить смысла нет.

А какой практический смысл в этих ваших "в 6 раз", если для данного транзистора даже для более худшего случая гарантировано 0.2 мкс, тогда как время срабатывания оптопоры, которой он управляет - аж 4 мкс? Ну, даже если доведете вы время срабатывания транзистора до 1 нс, то когда начнете измерять параметры устройства, то заметите ли разницу? Нет, не заметите. Все ваши ухищрения уложатся в разброс времени срабатывания между разными экземплярами оптопар. Поэтому когда вы возьмете два устройства, с вашими улучшениями и без них, и будете измерять параметры, то не сможете уверенно сказать, какое из них сделано по-вашему, а какое - нет. Все эти мнимые улучшения уложатся в погрешности измерения и в разбросы параметров.

Не говоря уж о том, что моделирование для конкретного транзистора в контексте топика - есть практически чистое жульничество. Я же ясно сказал, что в тепличных лабораторных условиях можно выжать заметную разницу, однако никакого смысла она не имеет. Просите вашего коллегу выдать результаты для минимальной и максимальной рабочих температур, а также для минимального и максимального коэфф. передачи по току для транзистора., вот тогда будете графиками трясти. Если, конечно, будете - подозреваю, что желание их демонстрировать резко уменьшится.

[Electrovoicer]

Не говоря уж о том, что моделирование для конкретного транзистора в контексте топика - есть практически чистое жульничество. Я же ясно сказал, что в тепличных лабораторных условиях можно выжать заметную разницу, однако никакого смысла она не имеет. Просите вашего коллегу выдать результаты для минимальной и максимальной рабочих температур, а также для минимального и максимального коэфф. передачи по току для транзистора., вот тогда будете графиками трясти.

а вот не поленюсь сейчас, и промоделирую. но после этого Вы обязуетесь принести публичное извинение и признать свою неправоту. идет?

[=AK=]

а вот не поленюсь сейчас, и промоделирую.

Так что, поленились таки? Ну, тогда я не поленюсь. Симулятор Simetrix, спайс-модель транзистора 2N3904 взята на сайте OnSemi. Оптрон представлен тремя последовательно включенными диодами, питание 5В, сигнал амплитудой 3.3В, частота 10 кГц, фронты 1 нс. Обычное transient моделирование, однако шаг выбран мелкий, 0.1 нс, чтобы не было сомнений.

Схема



Результаты прогона:
- исходная схема R1=1.2k, R2=12.4k - зеленая линия
- улучшенная схема R1=1.8k, R2=680R - синяя линия



Обещанного "улучшения в 6 раз" почему-то не наблюдается... Сергей, может, ваш товарищ КТ315 использовал для моделирования?

Смех смехом, однако замечу, что представленный мной результат поддается независимой проверке, все необходимые сведения я привел. А что там ваш анонимный коллега моделировал - бог весть...

Мы рассуждаем о том, как делать правильно, или о том, что "в данном случае и так сойдет"?

А что есть "правильно", по-вашему? Добиться улучшения работы устройства на 0.01%, затратив кучу времени на поиск никому не нужных блох? Или же сконцентрироваться на тех местах, где можно добиться реального улучшения работы и не заморачиваться бессмысленным улучшательством?

Для инженера "правильно" - это прежде всего "оптимально".

[Сергей Борщ]

Так что, поленились таки?

Как вы здорово цитаты дергаете. В том же предложении вам был задан вопрос, без ответа на который остальное бессмысленно.

Симулятор Simetrix, спайс-модель транзистора 2N3904 взята на сайте OnSemi.

Либо вы не умеете им пользоваться, либо его надо выкинуть. Ибо эта картинка имеет мало общего с реальностью. Почему напряжение насыщения отличается почти вдвое, если транзистор в обоих случаях находится в насыщении и ток коллектора одинаков? Где на ней прописанное в даташите то самое Storage time? Где влияние емкости коллектор-база?

А что есть "правильно", по-вашему? Добиться улучшения работы устройства на 0.01%, затратив кучу времени на поиск никому не нужных блох?

Блох искать не нужно - зная теорию можно сразу проектировать правильно.

Для инженера "правильно" - это прежде всего "оптимально".

И каков же критерий оптимальности в исходных номиналах этого узла?

[=AK=]

Либо вы не умеете им пользоваться, либо его надо выкинуть

Так пользуйтесь им сами, если вы умелец. Симетрикс официально бесплатен для простых схем, все данные я привел. Проверяйте.

Почему напряжение насыщения отличается почти вдвое, если транзистор в обоих случаях находится в насыщении и ток коллектора одинаков?

Потому что напряжение на коллекторе зависит от глубины насыщения, а ток базы разный. Для исходной схемы ток базы примерно равен 2 мА, для схемы с вашими номиналами - примерно 0.3 мА.

Где на ней прописанное в даташите то самое Storage time?

Посмотрите даташит внимательнее. Минимальная величина Storage time там не указана. А вопрос о том, насколько реалистична представленная спайс-модель, можете задать службе поддержки Onsemi.

Пикантный нюанс, связанный со Storage time, состоит в том, что это время измеряется после подачи в цепь базы тока противоположного направления и фиксации отрицательного потенциала базы на уровне более чем -1 В. То есть, что исходный вариант схемы, что с вашими номиналами - оба в подметки не годятся схеме измерения, приведенной в даташите.

Где влияние емкости коллектор-база?

С вашими номиналами скорость нарастания увеличилась вдвое как раз вследствие уменьшения влияния эффекта Миллера. А иначе, по вашему, в честь чего бы фронт стал круче?

И каков же критерий оптимальности в исходных номиналах этого узла?

В данном контексте оптимальность, очевидно, состоит в отсутствии граблей и грубых ошибок. И в этом смысли исходные номиналы для транзистора были вполне удовлетворительны. А вот уменьшение резистора с базы на землю потенциально чревато тем, что при некотором стечении обстоятельств транзистор может не открыться. К таковым обстоятельствам относится и возможная замена транзистора на другой тип.

2) С точки зрения оптимальности резисторы в 1,2кОм и 12,4 кОм несколько странноватый выбор. Думаю если поставить 1 и 5,1кОм будет всё отлично работать и резисторы ходовых номиналов

С этой точки зрения оптимально было бы поставить два одинаковых резистора. Собственно, в большинстве так наз. "цифровых транзисторов" именно так и сделано. Простое и надежное универсальное решение.