BJT'ler seviye değiştiriciler için uygun mu? FET'ler daha yaygın gibi görünüyor, nasıl karşılaştırıyorlar?

16

Ben bir hobiyim ve FET transistörlerinin veri sayfalarını / öğreticilerini hiç geçemedim; Ben bir BJT adamıyım. BJT'ye karşı FET ve her tür için en uygun spesifik uygulamalarla ilgili tartışmalar bulamadım. Projelerim çok basit anahtarlama ve mantık kapısı tarzı devreler. Bu yüzden bir projenin gereksinimlerini karşılamak için BJT'lere sahip olduğumda, sadece çalışanlarla birlikte kaldım. Öğleden sonra EE-SE üzerinde araştırma yaparak geçirdim ve çok iyi şeyler buldum. FET'lerin seviye değiştiriciler için daha popüler bir seçim olduğunu gördüm. Birisinin bazı yaygın uygulamalarda FET'ler ve BJT'lerle ilgili güçlü / zayıf yönler ve takaslar hakkında "aptallar için" bir açıklama sağlayabileceğini umuyordum.

Projem için bu seviye değiştiriciyi seçtim : 3.3V GPIO'lu bir ESP8266 kullanarak 5V röle sürmek istiyorum. Rölenin bobin akımını yaklaşık 100mA olarak ölçtüm. S8050 ve minimum parça kullanmak istiyorum, gereksinimler yüksek değil. Sadece bir PIR sensöründeki pimi okumak için ESP8266 kullanıyorum ve ayrıca bir röle kullanarak bir ışığı kontrol etmek için bazı geçiş anahtarlarını okuyorum. Yukarıdaki devre iyi bir seçim mi? Kendi devremi tasarladım, ama kullanmayacağım. Yine de, birisinin tasarımımın bazı önsezilere, tahminlere ve belki de biraz vuduya dayanan bir analizini sağlayıp sağlamayacağını anlamaya yardımcı olur.

Kısaca, temel akımımın (GPIO çıkışı 3.3V - Q1'in 0.7V tabanı) / 1K ohm R2 = 2.6mA, 5 olduğunu düşündüğüm R1 / R3 voltaj bölücündeki akımdan çok fazla etkilenmeyeceğini düşündüm. / (100K + 100K) = 25uA. R1, R2, R3 ve U1'in tabanının birleşiminin nasıl çalışacağını bilmiyorum; U1'in tabanının 2.5V'yi bölücünün 0.7V'ye kadar düşüreceğini tahmin ettim, ancak GPIO'nun kaynakladığı 2.6mA'yı nasıl etkileyeceğinden emin değildi. Bu yüzden bağladığım devre ile gittim.

relay gpio level-shifting

— JRE
kaynak

1

R1 ne yapıyor?

— pericynthion

Vudu burada devreye giriyor: sadece çeşitli devre web sitelerinden tanıdık gelen bir şey. Büyülü 8 topuma danıştıktan sonra devreyi "önyargıya sokmayı" deneyeceğim. Temel olarak, sadece GPIO pininin 3.3V'u aşmasını önlemek istedim. Dediğim gibi, "vudu" (ya da belki batıl inanç ... her neyse).

5

FET'lerin popülaritesinin bir kısmının, akım tahrikli olmaktan ziyade voltaj olması ve anahtarlama uygulamaları kullanan çoğu insanın, birçok bakımdan daha kolay anlaşılmalarıdır. BJT'li akımlarda düşünmek biraz kafa karıştırıcı olabilir. İronik dezavantajı bazen FETS'nin kapıya uygulamak için bu voltaja ihtiyacınız olması ve pozitif rayınızın üzerinde ekstra voltunuz olmamasıdır.

— Ian Bland

17

Ray. Evet, hayal edebileceğiniz her türlü anahtarlama düzenlemesi için BJT'leri kullanma konusunda yüzlerce olmasa da binlerce iyi sayfa var. Ayrıca seviye değiştiricileri olarak da iyi çalışıyorlar , ancak bu ifadeyi kullanmanıza rağmen aslında burada durumunuzun bu olduğunu düşünmüyorum. BJT'leri kullanarak seviye kaydırma örneğine bakmak isterseniz, cevabımı burada görebilirsiniz .

Aşağıda, size bir balık vermek yerine, size balık tutmayı deneyeceğim.

G / Ç pininizi (röle gibi) aşan veya aynı zamanda G / Ç piminizin işleyebileceğinden (tekrar röleniz gibi) farklı, daha yüksek bir sürüş voltajı veya mevcut endüktife karşı biraz korumaya ihtiyaç duyduğunuzdan daha fazla akım uyumu içeren durumlar için geri tepme (bir kez daha röleniz gibi) büyük olasılıkla anahtar olarak harici bir BJT veya FET kullanmak isteyeceksiniz.

Anahtarı şu şekilde düzenleyebilirsiniz:

Düşük tarafta (yere yakın) veya
Yüksek tarafta (röleniz veya diğer cihazlarınız için sürüş voltajının yakınında) veya
Her iki tarafta (H köprüsü, köprü bağlı yük, vb.)

Ancak, yukarıdaki (2) veya (3) seçimini yapmak için gerçekten iyi bir nedeniniz olması gerekir. İyi bir nedeniniz yoksa daha fazla parça içerir ve genellikle gereksiz yere karmaşıktırlar. Bu nedenle, düşük taraf anahtarı, böyle bir şeyi incelemek için ilk seçimdir.

Herhangi bir anahtarı tasarlamak için, sürmeniz gerekenlerin ve sürmek için sahip olduğunuz özelliklerin özellikleri ile başlarsınız.

Bir ESP8266 veri sayfasına bakalım :

Burada, bir G / Ç pini için geçerli uyumluluğun maksimum değerine sahip $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$ . Bu, bu değerin altında kalmayı planlamanız gerektiği anlamına gelir. Maksimumun yarısının altında kalmayı seviyorum, eğer yönetebiliyorum daha az. Daha azı daha iyidir çünkü aynı anda bunun gibi birkaç farklı G / Ç pini kullanıyorsanız, yükleme eklenir ve tüm bağlantı noktası ve tüm cihaz için dağıtım sınırları vardır. Belirtilmeseler bile var olurlar. Bu yüzden işleri mümkün olduğunca düşük tutun.

Ayrıca voltaj sınırlarına da dikkat edin. üzerinde çalıştığınızı varsayarsak , daha sonra yüksek olduğu% 80 çıkış gerilimini veya garanti $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$ (kaynak, bu araçlar,). Ayrıca, bu% 80 düşük çıkış gerilimi sağlamak veya

\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}

$I_{MAX}$

(Bu, battığında

anlamına gelir.)

\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}

$I_{MAX}$

Şimdi tipik bir röle veri sayfasına bakalım :

Buradan direncin ve gerekli akımın $125\:\Omega$ $40\:\textrm{mA}$ .

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

Yukarıdaki veri parçaları, daha önce bahsedilen tüm nedenler için gerçekten harici bir anahtara ihtiyacınız olduğunu söylüyor. I / O pininizi sağlayabildiğinden daha fazla akım uyumu gerektirdiğinden, I / O pininizi röle endüktansından arka emf'den korumak istediğiniz ve röle G / Ç'nizden daha yüksek bir voltaj gerektirdiğinden buna ihtiyacınız var pin sağlayabilir. G / Ç'yi doğrudan kullanmayı düşünmeyin!

Rölenin ihtiyaç duyduğu düşük akım nedeniyle hemen hemen her BJT'yi de kullanabilirsiniz.

(Röleniz daha fazla akım gerektirebilir. Ancak iki kat daha fazla olsa bile, çoğu BJT bunu nispeten kolay bir şekilde halledebilir. Ne olursa olsun, bunu söylemeniz gerekir. [EDIT: Cevabımın altındaki yorumlarda belirttiğinizi düşünüyorum ölçülen akımın $100\:\textrm{mA}$ . Bu iyi olmalı. Ancak, aşağıda yazdığım bazı değerleri değiştirir.)

Bu durumda, sahip olduğum birçok şeyi kullanacağım: OnSemi PN2222A cihazları. Şekil 11'i inceleyerek başlayalım:

Şekil 11'e bakın ve birçok önemli bilgi edinebilirsiniz. Birincisi, ile bir anahtar olarak çalıştırmayı "önermeleri" $\beta=\frac{I_C}{I_B}=10$ $V_{CE}$ $\frac{I_C}{I_B}=10$

\begin{matrix} (Ib) & I_{B} = 4 mA \end{matrix}

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

\begin{matrix} (Vbe) & V_{B E} \approx 800 mV \end{matrix}

$V_{BE}\approx 800\:\textrm{mV}\label{vbe}\tag{Vbe}$ bu kolektör akımı ile . (Sadece kollektör akımını bulmak için x ekseni boyunca bakın, sonra eğrinin bir y ekseni değeriyle kesiştiği yere bakın.) Bu son detay tasarımda kullanılacaktır.

Şematik hazırlama zamanı:

schematic

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

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

\begin{matrix} (R1) & R_{1} = \frac{2.64 V - 800 mV}{4 mA} = 460 Ω \end{matrix}

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

$470\:\Omega$

G / Ç pininizin varsaydığımızdan daha güçlü olduğunu ve tam olduğunu varsayalım $3.3\:\textrm{V}$ sürüş sırasında. Sonra I / O pimi ve BJT baz akımı olacaktır. $\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

BJT tabanından toprağa bir direnç eklemek için nedenler vardır. Birincisi, diğer ucu herhangi bir nedenle $R_1$

DÜZENLEME: Sizinle (aşağıdaki yorumlarda) değerini belirttiğinizde $100\:\textrm{mA}$ $\beta$

Burada, etiketli bir eğri görebilirsiniz. $150\:\textrm{mA}$ $I_B$ $V_{CE}$ $V_{CE}$ ve yaklaşık yaylalar olduğunu görebilirsiniz. $100\:\textrm{mV}$ $I_B\approx 8\:textrm{mA}$ $10\:\textrm{mA}$ $\beta$

Tüm bunları röleniz için bir araya getirme $100\:\textrm{mA}$ $I_B=4\:\textrm{mA}$ $I_B=5\:\textrm{mA}$ $I_B=6.7\:\textrm{mA}$

$\ref{r1}$

\begin{matrix} (R1 redo 1) & R_{1} = \frac{2.64 V - 800 mV}{5 mA} = 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 redo 2) & R_{1} = \frac{2.64 V - 800 mV}{6.7 mA} = 275 Ω \end{matrix}

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

Bu ikisi arasında mı? Sadece ile giderdim $R_1=330\:\Omega$ $7.5\:\textrm{mA}$ $12\:\textrm{mA}$

— Jonk
kaynak

Mükemmel cevap! Bu kullandığım devre olacak, zaten attığım 2N2222A var. Bu malzemeyi patlattığımı düşündüm, ama yaptığınız ayrıntıya girdiğinize sevindim çünkü bazı şeylerde biraz titrek olduğumu görüyorum: İlk olarak, yüksek için garantili değerlere dikkat edeceğim % 100'ünde (veya durum ne olursa olsun) seviye çıkış voltajı ve faktörü, hesaplamalarımda sadece% 100'ü kullanmak yerine. Beni gerçekten şaşırtan şey, kolektör akımı / baz akımının beta parametresini kullanmanızdı. Bunca zamandır hFE kullanıyorum. Ben

sorumun hesaplamaları, yani: 5V besleme kullanarak röle aracılığıyla 100mA ölçtüm (baskı üzerine yapıştırdım çünkü veri sayfasını alamıyorum). Bunu önerilen bir 2X-5X güvenlik marjı ile çarptım, bu yüzden 260mA'ya yerleştim. Kollektör akımı için kullandığım bu değil mi? 2.6mA baz akımı elde etmek için bunu 100 hFE'ye böldüm. İşte burada kafam karıştı: hFE'nin koleksiyoncuya üssün şu anki kazancı olduğunu düşündüm. Beta = Icollector / Ibase düzenlemesi temel akım X beta = toplayıcı akımını verir. Nereye kaçtım? Ayrıca Şekil 11'deki grafikten de şaşırıyorum

@ Ray71 Bir anahtar gibi davranmasını istiyorsanız, BJT'yi aşırı sürmeniz gerekir. Şekil 11'e bakın.

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ ve bu bir

β

$\beta$ alışkınsın. Ancak diğer eğri "doygunluk" içindir. Bir anahtarla istediğiniz şey budur. Röle akımınız

100 mA

$100\:\textrm{mA}$ o zaman bence bir kullanarak iyi olacak

β = 15

$\beta=15$ veya biraz daha yüksek olabilir. Bu da G / Ç pininiz için hala çalışmasını sağlar.

— jonk

Üstte, 2 tanesi iyi etiketlenmiş 3 parsel var, ancak üçüncüsü basitçe "1.0 V" diyor. "Vbe (sat) @ Ic / Ib = 10" etiketli olanı kullanmama rağmen "1.0V" yi merak ediyorum. Koruma diyotu için 1N4001-1N4007 aralığında olanları kullanma alışkanlığım vardı. Yine, cehalet dışında, hassas görünümlü 1N4148'den daha "beffier" olmanın daha "ağır görev" anlamına geldiğini düşündüm. Şu andan itibaren 1N4148 ile birlikteyim, sadece diyotun

@ Ray71 BJT,

V_{C E}

$V_{CE}$ volttan daha az olur. Sürmek istiyorsun

V_{C E}

$V_{CE}$ bir voltun çok altında. Bu yüzden buna doymuş bir durum olarak yaklaşmalısınız ve eğrileri

V_{C E} = 1 V

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

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ , tabii ki. Bunlar çok kötü anahtarlar olurdu. Size uygun herhangi bir diyotu kullanmaktan çekinmeyin. Çoğu hayatta kalacak. Endüktif geri tepmeyi hesaplama ayrıntılarına girmek istemedim. (Bu yapılabilir.)

— jonk

10

Bu "vudu" ya ihtiyacınız yok. Hem R1 hem de R3 burada gereksizdir. İki kutuplu bir transistör voltajlar üzerinde değil, akımlar üzerinde çalışıyor. Bu dirençler sadece transistörü lineer amplifikatörler için lineer bölgesine saptırmak için gereklidir. Doğrusal amplifikasyon istemiyorsunuz, yüksek verimli anahtarlama istiyorsunuz.

schematic

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Verici-taban voltajı $U_{BE}$ toplayıcı akımına bağlıdır, ancak genel olarak yaklaşık 1V'dir. Tabanda 3.3V ve 1k baz direnç ile yaklaşık 2mA baz akımınız var.

Bir anahtarlama transistörü kullanın, bunlar yüksek bir beta değerine sahiptir ve çok düşük giriş akımlarında doygunluğa girer. Daha yüksek yükler için darlington tipini de düşünebilirsiniz. Doygunluk, transistörde daha düşük voltaj düşüşüne ve daha az ısı üretimine yol açar.

— Janka
kaynak

4

FET'ler doymaz. Böylece büyük bir hız kazanır.

Ve bipolar bir Vbe, yararlı akımlar için hemen hemen 0.5-0.7 volt'a ayarlanır.

Oysa bir FET, kapı ve kanal arasında mutlulukla 1 veya 2 veya 5 veya 10 volta izin verir. Böylece operasyon esnekliği için büyük bir kazanç.

— analogsystemsrf
kaynak

2

BJT ve FET'lerin genel bir karşılaştırması:

BJT: - Akım kontrollü cihaz - Şarj taşıyıcıları hem elektronlar hem de deliklerdir (dolayısıyla bipolar) - Fiziksel olarak daha büyük - Çok az giriş kapasitansı (daha yüksek hız / daha yüksek frekans amplifikasyonu verebilir) - Kazanç ön gerilime bağlı olmadığından daha doğrusal amplifikasyon - Daha düşük çıkış empedansına sahip olabilir ve bu nedenle düşük empedanslı yükleri daha kolay sürür - Akım kontrolü nedeniyle genellikle daha yüksek güç tüketimi

FET: - Voltaj kontrollü cihaz (daha düşük güç tüketimi, sadece genel olarak anahtarlama durumunda güç çeker) - Şarj taşıyıcıları elektron veya deliktir (tipe bağlı olarak, bu nedenle tek kutuplu) - Fiziksel olarak daha küçük - Daha kolay ölçeklenebilir (kapıyı yarıya indirerek yarı tahliye akımı) boyutu) - Genel olarak daha yüksek giriş kapasitansı ve Miller Etkisi, kazanç arttıkça giriş kapasitansı da anlamına gelir - Düşük empedanslı düşük çok iyi süremez (genellikle tampon aşamasına ihtiyaç duyar) - Genel olarak daha düşük güç tüketimi

Bu kesinlikle farklılıkların tam bir listesi değildir, ancak umarım iki tip transistör arasındaki farklarla ilgili sorunuza cevap verir. Eğitim deneyimime göre, hobiist projeler için zamanın% 95'i, BJT'lerin gitmenin yolu olduğu görülüyor, ancak büyük ölçekli, yüksek yoğunluklu projeler için CMOS, çoğu dijital devre CMOS olduğu için birincil seçimdir ve bu nedenle daha ucuzdur. aynı süreçte hem analog hem de dijital üretmek.

— K.Effinger
kaynak

0

Bazı uygulamalarda, enerji verimliliği çok önemlidir. Gerçekten önemli olmadığı birçok uygulama olmasına rağmen, birçok insan gereksiz uygulamalarla ikinci uygulamaları sınırlandırmaz.

Birinin 100mA'yı değiştirebilen tek BJT tabanlı bir devresi olması gerekiyorsa, bu devrenin, açık olması gerektiğinde , yük akımı gerçekten 100mA veya sıfır olsun, muhtemelen 2-10mA arasında bir yere çekilmesi gerekecektir . Eğer yük her açıldığında 100mA çekecekse, o zaman sistemin güç çekişine 10mA eklemek bile toplam güç tüketimini sadece% 10 artıracaktır. Bununla birlikte, yük genellikle sadece 1mA alan bir şey kullanıyor olabilir, açıkken güç çekişine 2mA bile ekleyerek bu yükün kontrol edilmesiyle ilgili güç tüketimini üç katına çıkarır. Yük çoğu zaman çalıştırılacaksa (ancak sadece çok az akım çekin) bu çok israf olabilir.

BJTs have been widely available longer than MOSFETs, and many circuits are designed around that availability. I don't know that any particular MOSFET is quite as ubiquitous as the 2N3904 and 2N3906. Those parts are nowhere near the best transistors on the planet, but they're everywhere. I don't know of any MOSFETs of which one can say the same.

— supercat
kaynak