Подходят ли BJT для переключателей уровня? Кажется, FET более распространены, как они сравниваются?

16

Я - любитель, и никогда не проходил таблицы / учебные пособия для транзисторов FET; Я BJT человек. Я никогда не находил дискуссий, касающихся BJT против FET и конкретных приложений, которые лучше всего подходят для каждого типа. Мои проекты - это очень простые схемы коммутации и логических схем. Поэтому, когда я получил BJT для удовлетворения требований проекта, я просто остался с тем, что работало. Я провел день, исследуя это на EE-SE, и нашел много хороших вещей. Я обнаружил, что полевые транзисторы кажутся наиболее популярным выбором для специалистов по переключению уровней. Я надеялся, что кто-нибудь может дать объяснение «для чайников» относительно сильных / слабых сторон и компромиссов, связанных с полевыми транзисторами и BJT в некоторых распространенных приложениях.

Я выбрал этот переключатель уровня для своего проекта: я хочу управлять реле 5 В с помощью ESP8266, который имеет 3,3 В GPIO. Я измерил ток катушки реле, чтобы он был примерно 100 мА. Я хочу использовать S8050 и минимум деталей, требования не высоки. Я просто использую ESP8266, чтобы прочитать вывод на датчике PIR, а также прочитать некоторые тумблеры для управления светом с помощью реле. Является ли вышеуказанная схема хорошим выбором? Я разработал свою собственную схему, но не собираюсь ее использовать. Тем не менее, это помогло бы моему пониманию, если бы кто-то любезно предоставил анализ моего дизайна, который основывался на некоторых догадках, догадках и, возможно, немного вуду.

Короче говоря, я решил, что мой базовый ток (выход GPIO 3,3 В - 0,7 В база Q1) / 1 кОм при R2 = 2,6 мА не будет сильно зависеть от тока в делителе напряжения R1 / R3, который, я думаю, равен 5 / (100K + 100K) = 25 мкА. Я не знаю, как будет работать соединение R1, R2, R3 и базы U1; Я догадывался, что основание U1 снизит напряжение 2,5 В делителя до 0,7 В, но не был уверен, как это повлияет на 2,6 мА, которые исходит от GPIO. Вот почему я пошел со схемой, которую я связал.

relay gpio level-shifting

— JRE
источник

1

Что делает R1?

— перицинтион

Вот тут-то и появляется вуду: это то, что выглядит знакомым по различным веб-сайтам. Посоветовавшись с моим волшебным 8-балом, я решил попробовать сместить схему. Главным образом, я просто хотел, чтобы вывод GPIO не превышал 3,3 В. Как я уже сказал, "вуду" (или, возможно, суеверие ... что угодно).

5

Я подозреваю, что отчасти популярность полевых транзисторов заключается в том, что, будучи напряженными, а не управляемыми током, и большинство людей, использующих коммутационные приложения, во многих отношениях их легче понять. Необходимость думать в токе с BJT может быть немного головокружительной. Иронический недостаток иногда с FETS в том, что вам нужно это напряжение для подачи на затвор, и у вас нет лишних вольт выше положительной шины и т. Д.

— Ian Bland

17

Ray. Да, есть сотни, если не тысячи хороших страниц по использованию BJT для практически любого вида коммутации, которую вы можете себе представить. Они также отлично работают как смены уровня , хотя, несмотря на то, что вы используете эту фразу, я на самом деле не думаю, что это ваша ситуация здесь. Если вы хотите посмотреть пример изменения уровня с помощью BJT, вы можете увидеть мой ответ здесь .

Ниже, вместо того, чтобы дать вам рыбу, я постараюсь научить вас ловить рыбу.

В ситуациях, когда соответствие току превышает ваш вывод ввода / вывода (например, реле) или также отличается более высоким напряжением возбуждения, которое может выдержать ваш вывод ввода / вывода (опять же, как ваше реле), или также когда вам требуется некоторая защита от индуктивности Откат (еще раз, как ваше реле), вы, вероятно, захотите использовать внешний BJT или FET в качестве переключателя.

Вы можете расположить вещи так, чтобы переключатель был:

На нижней стороне (около земли), или
На высокой стороне (около напряжения возбуждения вашего реле или другого устройства), или
С обеих сторон (Н-мост, груз, связанный с мостом и т. Д.)

Но вам действительно нужно иметь веские основания для выбора (2) или (3) выше. Они включают в себя больше частей и часто излишне усложняются, если у вас нет веских причин. Таким образом, переключатель нижней стороны - это первый выбор для проверки на что-то подобное.

Чтобы спроектировать любой переключатель, вы начинаете со спецификаций того, что вам нужно для вождения, и спецификаций того, что у вас есть для его вождения.

Давайте посмотрим на таблицу данных ESP8266 :

Здесь вы можете видеть, что текущее соответствие для вывода ввода / вывода имеет максимальное значение . Это означает, что вы должны планировать оставаться под этим значением. Мне нравится оставаться ниже половины максимума, и еще меньше быть лучше, если я справлюсь. Чем меньше, тем лучше, потому что, если вы используете несколько разных выводов ввода-вывода, подобных этому, загрузка увеличивается, и существуют пределы рассеяния для всего порта и для всего устройства. Даже если они не указаны, они существуют. Так что держите вещи как можно ниже. $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

Также обратите внимание на пределы напряжения. Предполагая, что вы работаете на , тогда они гарантируют высокое выходное напряжение 80% от этого, или $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$

\begin{matrix} (Вох Мин) & В_{О ЧАС} \geq 2,64 В \end{matrix}

$V_{OH}\ge 2.64\:\textrm{V}\label{voh}\tag{Voh Min}$

I_{M A X}

$I_{MAX}$

\begin{matrix} (Том Макс) & В_{О L} \leq 330 мВ \end{matrix}

$V_{OL}\le 330\:\textrm{mV}\label{vol}\tag{Vol Max}$

I_{M A X}

$I_{MAX}$

Давайте теперь посмотрим на типовой релейный паспорт :

$125\:\Omega$ $40\:\textrm{mA}$

$V_{CE}$ $V_{CE}$ $V_{CE}$ $\beta$

Приведенные выше биты данных говорят о том, что вам действительно нужен внешний переключатель по всем причинам, упомянутым ранее. Вам это нужно, потому что требуется большее соответствие тока, чем может обеспечить ваш вывод ввода / вывода, потому что вы хотите защитить свой вывод ввода / вывода от обратной ЭДС от индуктивности реле, а также потому, что реле требует более высокого напряжения, чем ваш ввод / вывод. Пин может предоставить. Даже не думайте об использовании ввода-вывода напрямую!

Вы также можете использовать практически любой BJT из-за низкого тока, необходимого для реле.

$100\:\textrm{mA}$

В этом случае я бы использовал то, что у меня много: устройства OnSemi PN2222A . Давайте начнем с изучения рисунка 11:

$\beta=\frac{I_C}{I_B}=10$ $V_{CE}$ $\frac{I_C}{I_B}=10$

\begin{matrix} (Ib), & я_{В} знак равно 4 мА \end{matrix}

$I_B=4\:\textrm{mA}\label{ib}\tag{Ib}$

\begin{matrix} (VBE), & В_{В Е} \approx 800 мВ \end{matrix}

$V_{BE}\approx 800\:\textrm{mV}\label{vbe}\tag{Vbe}$

Время подготовить схему:

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

$R_1$ $\ref{voh}$ $\ref{vbe}$ $\ref{ib}$

\begin{matrix} (R1), & р_{1} знак равно \frac{2,64 В - 800 мВ}{4 мА} знак равно 460 Ω \end{matrix}

$R_1=\frac{2.64\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{4\:\textrm{mA}}=460\:\Omega\label{r1}\tag{R1}$

$470\:\Omega$

$3.3\:\textrm{V}$ $\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

$R_1$

$100\:\textrm{mA}$ $\beta$

$150\:\textrm{mA}$ $I_B$ $V_{CE}$ $V_{CE}$ $100\:\textrm{mV}$ $I_B\approx 8\:textrm{mA}$ $10\:\textrm{mA}$ $\beta$

$100\:\textrm{mA}$ $I_B=4\:\textrm{mA}$ $I_B=5\:\textrm{mA}$ $I_B=6.7\:\textrm{mA}$

$\ref{r1}$

\begin{matrix} (R1 повторить 1) & р_{1} знак равно \frac{2,64 В - 800 мВ}{5 мА} знак равно 368 Ω \end{matrix}

$R_1=\frac{2.64\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{5\:\textrm{mA}}=368\:\Omega\label{r1x}\tag{R1 redo 1}$

\begin{matrix} (R1 повторить 2) & р_{1} знак равно \frac{2,64 В - 800 мВ}{6,7 мА} знак равно 275 Ω \end{matrix}

$R_1=\frac{2.64\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{6.7\:\textrm{mA}}=275\:\Omega\label{r1y}\tag{R1 redo 2}$

$R_1=330\:\Omega$ $7.5\:\textrm{mA}$ $12\:\textrm{mA}$

— Йонк
источник

Отличный ответ! Это будет схема, которую я использую, у меня уже есть 2N2222A, который я очистил. Я думал, что у меня есть этот материал, но я рад, что вы углубились в детали, которые вы сделали, потому что я вижу, что я немного шатался по некоторым вопросам: во-первых, я буду обращать внимание на гарантированные значения для высоких Уровень выходного напряжения и коэффициент в 80% (или в любом случае), вместо того, чтобы просто использовать все 100% в моих расчетах. Меня поразило то, что вы использовали бета-параметр тока коллектора / тока базы. Я использовал hFE все это время. Я

расчеты в моем вопросе, поэтому: я измерил 100 мА через реле, используя питание 5 В (я не могу получить таблицу данных, потому что я наклеил на печать). Я умножил это на предложенный запас прочности 2X-5X, поэтому я остановился на 260 мА. Разве это не то, что я использую для тока коллектора? Я разделил это на hFE 100, чтобы получить базовый ток 2,6 мА. Так что вот где я все запутался: думал, что hFE - это текущая прибыль базы для коллекционера. Перегруппировка бета = Icollector / Ibase дает базовый ток X бета = ток коллектора. Куда я поскользнулся? Я также озадачен графиком на рис. 11,

@ Ray71 Вы должны перегнать BJT, если хотите, чтобы он действовал как выключатель. Посмотрите на рисунок 11. Вы можете увидеть кривые с

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ и это было бы с

β

$\beta$ Вы привыкли. Но другая кривая для "насыщения". Что то, что вы хотите с выключателем. Если ваш ток реле

100 mA

$100\:\textrm{mA}$ тогда я думаю, что вы будете в порядке, используя

β = 15

$\beta=15$ или немного выше, возможно. Что заставляет его все еще работать для вашего вывода ввода / вывода.

— jonk

Вверху есть 3 графика, 2 из которых хорошо обозначены, а на третьем просто написано «1,0 В». Несмотря на то, что я использовал один с меткой «Vbe (sat) @ Ic / Ib = 10», мне любопытно, что такое «1,0 В». Для защитных диодов у меня была привычка использовать их в диапазоне 1N4001-1N4007. Насколько это имеет значение. Опять же, по незнанию, я подумал, что быть «более красивым», чем тонкий 1N4148, означало, что он был более «тяжелым». С этого момента я нахожусь на борту 1N4148, просто удивляясь Разница в поведении. Из схемы я

@ Ray71 BJT становится все более насыщенным, как

V_{C E}

$V_{CE}$ получает меньше, чем вольт. Вы хотите водить

V_{C E}

$V_{CE}$ значительно ниже вольт. Таким образом, вы должны подходить к этому как к насыщенной ситуации, и вы не можете использовать кривые, где

V_{C E} = 1 V

$V_{CE}=1\:\textrm{V}$ или

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ очевидно. Это были бы очень плохие выключатели. Не стесняйтесь использовать любой диод, который работает для вас. Большинство выживет. Я не хотел вдаваться в детали расчета индуктивного удара. (Это можно сделать.)

— jonk

10

Вам не нужен этот "вуду". И R1, и R3 здесь не нужны. Биполярный транзистор работает на токах, а не напряжениях. Эти резисторы нужны только для смещения транзистора в его линейную область для линейных усилителей. Вам не нужно линейное усиление, вы хотите высокоэффективное переключение.

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Напряжение на базе эмиттера $U_{BE}$ зависит от тока коллектора но в целом это около 1В. Итак, с 3,3 В на его базе и резистором на 1 кБ, у вас есть ток базы около 2 мА.

Используйте переключающий транзистор, они имеют высокое значение бета и переходят в насыщение при очень низких входных токах. Вы также можете рассмотреть тип Дарлингтона для более высоких нагрузок. Насыщение приводит к меньшему падению напряжения и меньшему тепловыделению в транзисторе.

— Янка
источник

4

FET не насыщают. Таким образом большая победа скорости.

И биполярный Vbe в значительной степени установлен на 0,5--0,7 вольт, для полезных токов.

Принимая во внимание, что FET счастливо допускает 1 или 2 или 5 или 10 вольт между воротами и каналом. Таким образом, большая победа за гибкость работы.

— analogsystemsrf
источник

2

Общее сравнение BJT и FET:

BJT: - устройство с управлением по току - носителями заряда являются как электроны, так и дырки (следовательно, биполярные) - физически больше - очень маленькая входная емкость (может дать более высокую скорость / более высокое усиление частоты) - большее линейное усиление, поскольку усиление не зависит от напряжения смещения - Может иметь более низкий выходной импеданс, и, следовательно, легче управлять нагрузками с низким импедансом. - Как правило, более высокое энергопотребление благодаря контролю тока.

FET: - Устройство с управлением напряжением (более низкое энергопотребление, потребляемая мощность только при общем состоянии переключения) - Носителями заряда являются либо электроны, либо дырки (в зависимости от типа, следовательно, однополярные) - Физически меньше - Может масштабироваться легче (наполовину ток утечки путем деления затвора на два размер) - Как правило, более высокая входная емкость и эффект Миллера означают, что с увеличением усиления увеличивается и входная емкость - Не удается очень хорошо управлять низким импедансом (обычно требуется буферная ступень) - Как правило, снижается энергопотребление

Это ни в коем случае не полный список различий, но, надеюсь, ответит на ваш вопрос относительно различий между двумя типами транзисторов. По моему опыту в образовании, кажется, что 95% времени для проектов хобби - это путь BJT, но для крупномасштабных проектов высокой плотности CMOS является основным выбором, так как большинство цифровых схем CMOS, и, следовательно, дешевле производить как аналоговые, так и цифровые в одном процессе.

— K.Effinger
источник

0

В некоторых приложениях энергоэффективность очень важна. Несмотря на то, что существует множество приложений, где это не имеет большого значения, многим людям не нравится ненужное ограничение дизайна последними приложениями.

Если нужно иметь схему на основе одного BJT, способную переключать 100 мА, то эта цепь, вероятно, должна будет потреблять где-то между 2-10 мА всякий раз, когда она должна быть включена, независимо от того, равен ли ток нагрузки 100 мА или нулю. . Если нагрузка на самом деле будет составлять 100 мА при любом включении, добавление даже 10 мА к потребляемой мощности системы в это время увеличит общее энергопотребление только на 10%. Однако, если нагрузка часто приводит к тому, что требуется всего 1 мА, добавление даже 2 мА к потребляемой мощности, когда она включена, утроит потребление энергии, связанное с управлением этой нагрузкой. Если нагрузка будет включена большую часть времени (но просто потреблять очень мало тока), это может быть очень расточительным.

BJT были широко доступны дольше, чем MOSFET, и многие схемы предназначены для этой доступности. Я не знаю, что какой-либо конкретный MOSFET является столь же повсеместным, как 2N3904 и 2N3906. Эти части далеко не лучшие транзисторы на планете, но они везде. Я не знаю ни одного MOSFET, о котором можно сказать то же самое.

— Supercat
источник