¿Son BJT ' s conveniente para cambiadores de nivel? ¿Parece FET ' s son más comunes, cómo se comparan?

Question

Yo soy un aficionado, y nunca he pasado de las hojas de datos/tutoriales para los transistores FET; soy un BJT hombre. Nunca he encontrado discusiones tratar con BJT vs FET y de las aplicaciones específicas más adecuado para cada tipo. Mis proyectos son muy simples y conmutación de la puerta de la lógica estilo de circuitos. Así que una vez que me puse BJT satisfacer los requisitos del proyecto, me quedé con lo que se estaba trabajando. He pasado la tarde investigando este en EE-SE y encontró un montón de cosas buenas. He encontrado que la FET parecía la opción más popular para el nivel de manetas. Estaba esperando que alguien podría proporcionar un "for dummies" explicación en cuanto a las fortalezas/debilidades y compromisos con la FET y BJT en algunas de las aplicaciones comunes.

Elegí este nivel de la palanca de cambios para mi proyecto: Quiero manejar un relé de 5V mediante un ESP8266 que ha de 3.3 V GPIO. He medido la retransmisión de la bobina de corriente a estar en lo correcto acerca de 100mA. Quiero usar un S8050 y un mínimo de partes, los requisitos no son altos. Estoy usando el ESP8266 para leer el pin en un sensor PIR y también leer algunos interruptores de palanca para controlar una luz mediante el uso de un relé. Es el circuito de arriba una buena opción? He diseñado mi propio circuito, pero no lo voy a usar. Aún así, sería ayudar a mi entender, si alguien tendría la amabilidad de proporcionar un análisis de mi diseño, que se basa en algunas teorías, conjeturas, y quizás un poco de vudú.

Brevemente, pensé que mi base actual (GPIO de salida de 3.3 V - 0.7 V de la base de Q1) / 1K ohm de R2 = 2.6 mA no sería afectado por la corriente en el divisor de tensión R1/R3 que creo que es de 5 / (100K 100K) = 25uA. No sé cómo la unión de R1, R2, R3 y U1 de la base va a trabajar; yo supuse que la base de U1 se tire el 2,5 V del divisor hasta el 0,7 V, pero no estaba seguro de cómo iba a afectar a la 2.6 mA que el GPIO de fuentes. Por eso me fui con el circuito que enlaza.

Answer 1

Ray. Sí, hay cientos, si no miles, de buenas páginas sobre el uso de BJTs para casi cualquier tipo de conmutación arreglo que usted puede imaginar. También funciona bien como a nivel de palancas de cambio, aunque a pesar de su uso de la frase en realidad yo no creo que su situación aquí. Si desea ver un ejemplo de cambio de nivel utilizando BJTs, usted puede ver mi respuesta aquí.

A continuación, en lugar de dar un pez, voy a tratar de enseñar a pescar.

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Para situaciones que afecten el grado de cumplimiento actual que supera el pin de e/S (como un relé) o también de una manera diferente, más alto el voltaje de conducción de su pin de e/S puede manejar (de nuevo, como su servidor), o también donde se necesita protección contra inductivo kickback (una vez más, como su relevo) usted probablemente tendrá que usar una externa BJT o FET como un interruptor.

Usted puede arreglar las cosas para que el interruptor es:

1. En el lado de baja (cerca del suelo), o
2. En el lado de alta (cerca de la tensión de conducción para su relé u otro dispositivo), o
3. En ambos lados (H-bridge, puente atado de carga, etc.)

Pero usted realmente necesita para tener una buena razón para elegir (2) o (3), arriba. Que involucrar más a las partes y a menudo innecesariamente complicado si usted no tiene alguna buena razón. De modo que el lado bajo del interruptor es la primera opción examinar para algo como esto.

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Para el diseño de cualquier interruptor, de empezar con las especificaciones de lo que usted necesita para conducir y las especificaciones de lo que usted tiene para la conducción.

Veamos un ESP8266 de hoja de datos:

Aquí, usted puede ver que la corriente del cumplimiento de un pin de e/S tiene un valor máximo de \$I_{MAX}=12\:\textrm{mA}\$. Esto significa que usted debe planear para mantenerse por debajo de ese valor. Me gusta estar por debajo de la mitad de la máxima, con aún menos ser mejor si me puede gestionar. Menos es mejor, porque si usted está usando diferentes terminales de e/S como este, al mismo tiempo, la carga de suma y hay límites de disipación para todo el puerto y para todo el dispositivo. Incluso si no los declaró, que existen. A fin de mantener las cosas lo más bajo posible.

También tome nota de los límites de voltaje. Suponiendo que usted está operando en \$V_{CC}=3.3\:\textrm{V}\$, luego de que la garantía de un alto voltaje de salida de 80% de los que, o $$V_{OH}\ge 2.64\:\textrm{V}\label{voh}\tag{Voh Min}$$ (Esto significa que, cuando el abastecimiento \$I_{MAX}\$.) También garantizan un bajo voltaje de salida de 80% de los que, o $$V_{OL}\le 330\:\textrm{mV}\label{vol}\tag{Vol Max}$$ (Esto significa que, cuando se hunde \$I_{MAX}\$.)

Veamos ahora un típico relé de hoja de datos:

Desde aquí se puede ver que la resistencia es \$125\:\Omega\$ y que la corriente necesaria es \$40\:\textrm{mA}\$.

(Otro detalle es que requiere de al menos el 70% de la tensión especificado para participar, lo que confirma que un BJT de modo de interruptor, saturado \$V_{CE}\$ gota de tal vez un par de décimas de voltio es "asequibles". Si usted no entiende lo que quiero decir, o por qué lo digo, cuando yo escribo 'de modo de interruptor, saturado \$V_{CE}\$ drop", entonces usted necesita para detenerse y pensar acerca de esto. Es importante. Cuando el funcionamiento de un BJT como interruptor, usted no puede permitirse el lujo de un gran magnitud \$V_{CE}\$. Queremos que esto sea tan pequeño como práctico, de modo que realmente funciona como un interruptor. Pero para conseguir pequeñas magnitudes allí, usted necesita para operar 'saturada', que significa que el aplicable \$\beta\$ será baja.)

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El de arriba bits de datos de decir que usted realmente necesita un interruptor externo para todas las razones mencionadas anteriormente. Usted lo necesita, ya que requiere más actual de cumplimiento, a continuación, su pin de e/S puede ofrecer, porque usted quiere proteger su pin I/O de back-emf de la retransmisión de la inductancia, y debido a que el relé se requiere un mayor voltaje que el pin de e/S puede proporcionar. Ni siquiera piense en el uso de la e/S directamente!!!

Usted también puede usar casi cualquier BJT, debido a la baja corriente necesaria por el relé.

(El relé puede requerir más actual. Pero incluso si es dos veces como mucho, la mayoría de los BJTs puede controlar con relativa facilidad. Independientemente, es necesario decir que es así, si es así. [EDIT: creo que usted ha indicado en los comentarios de abajo de mi respuesta que la corriente medida es \$100\:\textrm{mA}\$. Que debe estar bien. Pero los cambios de algunos de los valores que escribo a continuación.)

En este caso, yo uso lo que tengo un montón de: OnSemi PN2222A dispositivos. Vamos a empezar por el examen de la Figura 11:

Vea la Figura 11 y usted puede obtener una gran cantidad de información importante. La primera es que "recomiendan" opera como un interruptor con \$\beta=\frac{I_C}{I_B}=10\$. (Usted puede ver esto en dos lugares: el más bajo de la curva en el gráfico, que es el valor de \$V_{CE}\$ cuando se satura, donde se especifique \$\frac{I_C}{I_B}=10\$ y también en la parte superior de la curva, que se identifican de la misma manera.) Así que esto significa $$I_B=4\:\textrm{mA}\label{ib}\tag{Ib}$$ que está bien dentro de las limitaciones de su pin I/O. Así que es bueno. La segunda es que $$V_{BE}\approx 800\:\textrm{mV}\label{vbe}\tag{Vbe}$$ con ese colector de corriente. (Basta mirar a lo largo del eje x para encontrar el colector de corriente, a continuación, buscar a donde la curva cruza con un valor de eje y.) Este último detalle será utilizado en el diseño.

Tiempo para preparar un esquema:

^{simular este circuito – Esquema creado mediante CircuitLab}

El valor de \$R_1\$ es bastante simple de calcular. En primer lugar, asumir que el pin de e/S está funcionando en su nivel más bajo de la tensión de salida cuando el alto. Ya sabes que este valor desde arriba, \$\ref{voh}\$. También, usted sabe que el valor típico para la base-emisor de voltaje de la BJT desde arriba, \$\ref{vbe}\$. Y por último, usted también sabe que la probabilidad de base actual, \$\ref{ib}\$. Así que acaba de calcular: $$R_1=\frac{2.64\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{4\:\textrm{mA}}=460\:\Omega\label{r1}\tag{R1}$$

El valor más próximo sería \$470\:\Omega\$. Así que eso es lo que se ve en el esquema. El diodo, por supuesto, proporciona una ruta de acceso para la transmisión de energía del campo magnético de colapso, cuando se trate de apagarlo. De otra manera no la conducta.

Dicen que su pin de e/S es más potente de lo que suponíamos y posee un completo \$3.3\:\textrm{V}\$ cuando se conduce a alta. A continuación, el pin de e/S y BJT corriente de base será \$\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}\$. Este también está muy bien y no me duele nada en absoluto. Por lo que este diseño debe funcionar bien.

Hay razones para la adición de una resistencia a tierra, desde la base del BJT. Uno de ellos es que ayuda a mantener la base cerca de la tierra si por alguna razón el otro extremo de \$R_1\$ fueron flotante y no está conectado a su ESP8266. Y hay otras razones. Pero no es vital aquí, así que voy a dejar fuera de la discusión de esto por ahora.

EDIT: Con usted indica (en los comentarios de abajo) el valor de \$100\:\textrm{mA}\$ para el relé, que es 2,5 veces más de lo que yo había utilizado anteriormente, usted podría considerar la idea de utilizar 2,5 veces la corriente de base. Pero también la mayoría de estas pequeñas señal de BJTs puede funcionar bien como un interruptor, con valores más altos de \$\beta\$ de lo que yo anteriormente sugerido a partir de la lectura de la Figura 11. Echemos un vistazo a la Figura 4, ahora:

Aquí, usted puede ver una curva de la etiqueta \$150\:\textrm{mA}\$, que es más de lo que necesita. El eje x es la base de la actual \$I_B\$, y el eje y es \$V_{CE}\$. Desea un valor bajo para el \$V_{CE}\$ y usted puede ver que mesetas a cabo en alrededor de \$100\:\textrm{mV}\$. Teniendo en cuenta que estas son las típicas curvas y no garantizada de las curvas, se puede ver que el uso de \$I_B\approx 8\:textrm{mA}\$ parece bastante sólido (lejos de la curva de la rodilla) y que \$10\:\textrm{mA}\$ es incluso mejor. Bien, esto sugiere que \$\beta\$ a partir de los 15 a los 20 es, probablemente, va a funcionar bastante bien.

Teniendo todo esto en conjunto para su retransmisión en \$100\:\textrm{mA}\$, se necesita alrededor de 2,5 veces la corriente de base debido a la mayor carga de retransmisión, pero usted puede permitirse el lujo de caer por un factor de 1.5 a 2.0 porque de la Figura 4 curva. Así que tal vez va de la anteriormente calculada \$I_B=4\:\textrm{mA}\$ a, quizás, \ $I_B=5\:\textrm{mA}\$ \ $I_B=6.7\:\textrm{mA}\$ está bien.

Vamos a volver a calcular la anterior ecuación de \$\ref{r1}\$: $$R_1=\frac{2.64\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{5\:\textrm{mA}}=368\:\Omega\label{r1x}\tag{R1 redo 1}$$

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

Entre estos dos? Me gustaría ir con \$R_1=330\:\Omega\$. Creo que sería el sonido. Peor de los casos pin I/O de corriente debe ser de aproximadamente \$7.5\:\textrm{mA}\$. Esto es muy por debajo del máximo de \$12\:\textrm{mA}\$ para el ESP8266 hoja de datos en la tabla I se muestran arriba, pero lo suficientemente bajo que no estaría demasiado preocupado. (Al menos, no a menos que yo sabía que era la repetición de este controlador a través de un gran número de I/O pins. En ese caso, probablemente me vaya a buscar, para ver si había un límite especificado para el dispositivo o puerto como un todo.)

Answer 2

Usted no necesita este "vudú". R1 y R3 son necesarios aquí. Un transistor bipolar está trabajando en corrientes, no voltajes. Estas resistencias son sólo necesarios para polarizar el transistor en su región lineal por lineal de los amplificadores. Usted no quiere que la amplificación lineal, de alta eficiencia de conmutación.

^{simular este circuito – Esquema creado mediante CircuitLab}

El emisor-base de voltaje \$U_{BE}\$ depende del colector de corriente, pero en general, se trata de 1V. Así, con 3.3 V en su base y una 1k resistencia base, tiene aproximadamente 2 ma corriente de base.

El uso de un transistor de cambio, estos tienen un alto valor de beta y entra en saturación a muy bajas corrientes de entrada. También se puede considerar un tipo darlington para cargas más altas. La saturación conduce a la reducción de la caída de tensión y menos producción de calor en el transistor.

Answer 3

No saturan la FETs. Por lo tanto una victoria de gran velocidad.

Y un Vbe bipolar es más o menos fijado en 0.5--0.7volts, corrientes útiles.

Mientras que un FET felizmente permite 1 o 2 o 5 o 10 voltios entre la puerta y el canal. Así una gran victoria para la flexibilidad de operación.

Answer 4

Una comparación general de los BJT y FET:

BJT: - Controlado por la corriente del dispositivo - Los portadores de carga son tanto los electrones y los huecos (de ahí bipolar) - Físicamente más grande - Muy poca entrada de la capacitancia (puede dar mayor velocidad, mayor frecuencia de amplificación) - Más amplificación lineal puesto que los beneficios no dependen de la tensión de polarización - Puede tener menor impedancia de salida, y por lo tanto la unidad de baja impedancia de carga más fácil - En general, un mayor consumo de energía debido a la corriente de control

FET: - Voltaje-controlado dispositivo (menor consumo de energía, sólo consumen energía cuando se cambia el estado en general) - Los portadores de carga son electrones o huecos (dependiendo del tipo, de ahí que unipolar) - Físicamente más pequeños - Puede escalar más fácil (la mitad de la corriente de drenaje por reducir a la mitad el tamaño de la puerta) - En general mayor capacitancia de entrada y Miller Efecto significa que a medida que la ganancia aumenta, también lo hace de la capacitancia de entrada - No puede conducir de baja impedancia baja muy bien (por lo general las necesidades de búfer etapa) - En general, menor consumo de energía

Esto no significa de ninguna manera una lista completa de las diferencias, pero esperemos que las respuestas a su pregunta en cuanto a las diferencias entre los dos tipos de transistores. En mi experiencia educativa, parece que el 95% del tiempo para el aficionado proyectos, BJT son el camino a seguir, pero a gran escala, de alta densidad proyectos, CMOS es la principal opción ya que la mayoría de los circuitos digitales son CMOS, y por lo tanto es más barato de producir, tanto en analógico y digital en el mismo proceso.

Answer 5

En algunas aplicaciones, la eficiencia energética es muy importante. Aunque hay muchas aplicaciones donde no importa realmente, mucha gente no le gusta innecesariamente la limitación de los diseños a las últimas aplicaciones.

Si uno necesita tener una sola BJT circuito basado en que es capaz de conmutar 100mA, circuito que probablemente tendrá que dibujar en algún lugar entre el 2 y el 10 ma, siempre que se supone que debe ser, si la corriente de carga es en realidad 100mA o cero. Si la carga se dibujan 100mA cualquier momento, añadiendo incluso 10mA para el consumo de energía del sistema en ese momento sólo aumentaría general de consumo de energía en un 10%. Si, sin embargo, la carga podría a menudo ser la conducción de algo que sólo se lleva a 1mA, añadiendo incluso 2mA para el consumo de energía cuando está en triplicarían el consumo de energía relacionadas con el control de esa carga. Si la carga se enciende la mayoría de las veces (pero basta con dibujar muy poca corriente), que podría ser muy derrochador.

BJTs han sido ampliamente disponible más de MOSFETs, y muchos circuitos están diseñados en torno a que la disponibilidad. No sé que cualquier particular MOSFET es tan ubicuo como el 2N3904 y 2N3906. Las partes están en ninguna parte cerca de los mejores transistores en el planeta, pero están por todas partes. No sé de ningún MOSFETs de que uno pueda decir lo mismo.