BJTs เหมาะสำหรับตัวเปลี่ยนระดับหรือไม่? ดูเหมือนว่า FET นั้นเป็นเรื่องธรรมดามากกว่าพวกเขาจะเปรียบเทียบได้อย่างไร

16

ฉันเป็นนักอดิเรกและไม่เคยผ่านเอกสารข้อมูล / บทแนะนำสำหรับทรานซิสเตอร์ FET; ฉันเป็นผู้ชาย BJT ฉันไม่เคยพบการสนทนาเกี่ยวกับ BJT กับ FET และแอปพลิเคชันเฉพาะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละประเภท โครงการของฉันเป็นวงจรสวิตชิ่งและวงจรแบบเกทที่ง่ายมาก ดังนั้นเมื่อฉันได้รับ BJT เพื่อตอบสนองความต้องการของโครงการฉันเพิ่งอยู่กับสิ่งที่ได้ผล ฉันใช้เวลาช่วงบ่ายค้นคว้าสิ่งนี้ทาง EE-SE และพบสิ่งดีๆมากมาย ฉันพบว่า FET ดูเหมือนจะเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับตัวเปลี่ยนระดับ ฉันหวังว่าใครบางคนสามารถให้คำอธิบาย "สำหรับหุ่น" เกี่ยวกับจุดแข็ง / จุดอ่อนและการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับ FETs และ BJT ในการใช้งานทั่วไปบางอย่าง

ฉันเลือกตัวเปลี่ยนระดับนี้สำหรับโครงการของฉัน: ฉันต้องการขับรีเลย์ 5V โดยใช้ ESP8266 ซึ่งมี GPIO 3.3V ฉันวัดกระแสคอยล์ของรีเลย์ว่าถูกต้องประมาณ 100mA ฉันต้องการใช้ S8050 และชิ้นส่วนขั้นต่ำความต้องการไม่สูง ฉันแค่ใช้ ESP8266 เพื่ออ่านพินบนเซ็นเซอร์ PIR และอ่านสวิตช์สลับบางตัวเพื่อควบคุมแสงโดยใช้รีเลย์ วงจรข้างต้นเป็นตัวเลือกที่ดีหรือไม่? ฉันออกแบบวงจรของตัวเอง แต่ฉันจะไม่ใช้มัน แต่ถึงกระนั้นมันก็จะช่วยให้เข้าใจได้ถ้ามีคนกรุณาวิเคราะห์การออกแบบของฉันซึ่งขึ้นอยู่กับลางสังหรณ์เดาและอาจเป็นวูดูเล็กน้อย

เพียงสั้น ๆ ฉันให้เหตุผลว่าปัจจุบันฐานของฉัน (GPIO เอาท์พุท 3.3V - 0.7V ฐานของ Q1) / 1K โอห์มของ R2 = 2.6mA จะไม่ได้รับผลกระทบมากจากกระแสในตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า R1 / R3 ซึ่งฉันคิดว่าเป็น 5 / (100K + 100K) = 25uA ฉันไม่รู้ว่าทางแยกของฐาน R1, R2, R3 และ U1 จะทำงานได้อย่างไร ฉันเดาว่าฐานของ U1 จะดึง 2.5V ของตัวหารลงไปที่ 0.7V แต่ไม่แน่ใจว่ามันจะส่งผลกระทบต่อ 2.6mA ที่แหล่ง GPIO อย่างไร นั่นเป็นเหตุผลที่ฉันไปกับวงจรที่ฉันเชื่อมโยง

relay gpio level-shifting

— JRE
แหล่งที่มา

1

R1 กำลังทำอะไร

— pericynthion

นี่คือที่มาของวูดู: มันเป็นเพียงบางสิ่งที่ดูคุ้นเคยจากเว็บไซต์วงจรต่าง ๆ หลังจากปรึกษาเวทมนต์ 8 ลูกของฉันฉันคิดว่าฉันลอง "ให้น้ำหนัก" วงจร ส่วนใหญ่ฉันต้องการเก็บ GPIO pin จากเกิน 3.3V อย่างที่ฉันพูดว่า "วูดู" (หรืออาจจะเป็นไสยศาสตร์ ... อะไรก็ได้)

5

ฉันสงสัยว่าส่วนหนึ่งของความนิยมของ FET คือแรงดันไฟฟ้าแทนที่จะเป็นแรงผลักดันในปัจจุบันและคนส่วนใหญ่ที่ใช้แอพพลิเคชั่นสวิตชิ่งพวกเขาเข้าใจได้ง่ายขึ้นในหลาย ๆ ด้าน ต้องคิดในกระแสที่มี BJT อาจเป็นรอยขีดข่วนเล็กน้อย ข้อเสียบางครั้งก็มีเรื่องน่าขัน FETs การที่คุณต้องการแรงดันไฟฟ้าที่นำไปใช้กับประตูเมืองและคุณยังไม่ได้โวลต์พิเศษเหนือทางรถไฟของคุณบวก ฯลฯ

— เอียน Bland

17

รังสี ใช่มีหลายร้อยหากไม่ใช่เพจที่ดีในการใช้ BJT สำหรับการจัดเรียงสลับใด ๆ ที่คุณสามารถจินตนาการได้ พวกเขายังทำงานได้ดีเหมือนshifters ระดับแม้ว่าคุณจะใช้วลีนั้นจริง ๆ แล้วฉันไม่คิดว่านั่นเป็นสถานการณ์ของคุณที่นี่ หากคุณต้องการดูตัวอย่างของระดับการขยับโดยใช้ BJTs คุณสามารถดูคำตอบของฉันที่นี่

ด้านล่างแทนที่จะให้ปลาคุณฉันจะพยายามสอนคุณให้ปลา

สำหรับสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการปฏิบัติตามข้อกำหนดในปัจจุบันที่เกิน I / O pin ของคุณ (เช่นรีเลย์) หรือแรงดันไฟฟ้าการขับที่สูงกว่า I / O pin ของคุณสามารถจัดการ (อีกครั้งเช่นรีเลย์ของคุณ) หรือที่คุณต้องการการป้องกันอุปนัย kickback (อีกครั้งเช่นรีเลย์ของคุณ) คุณอาจต้องการใช้ BJT หรือ FET ภายนอกเป็นสวิตช์

คุณสามารถจัดเรียงสิ่งต่าง ๆ เพื่อให้สวิตช์เป็น:

ที่ด้านล่าง (ใกล้พื้นดิน) หรือ
ที่ด้านสูง (ใกล้กับแรงดันไฟฟ้าสำหรับรีเลย์ของคุณหรืออุปกรณ์อื่น ๆ ) หรือ
ทั้งสองด้าน (สะพาน H, โหลดสะพานผูก ฯลฯ )

แต่คุณต้องมีเหตุผลที่ดีในการเลือก (2) หรือ (3) ข้างต้น พวกเขามีส่วนร่วมมากขึ้นและมักจะมีความซับซ้อนเกินความจำเป็นหากคุณไม่มีเหตุผลที่ดี ดังนั้นสวิตช์ด้านต่ำเป็นตัวเลือกแรกในการตรวจสอบสิ่งนี้

ในการออกแบบสวิทช์ใด ๆ คุณจะต้องเริ่มต้นด้วยข้อมูลจำเพาะของสิ่งที่คุณต้องการในการขับขี่และข้อมูลจำเพาะของสิ่งที่คุณมีในการขับขี่

ลองดูแผ่นข้อมูล ESP8266 :

ที่นี่คุณจะเห็นได้ว่าการปฏิบัติตามข้อกำหนดในปัจจุบันสำหรับพิน I / O มีค่าสูงสุดของ $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

$V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$

\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}

$I_{MAX}$

\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}

$I_{MAX}$

ตอนนี้ให้ดูที่แผ่นข้อมูลรีเลย์ทั่วไป:

$125\:\Omega$ $40\:\textrm{mA}$

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

บิตของข้อมูลข้างต้นบอกว่าคุณจำเป็นต้องใช้สวิตช์ภายนอกด้วยเหตุผลทั้งหมดที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ คุณต้องการเพราะต้องการความสอดคล้องในปัจจุบันมากขึ้นแล้ว I / O pin ของคุณสามารถให้ได้เนื่องจากคุณต้องการปกป้อง I / O ของคุณจาก back-emf จากการเหนี่ยวนำของรีเลย์และเนื่องจากรีเลย์ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า I / O ของคุณ พินสามารถให้ อย่าคิดแม้แต่จะใช้ I / O โดยตรง!

คุณยังสามารถใช้ BJT เกือบทุกชนิดได้เนื่องจากกระแสไฟฟ้าต่ำที่ต้องการโดยรีเลย์

$100\:\textrm{mA}$

ในกรณีนี้ฉันจะใช้สิ่งที่ฉันมีจำนวนมาก: อุปกรณ์OnSemi PN2222A เริ่มจากการตรวจสอบรูปที่ 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}

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

เวลาเตรียมแผนผัง:

schematic

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

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

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

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

$470\:\Omega$

สมมติว่าพิน I / O ของคุณนั้นทรงพลังกว่าที่เราคิดไว้และเก็บเต็ม $3.3\:\textrm{V}$ $\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

$R_1$

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

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

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

$\ref{r1}$

\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
แหล่งที่มา

คำตอบที่ยอดเยี่ยม! นี่จะเป็นวงจรที่ฉันใช้ฉันมี 2N2222A ที่ฉันขับไปแล้ว ฉันคิดว่าฉันใช้วัสดุนี้ลงไป แต่ฉันดีใจที่คุณได้ลงรายละเอียดที่คุณทำเพราะฉันเห็นว่าฉันสั่นเล็กน้อยในบางสิ่ง: อันดับแรกฉันจะให้ความสนใจกับค่ารับประกันที่สูง ระดับแรงดันเอาต์พุตและตัวประกอบใน 80% (หรืออะไรก็ตาม) แทนที่จะใช้ 100% เต็มในการคำนวณของฉัน สิ่งที่ทำให้ฉันประหลาดใจจริงๆก็คือคุณใช้พารามิเตอร์เบต้าของกระแสสะสม / กระแสไฟฟ้าพื้นฐาน ฉันใช้ hFE ตลอดเวลานี้ ฉัน

การคำนวณในคำถามของฉันดังนั้น: ฉันวัด 100mA ผ่านรีเลย์โดยใช้แหล่งจ่ายไฟ 5V (ฉันไม่สามารถรับแผ่นข้อมูลได้เพราะฉันจมปลักอยู่กับการพิมพ์) ฉันคูณสิ่งนี้ด้วยค่าเผื่อความปลอดภัย 2X- 5X ที่แนะนำดังนั้นฉันตัดสินที่ 260mA นั่นคือสิ่งที่ฉันใช้สำหรับนักสะสมปัจจุบันใช่ไหม ฉันหารสิ่งนี้ด้วย hFE 100 เพื่อให้ได้กระแสฐาน 2.6mA ดังนั้นนี่คือสิ่งที่ฉันสับสน: คิดว่า hFE คือกำไรปัจจุบันของฐานแก่นักสะสม การจัดเรียงเบต้า = Icollector / Ibase ให้กระแสฐาน X beta = กระแสสะสม ฉันลื่นอยู่ที่ไหน ฉันยังงงกับกราฟในรูปที่ 11,

V_{C E} = 10 V

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

β

$\beta$

100 mA

$100\:\textrm{mA}$

β = 15

$\beta=15$

ที่ด้านบนมี 3 แปลง 2 แห่งมีป้ายกำกับดี แต่ที่สามบอกว่า "1.0 V" แม้ว่าฉันจะใช้หนึ่งป้ายกำกับ "Vbe (sat) @ Ic / Ib = 10" ฉันอยากรู้เกี่ยวกับ "1.0V" สำหรับไดโอดป้องกันฉันอยู่ในนิสัยของการใช้คนในช่วง 1N4001-1N4007 ฉันคิดว่าการเป็น "beffier" มากกว่ารูปลักษณ์ที่ละเอียดอ่อน 1N4148 นั้นหมายความว่ามันเป็น "หน้าที่ที่หนักกว่า" มากขึ้นฉันยังอยู่บนบอร์ดกับ 1N4148 ต่อจากนี้เพียงแค่สงสัยเกี่ยวกับ ความแตกต่างในพฤติกรรมฉันได้อนุมานจากเขาวางแผนว่าไดโอดแคโทดควรเชื่อมต่อกับ

@ Ray71 BJT อิ่มตัวมากขึ้นเรื่อย ๆ เช่น

V_{C E}

$V_{CE}$ ได้รับน้อยกว่าโวลต์ คุณต้องการขับรถ

V_{C E}

$V_{CE}$ ต่ำกว่าโวลต์ ดังนั้นคุณต้องเข้าหานี้เป็นสถานการณ์ที่อิ่มตัวและคุณจะไม่ได้ใช้เส้นโค้งที่

V_{C E} = 1 V

$V_{CE}=1\:\textrm{V}$ หรือ

V_{C E} = 10 V

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ เห็นได้ชัดว่า นั่นเป็นสวิตช์ที่แย่มาก รู้สึกอิสระที่จะใช้ไดโอดที่เหมาะกับคุณ ส่วนใหญ่จะอยู่รอด ฉันไม่ต้องการรับรายละเอียดในการคำนวณเตะกลับอุปนัย (สามารถทำได้)

— จอน

10

คุณไม่ต้องการ "วูดู" อันนี้ ทั้ง R1 และ R3 ไม่จำเป็นที่นี่ ทรานซิสเตอร์สองขั้วทำงานบนกระแสไฟฟ้าไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า ตัวต้านทานเหล่านี้จำเป็นต่อการไบอัสทรานซิสเตอร์ในขอบเขตเชิงเส้นสำหรับแอมป์เชิงเส้น คุณไม่ต้องการการขยายแบบเชิงเส้นคุณต้องการการสลับประสิทธิภาพสูง

schematic

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

แรงดันไฟฟ้าฐาน emitter $U_{BE}$ ขึ้นอยู่กับตัวเก็บกระแส แต่โดยทั่วไปประมาณ 1V ดังนั้นด้วย 3.3V บนฐานและตัวต้านทานพื้นฐาน 1k คุณมีกระแสฐานประมาณ 2mA

ใช้ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งซึ่งมีค่าเบต้าสูงและไปสู่ความอิ่มตัวที่กระแสอินพุตต่ำมาก คุณอาจพิจารณาประเภทดาร์ลิงตันสำหรับการโหลดที่สูงขึ้น ความอิ่มตัวนำไปสู่การลดลงของแรงดันไฟฟ้าและการผลิตความร้อนน้อยลงในทรานซิสเตอร์

— Janka
แหล่งที่มา

4

FET ไม่อิ่มตัว ดังนั้นการชนะความเร็วสูง

และขั้วสองขั้ว Vbe นั้นถูกตั้งค่าไว้ที่ 0.5--0.7volts สำหรับกระแสที่เป็นประโยชน์

ในขณะที่ FET อนุญาตให้ 1 หรือ 2 หรือ 5 หรือ 10 โวลต์ระหว่างเกตและแชนเนล จึงเป็นชัยชนะครั้งใหญ่สำหรับความยืดหยุ่นในการปฏิบัติงาน

— analogsystemsrf
แหล่งที่มา

2

การเปรียบเทียบทั่วไปของ BJTs และ FETs:

BJT: - อุปกรณ์ที่มีการควบคุมในปัจจุบัน - ตัวพาประจุมีทั้งอิเล็กตรอนและหลุม (ดังนั้นไบโพลาร์) - ใหญ่กว่าทางกายภาพ - ความจุอินพุตน้อยมาก (สามารถให้ความเร็วที่สูงขึ้น / การขยายความถี่ที่สูงขึ้น) - การขยายเชิงเส้นมากขึ้น - สามารถมีความต้านทานเอาต์พุตที่ต่ำกว่าและทำให้โหลดความต้านทานต่ำได้ง่ายขึ้น - โดยทั่วไปการใช้พลังงานสูงขึ้นเนื่องจากการควบคุมปัจจุบัน

FET: - อุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า (ใช้พลังงานต่ำกว่า, ดึงพลังงานเมื่อเปลี่ยนสถานะโดยทั่วไปเท่านั้น) - ผู้ให้บริการชาร์จเป็นอิเล็กตรอนหรือรู (ขึ้นอยู่กับประเภท, ดังนั้น unipolar) - ร่างกายมีขนาดเล็กลง - สามารถปรับขนาดได้ง่ายขึ้น ขนาด) - โดยทั่วไปความจุอินพุตที่สูงขึ้นและมิลเลอร์เอฟเฟ็กต์หมายความว่าเมื่อได้รับเพิ่มขึ้นดังนั้นความจุอินพุตจึงไม่สามารถขับความต้านทานต่ำได้ต่ำได้ดีมาก (โดยปกติต้องใช้ระยะบัฟเฟอร์) - โดยทั่วไปจะใช้พลังงานต่ำ

นี่ไม่ใช่รายการความแตกต่างที่สมบูรณ์ แต่หวังว่าจะตอบคำถามของคุณเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างทรานซิสเตอร์สองชนิด จากประสบการณ์การศึกษาของฉันดูเหมือนว่า 95% ของเวลาสำหรับโครงการงานอดิเรก BJTs เป็นวิธีที่จะไป แต่สำหรับโครงการขนาดใหญ่ที่มีความหนาแน่นสูง CMOS เป็นตัวเลือกหลักเนื่องจากวงจรดิจิตอลส่วนใหญ่เป็น CMOS ดังนั้นจึงราคาถูกกว่า เพื่อผลิตทั้งอนาล็อกและดิจิตอลในกระบวนการเดียวกัน

— K.Effinger
แหล่งที่มา

0

ในบางแอปพลิเคชันประสิทธิภาพการใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญมาก แม้ว่าจะมีแอพพลิเคชั่นมากมายที่มันไม่สำคัญจริงๆหลายคนไม่ชอบ จำกัด การออกแบบให้กับแอพพลิเคชั่นหลัง

หากหนึ่งในความต้องการที่จะมีวงจรเดียว BJT ตามที่มีความสามารถในการเปลี่ยน 100mA วงจรที่อาจจะต้องวาดที่ไหนสักแห่งระหว่าง 2-10mA เมื่อใดก็ตามที่มันควรจะเป็นอยู่ไม่ว่าจะเป็นภาระในปัจจุบันที่เป็นจริง 100mA หรือศูนย์ หากโหลดจริงจะดึง 100mA เมื่อใดก็ตามที่เปิดอยู่การเพิ่ม 10mA ให้กับ power draw ของระบบในเวลานั้นจะเพิ่มการใช้พลังงานโดยรวมเพียง 10% อย่างไรก็ตามหากการโหลดอาจขับสิ่งที่ใช้เวลาเพียง 1mA เพิ่ม 2mA แม้แต่กับการดึงพลังงานเมื่อเปิดอยู่จะใช้พลังงานสามเท่าที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมโหลดนั้น หากโหลดจะถูกเปิดในเวลาส่วนใหญ่ (แต่เพียงดึงกระแสน้อยมาก) ที่อาจสิ้นเปลืองมาก

BJT นั้นสามารถใช้งานได้นานกว่า MOSFET และมีการออกแบบวงจรจำนวนมากรอบ ๆ ความพร้อมใช้งานนั้น ฉันไม่รู้ว่า MOSFET ใด ๆ โดยเฉพาะนั้นค่อนข้างแพร่หลายเหมือนกับ 2N3904 และ 2N3906 ชิ้นส่วนเหล่านั้นไม่มีที่ไหนใกล้กับทรานซิสเตอร์ที่ดีที่สุดในโลก แต่มีอยู่ทุกที่ ฉันไม่ทราบว่ามอสเฟตใดที่สามารถพูดได้เหมือนกัน

— SuperCat
แหล่งที่มา