I BJT sono adatti per i cambi di livello? Sembra che le FET siano più comuni, come si confrontano?

Sono un hobbista e non ho mai superato i fogli dati / tutorial per i transistor FET; Sono un uomo BJT. Non ho mai trovato discussioni su BJT vs. FET e le applicazioni specifiche più adatte per ogni tipo. I miei progetti sono circuiti di commutazione e di gate logici molto semplici. Quindi, una volta che ho ottenuto i BJT per soddisfare i requisiti di un progetto, sono rimasto con ciò che funzionava. Ho trascorso il pomeriggio a fare ricerche su EE-SE e ho trovato molte cose buone. Ho scoperto che le FET sembravano la scelta più popolare per i cambi di livello. Speravo che qualcuno potesse fornire una spiegazione "per i manichini" in merito ai punti di forza / debolezza e ai compromessi coinvolti con FET e BJT in alcune applicazioni comuni.

Ho scelto questo variatore di livello per il mio progetto: voglio guidare un relè 5V usando un ESP8266 con GPIO 3.3V. Ho misurato che la corrente della bobina del relè era di circa 100 mA. Voglio usare un S8050 e un minimo di parti, i requisiti non sono elevati. Sto solo usando ESP8266 per leggere il pin su un sensore PIR e anche leggere alcuni interruttori a levetta per controllare una luce usando un relè. Il circuito sopra è una buona scelta? Ho progettato il mio circuito, ma non lo userò. Tuttavia, aiuterebbe la mia comprensione se qualcuno fornisse gentilmente un'analisi del mio progetto, che si basava su alcuni sospetti, ipotesi e forse un po 'di voodoo.

In breve, ho pensato che la mia corrente di base (uscita GPIO 3,3 V - 0,7 V base di Q1) / 1K ohm di R2 = 2,6 mA non sarebbe stata influenzata molto dalla corrente nel divisore di tensione R1 / R3 che penso sia 5 / (100K + 100K) = 25uA. Non so come funzionerà la giunzione di R1, R2, R3 e la base di U1; Ho indovinato che la base di U1 porterà i 2,5 V del divisore fino a 0,7 V, ma non ero sicuro di come avrebbe influenzato i 2,6 mA generati dal GPIO. Ecco perché sono andato con il circuito che ho collegato.

Ray. Sì, ci sono centinaia se non migliaia di buone pagine sull'uso di BJT per praticamente qualsiasi tipo di accordo di commutazione che si possa immaginare. Funzionano bene anche come cambi di livello , anche se nonostante tu usi quella frase in realtà non penso che sia la tua situazione qui. Se vuoi guardare un esempio di spostamento di livello usando i BJT, puoi vedere la mia risposta qui .

Sotto, invece di darti un pesce, proverò a insegnarti a pescare.

Per situazioni che richiedono una conformità corrente che supera il tuo pin I / O (come un relè) o anche una tensione di pilotaggio diversa e più alta di quella che il tuo pin I / O può gestire (di nuovo, come il tuo relè), o anche dove hai bisogno di una protezione contro induttiva contraccolpo (ancora una volta, come il tuo relè) probabilmente vorrai usare un BJT esterno o un FET come interruttore.

Puoi organizzare le cose in modo che l'interruttore sia:

1. Sul lato basso (vicino al suolo), oppure
2. Sul lato alto (vicino alla tensione di pilotaggio del relè o di un altro dispositivo), oppure
3. Su entrambi i lati (ponte H, carico legato al ponte, ecc.)

Ma devi davvero avere una buona ragione per scegliere (2) o (3), sopra. Coinvolgono più parti e spesso sono inutilmente complicate se non si hanno buone ragioni. Quindi l'interruttore low-side è la prima scelta da esaminare per qualcosa del genere.

Per progettare qualsiasi interruttore, inizi con le specifiche di ciò che devi guidare e le specifiche di ciò che hai per guidarlo.

Diamo un'occhiata a una scheda tecnica ESP8266 :

Qui puoi vedere che l'attuale conformità per un pin I / O ha un valore massimo di . Ciò significa che dovresti pianificare di rimanere ben al di sotto di quel valore. Mi piace rimanere al di sotto della metà del massimo, con ancora meno essere meglio se riesco a gestirlo. Meno è meglio perché se si utilizzano più pin I / O diversi come questo contemporaneamente, il caricamento aumenta e ci sono limiti di dissipazione per l'intera porta e anche per l'intero dispositivo. Anche se non sono dichiarati, esistono. Quindi tieni le cose il più in basso possibile.$I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

Prendi nota anche dei limiti di tensione. Supponendo che si stia operando su , quindi garantiscono un'alta tensione di uscita dell'80% di quella, o V O H ≥ $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$ (Ciò significa che quando si procede all'acquisto diIMAX.) Garantiscono anche una bassa tensione di uscita dell'80% o V O L ≤

Vediamo ora un tipico foglio dati di inoltro :

Da qui puoi vedere che la resistenza è e che la corrente richiesta è$125\:\Omega$ .$40\:\textrm{mA}$

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

I bit di dati sopra riportati dicono che hai davvero bisogno di uno switch esterno per tutti i motivi menzionati in precedenza. Ne hai bisogno perché richiede una maggiore conformità corrente rispetto a quella fornita dal tuo pin I / O, perché vuoi proteggere il tuo pin I / O dal back-emf dall'induttanza del relè e perché il relè richiede una tensione più alta del tuo I / O il pin può fornire. Non pensare nemmeno di usare l'I / O direttamente!

È inoltre possibile utilizzare quasi tutti i BJT, a causa della bassa corrente richiesta dal relè.

$100\:\textrm{mA}$

In questo caso, userei quello che ho molti: dispositivi OnSemi PN2222A . Cominciamo esaminando la Figura 11:

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

Tempo di preparare uno schema:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

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

$470\:\Omega$

$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}$

$\ref{r1}$

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

Non hai bisogno di questo "voodoo". Sia R1 che R3 non sono necessari qui. Un transistor bipolare sta lavorando su correnti, non su tensioni. Questi resistori sono necessari solo per polarizzare il transistor nella sua regione lineare per amplificatori lineari. Non vuoi un'amplificazione lineare, vuoi una commutazione ad alta efficienza.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

$U_{BE}$

Usa un transistor di commutazione, questi hanno un alto valore beta e vanno in saturazione a correnti di ingresso molto basse. Puoi anche considerare un tipo di darlington per carichi più elevati. La saturazione comporta una caduta di tensione inferiore e una minore produzione di calore nel transistor.

Le FET non saturano. Quindi una grande vittoria di velocità.

E un Vbe bipolare è praticamente impostato su 0,5-0,7 volt, per correnti utili.

Considerando che un FET consente felicemente 1 o 2 o 5 o 10 volt tra gate e canale. Quindi una grande vittoria per la flessibilità di funzionamento.

Un confronto generale di BJT e FET:

BJT: - Dispositivo a corrente controllata - I portatori di carica sono sia elettroni che buche (quindi bipolari) - Fisicamente più grande - Capacità di ingresso molto bassa (può dare una maggiore velocità / amplificazione di frequenza più alta) - Amplificazione più lineare poiché il guadagno non dipende dalla tensione di polarizzazione - Può avere un'impedenza di uscita inferiore e quindi guidare più facilmente i carichi a bassa impedenza - Consumo di energia generalmente maggiore a causa del controllo della corrente

FET: - Dispositivo a controllo di tensione (consumo di energia inferiore, assorbimento di energia solo quando si cambia lo stato in generale) - I portatori di carica sono elettroni o lacune (a seconda del tipo, quindi unipolari) - Fisicamente più piccoli - Possono ridimensionarsi più facilmente (metà corrente di drenaggio dimezzando il cancello dimensione) - Capacità di input generalmente più elevata ed effetto Miller significa che con l'aumento del guadagno, aumenta anche la capacità di input - Non è possibile guidare molto bene a bassa impedenza (di solito necessita di uno stadio buffer) - Consumo energetico generalmente inferiore

Questo non è affatto un elenco completo delle differenze, ma si spera che risponda alla tua domanda in merito alle differenze tra i due tipi di transistor. Nella mia esperienza educativa, sembra che il 95% delle volte per progetti hobbisti, i BJT siano la strada da percorrere, ma per i progetti su larga scala e ad alta densità, il CMOS è la scelta principale poiché la maggior parte dei circuiti digitali sono CMOS, e quindi è più economica per produrre sia analogico che digitale nello stesso processo.

In alcune applicazioni, l'efficienza energetica è molto importante. Anche se ci sono molte applicazioni in cui non importa davvero, molte persone non amano limitare inutilmente i progetti a queste ultime applicazioni.

Se è necessario disporre di un circuito basato su un singolo BJT in grado di commutare 100 mA, è probabile che quel circuito dovrà assorbire tra 2-10 mA ogni volta che dovrebbe essere acceso, indipendentemente dal fatto che la corrente di carico sia effettivamente 100 mA o zero . Se il carico assorbirà effettivamente 100 mA ogni volta che è attivo, aggiungere anche 10 mA alla potenza assorbita dal sistema in quel momento aumenterebbe solo il consumo complessivo del 10%. Se, tuttavia, il carico potrebbe spesso guidare qualcosa che richiede solo 1 mA, aggiungendo anche 2 mA alla potenza assorbita quando è acceso triplicare il consumo di energia relativo al controllo di quel carico. Se il carico verrà acceso per la maggior parte del tempo (ma assorbirà semplicemente pochissima corrente) ciò potrebbe essere molto dispendioso.

I BJT sono stati ampiamente disponibili più a lungo dei MOSFET e molti circuiti sono progettati in base a tale disponibilità. Non so che un particolare MOSFET sia altrettanto onnipresente come il 2N3904 e il 2N3906. Quelle parti non sono in nessun posto vicino ai migliori transistor del pianeta, ma sono ovunque. Non conosco alcun MOSFET di cui si possa dire lo stesso.