Преобразователь 3.3В → 24В для входа TX01

Назначение

Преобразователь уровня сигнала с GPIO микроконтроллера 3.3В (STM32F407) на дискретный вход 24В (TX01) с инверсией логики. Подходит для подключения ПЛИС/МК к промышленным входам 24В. [web:10]

Схема

            +24V (внешний источник)
   GPIO pin_10        │
     │               ┌┴┐
     │               │ │ R3 = 4.7kΩ
     │               └┬┘
     │                │
     │                ├──────────► TX01 (вход 24V)
     │                │
     └─[ 10kΩ ]─┬[B]  │
                │     │
               ┌┴┐ ┌──┴──┐
          R2   │ │ │  C  │
         100kΩ │ │ │ NPN │   Q1: BC547B / 2N2222A / 2N3904
               └┬┘ │  Q1 │
                │  │  E  │
               GND └──┬──┘
                │     │
               ─┴─   GND
               GND    │
                      │
     GND ─────────────┴──────────── GND (общий)

Принцип работы

R1 (10kΩ) и R2 (100kΩ) образуют резистивный делитель напряжения на базе транзистора. [web:8]

• При GPIO = 3.3В на базе формируется около 3.0В (до открытия перехода база‑эмиттер). [web:8]
• При V_{BE} \approx 0.7В транзистор открывается и входит в насыщение, коллектор притягивается к GND. [web:8]
• Избыток напряжения рассеивается на делителе R1–R2. [web:8]

Выход TX01 подтянут к +24В через R3 (4.7kΩ):

• Когда транзистор закрыт, TX01 ≈ 24В (логическая 1 для входа 24В). [web:8]
• Когда транзистор открыт, TX01 ≈ 0.2В (насыщение, логический 0). [web:8]

Таблица состояний

GPIO PA5	Транзистор	TX01	Логика TX01
0В	Закрыт	~24В	HIGH
3.3В	Открыт	~0.2В	LOW

Инверсия логики:

• LOW на GPIO → HIGH на TX01
• HIGH на GPIO → LOW на TX01

Расчеты

Ток базы при GPIO = 3.3В:

I_b = \frac{V_{in} - V_{BE}}{R1 + R2}

I_b = \frac{3.3V - 0.7V}{110k\Omega} \approx 24\ \mu A

Ток коллектора (при подтяжке 24В через 4.7kΩ):

I_c = \frac{24V}{4.7k\Omega} \approx 5.1\ mA

Требуемый коэффициент усиления:

\beta = \frac{I_c}{I_b} \approx \frac{5.1mA}{24\mu A} \approx 212

Подходящие транзисторы (по h_{FE} в активном режиме, с запасом для насыщения): [web:8][web:9]

• BC547B: hFE \approx 200–450 [web:8]
• 2N2222A: hFE \approx 100–300 [web:9]
• 2N3904: hFE \approx 100–300 [web:9]

Назначение элементов

• R1 (10kΩ)

  • Ограничивает ток базы.
  • Формирует верхнее плечо делителя напряжения.

• R2 (100kΩ)

  • Обеспечивает разряд базы при выключении.
  • Не дает базе и GPIO «плавать».
  • Ускоряет выключение транзистора.
  • Формирует нижнее плечо делителя.

• R3 (4.7kΩ)

  • Pull‑up к +24В для входа TX01.
  • Ограничивает ток коллектора транзистора.
  • Формирует уровень HIGH на входе 24В.

• Q1 (NPN: BC547B / 2N2222A / 2N3904)

  • Работает как ключ в насыщении. [web:8][web:9]
  • Коммутирует вход TX01 на землю.
  • Обеспечивает развязку 3.3В GPIO и 24В линии.

Особенности применения

• Требуется общий GND между STM32/ПЛИС и источником 24В. [web:10]
• Логика инверсная, это нужно учесть в прошивке. [web:10]
• Ток через вход TX01 ≈ 5 mА при 24В, что подходит для большинства промышленных дискретных входов. [web:8]
• Схема подходит для частот от единиц герц до десятков килогерц (ограничения по R1/R2 и паразитным емкостям). [web:8]