Apakah BJT cocok untuk pemindah level? Tampaknya FET lebih umum, bagaimana mereka membandingkan?

16

Saya seorang hobbyist, dan tidak pernah melewati lembar data / tutorial untuk transistor FET; Saya seorang pria BJT. Saya tidak pernah menemukan diskusi yang berhubungan dengan BJT vs FET dan aplikasi spesifik yang paling cocok untuk setiap jenis. Proyek saya sangat sederhana switching dan sirkuit gaya gerbang logika. Jadi, begitu saya mendapatkan BJT untuk memenuhi persyaratan proyek, saya hanya bertahan dengan apa yang berhasil. Saya telah menghabiskan sore hari meneliti ini pada EE-SE dan menemukan banyak hal bagus. Saya menemukan bahwa FET tampaknya menjadi pilihan yang lebih populer untuk pemindah level. Saya berharap seseorang dapat memberikan penjelasan "untuk boneka" tentang kekuatan / kelemahan dan pertukaran yang terlibat dengan FET dan BJT dalam beberapa aplikasi umum.

Saya memilih ini tingkat-shifter untuk proyek saya: Saya ingin drive relay 5V menggunakan ESP8266 yang memiliki 3.3V GPIOs. Saya mengukur arus koil relay menjadi benar sekitar 100mA. Saya ingin menggunakan S8050 dan minimum suku cadang, persyaratannya tidak tinggi. Saya hanya menggunakan ESP8266 untuk membaca pin pada sensor PIR dan juga membaca beberapa sakelar sakelar untuk mengontrol cahaya menggunakan relai. Apakah rangkaian di atas merupakan pilihan yang baik? Saya mendesain sirkuit saya sendiri, tetapi saya tidak akan menggunakannya. Namun, itu akan membantu pemahaman saya jika seseorang dengan baik hati memberikan analisis desain saya, yang didasarkan pada beberapa firasat, tebakan, dan mungkin sedikit voodoo.

Secara singkat, saya beralasan bahwa arus basis saya (keluaran GPIO 3.3V - basis 0.7V dari Q1) / 1K ohm dari R2 = 2.6mA tidak akan banyak dipengaruhi oleh arus pada pembagi tegangan R1 / R3 yang menurut saya adalah 5 / (100K + 100K) = 25uA. Saya tidak tahu bagaimana persimpangan basis R1, R2, R3 dan U1 akan bekerja; Saya menduga bahwa basis U1 akan menarik 2.5V pembagi ke 0.7V, tetapi tidak yakin bagaimana hal itu akan mempengaruhi 2.6mA bahwa sumber GPIO. Itu sebabnya saya pergi dengan sirkuit yang saya tautkan.

relay gpio level-shifting

— JRE
sumber

1

Apa yang sedang dilakukan R1?

— pericynthion

Di sinilah voodoo masuk: itu hanya sesuatu yang terlihat akrab dari berbagai situs web sirkuit. Setelah berkonsultasi dengan 8-ball ajaib saya, saya pikir saya akan mencoba "membiasakan" sirkuit. Terutama, saya hanya ingin menjaga pin GPIO dari melebihi 3.3V. Seperti yang saya katakan, "voodoo" (atau mungkin takhayul ... apa pun).

5

Saya menduga sebagian dari popularitas FET adalah bahwa, karena tegangan daripada didorong saat ini, dan kebanyakan orang menggunakan aplikasi switching, mereka lebih mudah dipahami dalam banyak hal. Harus berpikir dalam arus dengan BJT bisa sedikit menggigil. Kerugian ironisnya kadang-kadang dengan FETS adalah bahwa Anda memerlukan tegangan itu untuk diterapkan ke gerbang, dan Anda tidak punya volt ekstra di atas rel positif Anda, dll.

— Ian Bland

17

Sinar. Ya, ada ratusan jika tidak ribuan halaman bagus tentang penggunaan BJT untuk hampir semua jenis pengaturan switching yang dapat Anda bayangkan. Mereka juga berfungsi dengan baik sebagai pemindah level , meskipun meskipun Anda menggunakan frase itu, saya sebenarnya tidak berpikir itu adalah situasi Anda di sini. Jika Anda ingin melihat contoh pergeseran level menggunakan BJT, Anda dapat melihat jawaban saya di sini .

Di bawah, daripada memberi Anda ikan, saya akan mencoba dan mengajar Anda untuk memancing.

Untuk situasi yang melibatkan kepatuhan saat ini yang melebihi pin I / O Anda (seperti relai) atau juga tegangan mengemudi yang berbeda dan lebih tinggi daripada yang bisa ditangani oleh pin I / O Anda (sekali lagi, seperti relai Anda), atau juga di mana Anda memerlukan perlindungan terhadap induktif kickback (sekali lagi, seperti relay Anda), Anda mungkin ingin menggunakan BJT atau FET eksternal sebagai saklar.

Anda dapat mengatur berbagai hal sehingga saklarnya adalah:

Di sisi rendah (dekat tanah), atau
Di sisi yang tinggi (di dekat tegangan penggerak untuk relai atau perangkat lain), atau
Di kedua sisi (jembatan-H, beban yang diikat jembatan, dll.)

Tetapi Anda benar-benar perlu memiliki alasan yang baik untuk memilih (2) atau (3), di atas. Mereka melibatkan lebih banyak bagian dan sering kali tidak perlu rumit jika Anda tidak memiliki alasan yang bagus. Jadi saklar sisi bawah adalah pilihan pertama untuk memeriksa sesuatu seperti ini.

Untuk merancang sakelar apa pun, Anda mulai dengan spesifikasi apa yang perlu Anda kendarai dan spesifikasi apa yang Anda miliki untuk mengendarainya.

Mari kita lihat lembar data ESP8266 :

Di sini, Anda dapat melihat bahwa kepatuhan saat ini untuk pin I / O memiliki nilai maksimum . Ini berarti Anda harus merencanakan untuk tetap berada di bawah nilai itu. Saya suka tetap di bawah setengah dari maksimum, dengan masih kurang menjadi lebih baik jika saya bisa mengelolanya. Lebih sedikit lebih baik karena jika Anda menggunakan beberapa pin I / O yang berbeda seperti ini pada saat yang sama, pemuatan bertambah dan ada batas pembuangan untuk seluruh port dan untuk seluruh perangkat juga. Bahkan jika mereka tidak dinyatakan, mereka ada. Jadi jaga agar semuanya serendah mungkin. $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

Perhatikan juga batas voltase. Dengan asumsi Anda beroperasi pada , maka mereka menjamin tegangan output tinggi 80% dari itu, atau $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$ (Ini berarti, ketika sumber) Mereka juga menjamin tegangan output yang rendah sebesar 80% dari itu, atau

\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}

$I_{MAX}$

(Ini berarti, ketika tenggelam

)

\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}

$I_{MAX}$

Sekarang mari kita lihat lembar data relay yang khas :

Dari sini Anda dapat melihat bahwa resistance adalah dan arus yang diperlukan adalah $125\:\Omega$ . $40\:\textrm{mA}$

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

Bit data di atas mengatakan bahwa Anda benar-benar membutuhkan sakelar eksternal untuk semua alasan yang disebutkan sebelumnya. Anda memerlukannya karena memerlukan lebih banyak kepatuhan saat ini maka pin I / O Anda dapat menyediakan, karena Anda ingin melindungi pin I / O Anda dari back-emf dari induktansi relai, dan karena relai memerlukan tegangan yang lebih tinggi daripada I / O Anda pin dapat memberikan. Jangan pernah berpikir untuk menggunakan I / O secara langsung!

Anda juga dapat menggunakan hampir semua BJT, karena arus yang rendah dibutuhkan oleh relai.

$100\:\textrm{mA}$

Dalam hal ini, saya akan menggunakan apa yang saya miliki banyak: perangkat OnSemi PN2222A . Mari kita mulai dengan memeriksa Gambar 11:

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

\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}

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

Saatnya mempersiapkan skema:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

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

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

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

$470\:\Omega$

Katakanlah pin I / O Anda lebih kuat dari yang kami duga dan memiliki penuh $3.3\:\textrm{V}$ $\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

$R_1$

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

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

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

$\ref{r1}$

\begin{matrix} (R1 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}

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

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

— jonk
sumber

Jawaban yang sangat bagus! Ini akan menjadi sirkuit yang saya gunakan, saya sudah memiliki 2N2222A yang telah saya belikan. Saya pikir saya memiliki bahan ini, tapi saya senang Anda masuk ke detail yang Anda lakukan karena saya melihat bahwa saya sedikit goyah pada beberapa hal: Pertama, saya akan memperhatikan nilai-nilai yang dijamin untuk tinggi level tegangan output dan faktor dalam 80% (atau apa pun masalahnya), bukan hanya menggunakan 100% penuh dalam perhitungan saya. Hal yang benar-benar mengejutkan saya adalah penggunaan parameter beta dari arus kolektor / arus basis. Saya telah menggunakan HFE selama ini. Saya memilih

perhitungan dalam pertanyaan saya, jadi: Saya mengukur 100mA melalui relay menggunakan pasokan 5V (saya tidak bisa mendapatkan datasheet karena saya sudah terpaku pada pencetakan). Saya mengalikannya dengan margin keamanan 2X-5X yang disarankan, jadi saya memutuskan untuk menggunakan 260mA. Bukankah itu yang saya gunakan untuk arus kolektor? Saya membaginya dengan hFE 100 untuk mendapatkan arus basis 2.6mA. Jadi di sinilah saya semua bingung: mengira HFE adalah perolehan basis saat ini untuk kolektor. Mengatur ulang beta = Icollector / Ibase memberikan arus basis X beta = arus kolektor. Di mana saya tergelincir? Saya juga bingung dengan grafik pada Gbr. 11,

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$

β

$\beta$

100 mA

$100\:\textrm{mA}$

β = 15

$\beta=15$

Di atas ada 3 plot, 2 di antaranya diberi label dengan baik, tetapi yang ketiga hanya mengatakan, "1,0 V". Meskipun saya menggunakan yang berlabel, "Vbe (sat) @ Ic / Ib = 10" Saya ingin tahu tentang "1.0V '. Untuk diode perlindungan, saya sudah terbiasa menggunakan yang di kisaran 1N4001-1N4007 Berapa banyak masalah ini. Sekali lagi, karena ketidaktahuan, saya berpikir bahwa menjadi "lebih kuat" daripada 1N4148 yang terlihat halus berarti itu lebih "tugas berat". Saya di papan dengan 1N4148 mulai sekarang, hanya ingin tahu tentang perbedaan perilaku. Saya telah menyimpulkan dari skematis bahwa dioda katoda harus terhubung ke

V_{C E}

$V_{CE}$

V_{C E}

$V_{CE}$

V_{C E} = 1 V

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

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$

10

Anda tidak memerlukan "voodoo" ini. Baik R1 dan R3 tidak diperlukan di sini. Transistor bipolar bekerja pada arus, bukan tegangan. Resistor ini hanya diperlukan untuk bias transistor ke wilayah linier untuk amplifier linier. Anda tidak ingin amplifikasi linier, Anda ingin beralih efisiensi tinggi.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

$U_{BE}$

Gunakan switching transistor, ini memiliki nilai beta tinggi dan masuk ke saturasi pada arus input yang sangat rendah. Anda juga dapat mempertimbangkan jenis darlington untuk muatan yang lebih tinggi. Kejenuhan menyebabkan penurunan tegangan yang lebih rendah dan lebih sedikit produksi panas dalam transistor.

— Janka
sumber

4

FET tidak jenuh. Dengan demikian kemenangan kecepatan besar.

Dan Vbe bipolar cukup banyak diatur pada 0,5--0,7 volt, untuk arus yang bermanfaat.

Sedangkan FET dengan senang hati memungkinkan 1 atau 2 atau 5 atau 10 volt antara gerbang dan saluran. Dengan demikian kemenangan besar untuk fleksibilitas operasi.

— analogsystemsrf
sumber

2

Perbandingan umum BJT dan FET:

BJT: - Perangkat yang dikontrol saat ini - Pembawa muatan adalah elektron dan lubang (karenanya bipolar) - Secara fisik lebih besar - Kapasitansi input sangat kecil (dapat memberikan kecepatan lebih tinggi / amplifikasi frekuensi lebih tinggi) - Amplifikasi lebih linier karena penguatan tidak bergantung pada tegangan bias - Dapat memiliki impedansi output yang lebih rendah, dan karenanya mendorong beban impedansi rendah lebih mudah - Umumnya konsumsi daya lebih tinggi karena kontrol arus

FET: - Perangkat yang dikontrol tegangan (konsumsi daya yang lebih rendah, hanya menarik daya saat beralih keadaan secara umum) - Pembawa muatan dapat berupa elektron atau lubang (tergantung pada jenisnya, maka unipolar) - Secara fisik lebih kecil - Dapat menskalakan lebih mudah (separuh mengalirkan arus dengan separuh gerbang size) - Umumnya kapasitansi input lebih tinggi dan Efek Miller berarti bahwa seiring kenaikan, kapasitansi input juga - Tidak dapat menggerakkan impedansi rendah, sangat baik (biasanya membutuhkan tahap penyangga) - Umumnya konsumsi daya lebih rendah

Ini tidak berarti daftar lengkap perbedaan, tetapi mudah-mudahan menjawab pertanyaan Anda tentang perbedaan antara kedua jenis transistor. Dalam pengalaman pendidikan saya, tampaknya 95% dari waktu untuk proyek hobi, BJT adalah cara untuk pergi, tetapi untuk proyek skala besar, kepadatan tinggi, CMOS adalah pilihan utama karena sebagian besar sirkuit digital adalah CMOS, dan oleh karena itu lebih murah untuk menghasilkan analog dan digital dalam proses yang sama.

— K.Effinger
sumber

0

Dalam beberapa aplikasi, efisiensi energi sangat penting. Meskipun ada banyak aplikasi di mana itu tidak terlalu penting, banyak orang tidak suka dengan tidak perlu membatasi desain ke aplikasi yang terakhir.

Jika seseorang perlu memiliki sirkuit berbasis-BJT tunggal yang mampu beralih 100mA, sirkuit itu mungkin perlu menggambar di suatu tempat antara 2-10mA setiap kali seharusnya, apakah arus beban sebenarnya 100mA atau nol . Jika beban benar-benar menarik 100mA kapan saja dinyalakan, menambahkan bahkan 10mA ke penarikan daya sistem pada saat itu hanya akan meningkatkan konsumsi daya keseluruhan sebesar 10%. Namun, jika beban mungkin sering menggerakkan sesuatu yang hanya membutuhkan 1mA, menambahkan bahkan 2mA ke power draw saat dihidupkan akan tiga kali lipat dari konsumsi daya yang berkaitan dengan mengendalikan beban itu. Jika beban akan diaktifkan sebagian besar waktu (tetapi hanya menarik arus sangat sedikit) yang bisa sangat boros.

BJT telah tersedia secara luas lebih lama dari MOSFET, dan banyak sirkuit dirancang di sekitar ketersediaan itu. Saya tidak tahu bahwa MOSFET tertentu sama mana-mana dengan 2N3904 dan 2N3906. Bagian-bagian itu sama sekali tidak dekat dengan transistor terbaik di planet ini, tetapi mereka ada di mana-mana. Saya tidak tahu ada MOSFET yang bisa dikatakan sama.

— supercat
sumber