¿Son adecuados los BJT para los cambiadores de nivel? Parece que los FET son más comunes, ¿cómo se comparan?

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Soy aficionado y nunca supere las hojas de datos / tutoriales para los transistores FET; Soy un hombre BJT. Nunca encontré discusiones sobre BJT vs. FET y aplicaciones específicas más adecuadas para cada tipo. Mis proyectos son circuitos muy simples de conmutación y estilo de puerta lógica. Entonces, una vez que obtuve BJT para satisfacer los requisitos de un proyecto, me quedé con lo que estaba funcionando. Pasé la tarde investigando esto en EE-SE y encontré muchas cosas buenas. Descubrí que los FET parecían la opción más popular para los cambiadores de nivel. Esperaba que alguien pudiera proporcionar una explicación "para tontos" con respecto a las fortalezas / debilidades y compensaciones involucradas con los FET y BJT en algunas aplicaciones comunes.

Elegí este cambiador de nivel para mi proyecto: quiero conducir un relé de 5V usando un ESP8266 que tiene GPIO de 3.3V. Medí la corriente de la bobina del relé para que sea correcta alrededor de 100 mA. Quiero usar un S8050 y un mínimo de piezas, los requisitos no son altos. Solo estoy usando el ESP8266 para leer el pin en un sensor PIR y también leo algunos interruptores para controlar una luz usando un relé. ¿Es el circuito anterior una buena opción? Diseñé mi propio circuito, pero no lo voy a usar. Aún así, ayudaría a mi comprensión si alguien amablemente proporcionara un análisis de mi diseño, que se basara en algunas corazonadas, conjeturas y tal vez un poco de vudú.

Brevemente, razoné que mi corriente base (salida GPIO 3.3V - 0.7V base de Q1) / 1K ohmios de R2 = 2.6mA no se vería muy afectada por la corriente en el divisor de voltaje R1 / R3, que creo que es 5 / (100K + 100K) = 25uA. No sé cómo funcionará la unión de R1, R2, R3 y la base de U1; Supuse que la base de U1 reduciría los 2.5V del divisor a 0.7V, pero no estaba seguro de cómo afectaría los 2.6mA que genera la GPIO. Por eso fui con el circuito que conecté.

relay gpio level-shifting

— JRE
fuente

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¿Qué está haciendo R1?

— pericynthion

Aquí es donde entra el vudú: es algo que parece familiar en varios sitios web de circuitos. Después de consultar mi bola mágica de 8, pensé que intentaría "sesgar" el circuito. Principalmente, solo quería evitar que el pin GPIO superara los 3.3V. Como dije, "vudú" (o tal vez superstición ... lo que sea).

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Sospecho que parte de la popularidad de los FET es que, siendo el voltaje en lugar de la corriente, y la mayoría de las personas que usan aplicaciones de conmutación, son más fáciles de entender en muchos aspectos. Tener que pensar en las corrientes con BJT puede ser un poco irritante. La desventaja irónico a veces con FETS es que necesita que el voltaje a aplicar a la puerta, y no se tiene voltios adicionales por encima de su carril positivo, etc

— Ian Bland

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Rayo. Sí, hay cientos, si no miles de buenas páginas sobre el uso de BJT para casi cualquier tipo de arreglo de cambio que puedas imaginar. También funcionan bien como cambiadores de nivel , aunque a pesar de que usas esa frase, en realidad no creo que esa sea tu situación aquí. Si desea ver un ejemplo de cambio de nivel utilizando BJT, puede ver mi respuesta aquí .

A continuación, en lugar de darte un pez, intentaré enseñarte a pescar.

Para situaciones que involucran el cumplimiento de la corriente que excede su pin de E / S (como un relé) o también un voltaje de conducción diferente y más alto que el que puede manejar su pin de E / S (nuevamente, como su relé), o también donde necesita alguna protección contra inductivo retroceso (una vez más, como su relé) probablemente desee utilizar un BJT o FET externo como interruptor.

Puede organizar las cosas para que el cambio sea:

En el lado bajo (cerca del suelo), o
En el lado alto (cerca del voltaje de conducción de su relé u otro dispositivo), o
En ambos lados (puente H, carga atada al puente, etc.)

Pero realmente necesita tener una buena razón para elegir (2) o (3), arriba. Implican más partes y, a menudo, son innecesariamente complicadas si no tienes una buena razón. Entonces, el interruptor del lado bajo es la primera opción para examinar algo como esto.

Para diseñar cualquier interruptor, comienza con las especificaciones de lo que necesita conducir y las especificaciones de lo que tiene para conducirlo.

Veamos una hoja de datos ESP8266 :

Aquí, puede ver que el cumplimiento actual de un pin de E / S tiene un valor máximo de . Esto significa que debe planear mantenerse por debajo de ese valor. Me gusta estar por debajo de la mitad del máximo, y aún menos ser mejor si puedo manejarlo. Menos es mejor porque si está utilizando varios pines de E / S diferentes al mismo tiempo, la carga se suma y hay límites de disipación para todo el puerto y también para todo el dispositivo. Incluso si no se mencionan, existen. Así que mantenga las cosas lo más bajo posible. $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

También tome nota de los límites de voltaje. Suponiendo que está operando en , entonces garantizan un alto voltaje de salida del 80% de eso, o $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$ (Esto significa, cuando se obtiene). También garantizan un bajo voltaje de salida del 80% de eso, o

\begin{matrix} (Voh Min) & V_{O H} \geq 2,64 V \end{matrix}

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

I_{M A X}

$I_{MAX}$

(Esto significa, cuando se hunde

)

\begin{matrix} (Vol Max) & V_{O L} \leq 330 mV \end{matrix}

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

I_{M A X}

$I_{MAX}$

Veamos ahora una hoja de datos de retransmisión típica :

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

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

Los bits de datos anteriores dicen que realmente necesita un interruptor externo por todas las razones mencionadas anteriormente. Lo necesita porque requiere un mayor cumplimiento de la corriente que su pin de E / S puede proporcionar, porque desea proteger su pin de E / S contra la fem inversa de la inductancia del relé y porque el relé requiere un voltaje más alto que su E / S pin puede proporcionar. ¡Ni siquiera piense en usar la E / S directamente!

También puede usar casi cualquier BJT, debido a la baja corriente que necesita el relé.

$100\:\textrm{mA}$

En este caso, usaría lo que tengo mucho: dispositivos OnSemi PN2222A . Comencemos examinando la Figura 11:

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

\begin{matrix} (Ib) & {yo}_{si} = 4 4 mamá \end{matrix}

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

\begin{matrix} (Vbe) & V_{si mi} \approx 800 mV \end{matrix}

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

Tiempo para preparar un esquema:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

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

\begin{matrix} (R1) & R_{1} = \frac{2,64 V - 800 mV}{4 4 mamá} = 460 Ω \end{matrix}

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

$470\:\Omega$

Digamos que su pin de E / S es más poderoso de lo que asumimos y tiene un completo $3.3\:\textrm{V}$ $\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

$R_1$ flota y no está conectado a su ESP8266. Y hay otras razones. Pero no es vital aquí, así que dejaré la discusión al respecto por ahora.

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

$150\:\textrm{mA}$ $I_B$ $V_{CE}$ $V_{CE}$ $100\:\textrm{mV}$ $I_B\approx 8\:textrm{mA}$ $10\:\textrm{mA}$ $\beta$ de aproximadamente 15 a 20 probablemente funcionará bastante bien.

Tomando todo esto juntos para su relevo en $100\:\textrm{mA}$ $I_B=4\:\textrm{mA}$ $I_B=5\:\textrm{mA}$ $I_B=6.7\:\textrm{mA}$ está bien.

$\ref{r1}$

\begin{matrix} (R1 rehacer 1) & R_{1} = \frac{2,64 V - 800 mV}{5 5 mamá} = 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 rehacer 2) & R_{1} = \frac{2,64 V - 800 mV}{6.7 mamá} = 275 Ω \end{matrix}

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

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

— jonk
fuente

Excelente respuesta! Este será el circuito que use, ya tengo algunos 2N2222A que he eliminado. Pensé que tenía este material abajo, pero me alegra que hayas entrado en los detalles que hiciste porque veo que estoy un poco inestable en algunas cosas: primero, prestaré atención a los valores garantizados para altos Nivel de voltaje de salida y factor en el 80% (o lo que sea el caso), en lugar de usar el 100% completo en mis cálculos. Lo que realmente me sorprendió fue su uso del parámetro beta de la corriente de colector / corriente base. He estado usando hFE todo este tiempo. Lo pasé por alto

los cálculos en mi pregunta, entonces: medí 100 mA a través del relé usando un suministro de 5 V (no puedo obtener la hoja de datos porque me he pegado sobre la impresión). Lo multipliqué por un margen de seguridad sugerido de 2X-5X, así que me decidí por 260mA. ¿No es eso lo que uso para la corriente de colector? Dividí esto por el hFE de 100 para obtener una corriente base de 2.6mA. Así que aquí es donde estoy confundido: pensé que hFE era la ganancia actual de la base para el coleccionista. Reorganizar beta = Icollector / Ibase proporciona la corriente base X beta = corriente de colector. ¿Dónde me he resbalado? También estoy perplejo por el gráfico en la Fig. 11,

@ Ray71 Debe sobrecargar el BJT si quiere que actúe como un interruptor. Mire la Figura 11. Puede ver curvas con

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ y esto sería con un

β

$\beta$ estás acostumbrado Pero la otra curva es para la "saturación". Que es lo que quieres con un interruptor. Si la corriente de su relé es

100 mA

$100\:\textrm{mA}$ entonces creo que estarás bien usando un

β = 15

$\beta=15$ o un poco más alto, tal vez. Lo que hace que aún funcione para su pin de E / S.

— jonk

En la parte superior hay 3 parcelas, 2 de las cuales están bien etiquetadas, pero la tercera simplemente dice "1.0 V". Aunque utilicé el etiquetado, "Vbe (sat) @ Ic / Ib = 10", tengo curiosidad sobre el "1.0V". Para el diodo de protección, tenía la costumbre de usar unos en el rango 1N4001-1N4007 ¿Cuánto importa esto? Nuevamente, por ignorancia, pensé que ser "más beff" que el delicado 1N4148 significaba que era más "pesado". Estoy a bordo del 1N4148 de ahora en adelante, solo preguntándome sobre el . diferencia de comportamiento que he inferirse de él esquemática que el cátodo del diodo debe conectarse a

@ Ray71 El BJT se satura cada vez más a medida que

V_{C E}

$V_{CE}$ obtiene menos de un voltio. Quieres conducir

V_{C E}

$V_{CE}$ muy por debajo de un voltio. Por lo tanto, debe abordar esto como una situación saturada y no puede usar las curvas donde

V_{C E} = 1 V

$V_{CE}=1\:\textrm{V}$ o

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ obviamente. Esos serían muy malos interruptores. Siéntase libre de usar cualquier diodo que funcione para usted. La mayoría sobrevivirá. No quería entrar en detalles para calcular el retroceso inductivo. (Se puede hacer.)

— jonk

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No necesitas este "vudú". Tanto R1 como R3 son innecesarios aquí. Un transistor bipolar funciona con corrientes, no con voltajes. Estas resistencias solo son necesarias para polarizar el transistor en su región lineal para amplificadores lineales. No desea amplificación lineal, desea conmutación de alta eficiencia.

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El voltaje base emisor $U_{BE}$ depende de la corriente del colector pero, en general, es de aproximadamente 1V. Entonces, con 3.3V en su base y una resistencia base de 1k, tiene aproximadamente 2mA de corriente base.

Use un transistor de conmutación, estos tienen un valor beta alto y entran en saturación a corrientes de entrada muy bajas. También puede considerar un tipo darlington para cargas más altas. La saturación conduce a una menor caída de voltaje y a una menor producción de calor en el transistor.

— Janka
fuente

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Los FET no se saturan. Por lo tanto, una gran velocidad gana.

Y un Vbe bipolar está más o menos establecido en 0.5-0.7 voltios, para corrientes útiles.

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

— analogsystemsrf
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Una comparación general de BJT y FET:

BJT: - Dispositivo controlado por corriente - Los portadores de carga son electrones y agujeros (por lo tanto, bipolares) - Físicamente más grande - Muy poca capacitancia de entrada (puede proporcionar una mayor velocidad / amplificación de frecuencia más alta) - Más amplificación lineal ya que la ganancia no depende del voltaje de polarización - Puede tener una impedancia de salida más baja y, por lo tanto, manejar cargas de baja impedancia más fácilmente.

FET: - Dispositivo controlado por voltaje (menor consumo de energía, solo consume energía cuando se cambia el estado en general) - Los portadores de carga son electrones u orificios (dependiendo del tipo, por lo tanto, unipolar) - Físicamente más pequeño - Puede escalar más fácilmente (la mitad de la corriente de drenaje a la mitad de la compuerta) tamaño) - Generalmente, la capacitancia de entrada más alta y el efecto Miller significa que a medida que aumenta la ganancia, también lo hace la capacitancia de entrada - No se puede manejar la baja impedancia muy bien (generalmente necesita una etapa de amortiguación) - Generalmente un menor consumo de energía

De ninguna manera es una lista completa de diferencias, pero esperamos que responda su pregunta sobre las diferencias entre los dos tipos de transistores. En mi experiencia educativa, parece que el 95% del tiempo para proyectos de aficionados, los BJT son el camino a seguir, pero para proyectos a gran escala y de alta densidad, CMOS es la opción principal ya que la mayoría de los circuitos digitales son CMOS, y por lo tanto es más barato para producir tanto analógico como digital en el mismo proceso.

— K.Effinger
fuente

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En algunas aplicaciones, la eficiencia energética es muy importante. Aunque hay muchas aplicaciones en las que realmente no importa, a muchas personas no les gusta limitar innecesariamente los diseños a las últimas aplicaciones.

Si uno necesita tener un solo circuito basado en BJT que sea capaz de conmutar 100 mA, ese circuito probablemente necesitará consumir entre 2 y 10 mA cada vez que se supone que está encendido, ya sea que la corriente de carga sea realmente de 100 mA o cero . Si la carga realmente consumirá 100 mA cada vez que esté encendida, agregar incluso 10 mA al consumo de energía del sistema en ese momento solo aumentaría el consumo general de energía en un 10%. Sin embargo, si la carga a menudo puede conducir algo que solo requiere 1 mA, agregar incluso 2 mA al consumo de energía cuando está encendido triplicaría el consumo de energía relacionado con el control de esa carga. Si la carga se enciende la mayor parte del tiempo (pero simplemente consume muy poca corriente), eso podría ser un desperdicio.

Los BJT han estado ampliamente disponibles durante más tiempo que los MOSFET, y muchos circuitos están diseñados en torno a esa disponibilidad. No sé si un MOSFET particular es tan ubicuo como el 2N3904 y el 2N3906. Esas partes no están cerca de los mejores transistores del planeta, pero están en todas partes. No conozco ningún MOSFET de los cuales uno pueda decir lo mismo.

— Super gato
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