Protegendo o transistor NPN da tensão negativa do emissor base?

Eu tenho um circuito que converte sinais de polaridade 5V RS-232 (lógico 0 = + 5V, lógico 1 = -5V) em 3.3V polaridade TTL (lógico 1 = 3.3V, lógico 0 = 0V) usando um transistor BC548.

Ele forma uma porta NOT, de modo que, quando a saída RS-232 é alta, diminui a saída e vice-versa.

Para referência, o dispositivo RS-232 (um receptor GPS) está transmitindo a 9600bps e está conectado ao UART do Raspberry Pi.

Meu circuito fica assim:

No entanto, essa configuração resulta no transistor vendo uma tensão de -5V na junção do emissor base devido à tensão negativa da entrada RS-232. O BC548 tem um Vbe máximo de -6V, mas eu gostaria de proteger o transistor, minimizando as tensões negativas na junção do emissor base.

Após algumas pesquisas, me deparei com um post nos fóruns do Raspberry Pi que sugere o seguinte circuito para proteger o transistor da tensão negativa:

Eu construí o circuito e parece ter sucesso: a menor tensão Vbe é de cerca de -0,5V. Meu multímetro digital atualiza apenas cerca de 5 vezes por segundo e não tenho um osciloscópio para ver as coisas com mais clareza, mas anteriormente mostrava a menor tensão Vbe em torno de -5V.

Minhas perguntas são:

Por que o diodo é colocado onde está? Se eu interpretar as coisas corretamente, significa que o Vbe mais baixo seria o mesmo que a queda direta do diodo e que haveria um fluxo de corrente do terra através do resistor R1 para o pino RS-232 de tensão negativa. Não faria mais sentido colocar o diodo entre a entrada RS-232 e R1, ou entre R1 e o transistor Q1, de modo a bloquear qualquer fluxo de corrente no pino?
O esquema diz para usar um diodo 1N4148 de alta velocidade, que eu usei. Existe alguma desvantagem em usar um 1N4001 em vez de um 1N4148? 9600bps significa que cada bit tem cerca de 100uS de comprimento e o 1N4001 possui um tempo de recuperação reversa típico de 2uS. O 1N4148 possui um tempo de recuperação reversa típico de 4nS - claramente o 1N4148 é mais rápido na comutação, mas isso realmente faz diferença nesse contexto?

transistors diodes npn

— heypete
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O diodo está na melhor posição e é do tipo apropriado.

Conduz quando a entrada é negativa, o mesmo que a base do transistor que conduz quando a entrada é positiva. O resistor de 47K é cerca de 1/10 de uma carga RS-232 normal . Pode-se também bloquear a tensão, mas um pico de -100V (diz ESD) pode quebrar o 1N4148 e a junção EB, causando danos irreversíveis.

Além disso, um 1N4148 é um diodo apropriado para esta aplicação. É um "diodo de comutação", baixa capacitância e recuperação reversa rápida. Um 1N4001 provavelmente também funcionaria bem, pelo menos a taxas de transmissão lentas. A classificação de 200mA significa que, mesmo que uma tensão muito alta apareça na entrada, o transistor está totalmente protegido, pelo menos até o resistor se curvar.

— Spehro Pefhany
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Excelente. Obrigado. Haveria alguma desvantagem de colocar um segundo 1N4148 ("D2") entre a entrada RS-232 e o R1, de modo a impedir que o transistor visse alguma voltagem negativa? Se D2 falhasse na situação descrita, D1 ainda seria capaz de fornecer corrente ao pino RS-232 via R1. Isso também não protegeria o transistor?

— heypete 23/02

É concebível que seja uma desvantagem se o cabo for longo e as taxas de transmissão altas, porque a capacitância do cabo será carregada em -5 ou -10 em vez de -0,5, mas, além disso, é certamente uma abordagem razoável. Como o RS-232 fica ocioso em '1' (-V), ele pode economizar energia no final do transmissor.

— Spehro Pefhany

O comprimento total do cabo é de cerca de 10m e a taxa de transmissão é de apenas 9600bps, portanto, espero que a capacitância do cabo não seja um problema. Se não funcionar, não é grande coisa, mas eu queria ter certeza de que não criaria uma situação que poderia resultar em uma falha catastrófica (como o cenário ESD que você mencionou para o diodo de bloqueio de tensão sozinho).

— heypete 23/02

Adendo: com o D2 instalado, as coisas parecem funcionar bem e o Vbe é zero ou positivo, de acordo com o meu medidor. Obrigado novamente por sua ajuda.

— heypete 23/02

Adendo adicional: existem chips que realizam a conversão de RS-232 em TTL de uma maneira melhor, mais controlada e são baratos e pequenos. Um MAX3232, por exemplo, requer apenas alguns capacitores externos pequenos e resolve o problema de maneira bastante elegante.

— precisa saber é o seguinte