Sind BJTs für Pegelumsetzer geeignet? Es scheint, dass FETs häufiger sind. Wie vergleichen sie?

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Ich bin ein Hobbyist und habe die Datenblätter / Tutorials für FET-Transistoren nie hinter mir gelassen. Ich bin ein BJT-Mann. Ich habe nie Diskussionen über BJT vs. FET und spezifische Anwendungen gefunden, die für jeden Typ am besten geeignet sind. Meine Projekte sind sehr einfache Schalt- und Logikgatter-Schaltkreise. Als ich BJTs bekam, um die Anforderungen eines Projekts zu erfüllen, blieb ich einfach bei dem, was funktionierte. Ich habe den Nachmittag damit verbracht, dies auf EE-SE zu recherchieren und viele gute Sachen gefunden. Ich fand heraus, dass FETs für Pegelumsetzer die beliebtere Wahl zu sein schienen. Ich hatte gehofft, jemand könnte eine Erklärung für die Stärken / Schwächen und Kompromisse liefern, die mit FETs und BJTs in einigen gängigen Anwendungen verbunden sind.

Ich habe diesen Level-Shifter für mein Projekt ausgewählt: Ich möchte ein 5-V-Relais mit einem ESP8266 mit 3,3-V-GPIOs ansteuern. Ich habe den Spulenstrom des Relais mit ungefähr 100mA gemessen. Ich möchte einen S8050 und ein Minimum an Teilen verwenden, die Anforderungen sind nicht hoch. Ich benutze nur den ESP8266, um den Pin eines PIR-Sensors zu lesen und lese auch einige Kippschalter, um ein Licht mithilfe eines Relais zu steuern. Ist die obige Schaltung eine gute Wahl? Ich habe meine eigene Schaltung entworfen, werde sie aber nicht verwenden. Trotzdem würde es mir helfen, wenn jemand eine Analyse meines Designs liefern würde, die auf einigen Vermutungen und vielleicht ein bisschen Voodoo beruhte.

Nur kurz, ich schlussfolgerte, dass mein Basisstrom (GPIO-Ausgang 3.3V - 0.7V Basis von Q1) / 1K Ohm von R2 = 2.6mA durch den Strom im Spannungsteiler R1 / R3, den ich für 5 halte, nicht stark beeinflusst würde / (100 K + 100 K) = 25 uA. Ich weiß nicht, wie die Kreuzung von R1, R2, R3 und U1 funktionieren wird. Ich vermutete, dass die Basis von U1 die 2,5 V des Teilers auf 0,7 V absenkt, war mir aber nicht sicher, wie sich dies auf die 2,6 mA auswirken würde, die das GPIO liefert. Deshalb bin ich mit der Strecke gefahren, die ich verbunden habe.

relay gpio level-shifting

— JRE
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Was macht R1?

— Pericynthion

Hier kommt der Voodoo ins Spiel: Es ist nur etwas, das von verschiedenen Circuit-Websites bekannt ist. Nachdem ich meinen magischen 8-Ball konsultiert hatte, dachte ich, ich würde versuchen, den Stromkreis "vorzuspannen". Hauptsächlich wollte ich nur verhindern, dass der GPIO-Pin 3,3 V überschreitet. Wie ich schon sagte, "Voodoo" (oder vielleicht Aberglaube ... was auch immer).

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Ich vermute, dass ein Teil der Popularität von FETs darin besteht, dass sie spannungs- und nicht stromgesteuert sind und die meisten Menschen, die Schaltanwendungen verwenden, in vielerlei Hinsicht leichter zu verstehen sind. In Strömungen mit BJTs denken zu müssen, kann ein bisschen kopfkratzend sein. Der ironische Nachteil bei FETS besteht manchmal darin, dass Sie diese Spannung zum Anlegen an das Gate benötigen und keine zusätzlichen Spannungen über Ihrer positiven Schiene usw. haben.

— Ian Bland,

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Strahl. Ja, es gibt Hunderte, wenn nicht Tausende von guten Seiten über die Verwendung von BJTs für so ziemlich jede Art von Schaltanordnung, die Sie sich vorstellen können. Sie funktionieren auch gut als Pegelumsetzer , obwohl ich trotz Ihrer Verwendung dieses Ausdrucks nicht glaube, dass das Ihre Situation hier ist. Wenn Sie sich ein Beispiel für die Pegelverschiebung mit BJTs ansehen möchten, finden Sie hier meine Antwort .

Anstatt dir unten einen Fisch zu geben, werde ich versuchen, dir das Fischen beizubringen.

In Situationen, in denen die Stromkonformität Ihren E / A-Pin überschreitet (wie bei einem Relais) oder auch eine andere, höhere Treiberspannung als Ihr E / A-Pin (wie bei Ihrem Relais), oder in denen Sie einen Schutz gegen Induktivität benötigen Kickback (wieder wie bei Ihrem Relais): Sie möchten wahrscheinlich einen externen BJT oder FET als Schalter verwenden.

Sie können die Dinge so anordnen, dass der Schalter:

Auf der niedrigen Seite (in Bodennähe) oder
Auf der hohen Seite (in der Nähe der Treiberspannung für Ihr Relais oder ein anderes Gerät) oder
Beidseitig (H-Brücke, Brückenlast etc.)

Aber Sie müssen wirklich einen guten Grund haben, sich für (2) oder (3) zu entscheiden. Sie umfassen mehr Teile und sind oft unnötig kompliziert, wenn Sie keinen guten Grund haben. Daher ist der Low-Side-Schalter die erste Wahl, die auf solche Probleme untersucht wird.

Um einen Schalter zu entwerfen, beginnen Sie mit den Spezifikationen dessen, was Sie fahren müssen, und den Spezifikationen dessen, was Sie zum Fahren haben.

Schauen wir uns ein ESP8266 Datenblatt an :

Hier können Sie sehen , dass die aktuelle Compliance für einen I / O - Pin einen Maximalwert von hat . Dies bedeutet, dass Sie planen sollten, deutlich unter diesem Wert zu bleiben. Ich mag es, unter der Hälfte des Maximums zu bleiben, wobei noch weniger besser ist, wenn ich es schaffe. Weniger ist besser, denn wenn Sie mehrere verschiedene I / O-Pins wie diesen gleichzeitig verwenden, summiert sich die Belastung und es gibt Verlustgrenzen für den gesamten Port und auch für das gesamte Gerät. Auch wenn sie nicht angegeben sind, existieren sie. Also halte die Dinge so niedrig wie möglich. $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

Beachten Sie auch die Spannungsgrenzen. Angenommen, Sie arbeiten mit , dann garantieren sie eine hohe Ausgangsspannung von 80% davon oder $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$ (Dies bedeutet, wenn.) Sie garantieren auch eine niedrige Ausgangsspannung von 80% davon oder

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

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

I_{M A X}

$I_{MAX}$

(Das heißt, beim Sinken

)

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

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

I_{M A X}

$I_{MAX}$

Schauen wir uns nun ein typisches Relais-Datenblatt an :

Von hier aus können Sie sehen, dass der Widerstand und dass der erforderliche Strom $125\:\Omega$ . $40\:\textrm{mA}$

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

Die obigen Datenbits besagen, dass Sie aus allen oben genannten Gründen wirklich einen externen Switch benötigen. Sie benötigen es, weil es eine höhere Stromkonformität erfordert, als Ihr E / A-Pin bieten kann, weil Sie Ihren E / A-Pin vor Gegen-EMK gegen die Induktivität des Relais schützen möchten und weil das Relais eine höhere Spannung als Ihr E / A benötigt Stift zur Verfügung stellen kann. Denken Sie nicht einmal daran, die E / A direkt zu verwenden!

Sie können auch fast jeden BJT verwenden, da das Relais nur wenig Strom benötigt.

$100\:\textrm{mA}$

In diesem Fall würde ich verwenden, was ich viel habe: OnSemi PN2222A- Geräte. Beginnen wir mit der Untersuchung von Abbildung 11:

In Abbildung 11 sehen Sie viele wichtige Informationen. Das erste ist, dass sie empfehlen, es als Schalter mit betreiben $\beta=\frac{I_C}{I_B}=10$ $V_{CE}$ $\frac{I_C}{I_B}=10$

\begin{matrix} (Ib) & {ich}_{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}

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

Zeit für die Erstellung eines Schaltplans:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit 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}

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

$470\:\Omega$

$3.3\:\textrm{V}$ $\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

$R_1$

BEARBEITEN: Wenn Sie (in Kommentaren unten) den Wert angeben $100\:\textrm{mA}$ $\beta$

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

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

$\ref{r1}$

\begin{matrix} (R1 wiederholen 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 wiederholen 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
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Hervorragende Antwort! Dies ist die Schaltung, die ich benutze. Ich habe bereits 2N2222A, die ich gespült habe. Ich dachte, ich hätte dieses Material durcheinandergebracht, aber ich bin froh, dass Sie sich mit den Details befasst haben, die Sie gemacht haben, weil ich in einigen Dingen ein bisschen wackelig bin: Zuerst werde ich auf die garantierten Werte für Hoch achten Pegel Ausgangsspannung und Faktor in den 80% (oder was auch immer der Fall ist), anstatt nur die vollen 100% in meinen Berechnungen zu verwenden. Was mich wirklich überrascht hat, war Ihre Verwendung des Beta-Parameters Kollektorstrom / Basisstrom. Ich benutze hFE die ganze Zeit. Ich beschönigte

die berechnungen in meiner frage, also: ich habe 100mA über das relais mit einer 5V versorgung gemessen (ich kann das datenblatt nicht bekommen, weil ich über den druck geklebt habe). Ich multiplizierte dies mit einem empfohlenen Sicherheitsabstand von 2X-5X und entschied mich für 260mA. Benutze ich das nicht für den Kollektorstrom? Ich habe dies durch die hFE von 100 geteilt, um einen Basisstrom von 2,6 mA zu erhalten. Hier bin ich also verwirrt: Ich dachte, hFE wäre der aktuelle Gewinn der Basis für den Sammler. Neuordnung von Beta = Icollector / Ibase ergibt Basisstrom X Beta = Kollektorstrom. Wo bin ich ausgerutscht? Ich bin auch verwirrt über die Grafik in Abb. 11,

V_{C E} = 10 V

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

β

$\beta$

100 mA

$100\:\textrm{mA}$

β = 15

$\beta=15$

Oben befinden sich 3 Parzellen, von denen 2 gut beschriftet sind, während die dritte einfach "1,0 V" sagt. Obwohl ich die mit "Vbe (sat) @ Ic / Ib = 10" beschriftete verwendet habe, bin ich neugierig auf die "1,0 V". Für die Schutzdiode habe ich mir angewöhnt, solche im Bereich 1N4001-1N4007 zu verwenden Englisch: emagazine.credit-suisse.com/app/art...1007 & lang = en Wie wichtig ist das? Auch hier dachte ich aus Unwissenheit, dass es "schwerer" ist als der zart aussehende 1N4148 Ich habe dem Schema

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

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

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Diesen "Voodoo" brauchst du nicht. Sowohl R1 als auch R3 sind hier nicht erforderlich. Ein Bipolartransistor arbeitet mit Strömen, nicht mit Spannungen. Diese Widerstände werden nur benötigt, um den Transistor für lineare Verstärker in seinen linearen Bereich vorzuspannen. Sie wollen keine lineare Verstärkung, Sie wollen hocheffizientes Schalten.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

$U_{BE}$

Verwenden Sie einen Schalttransistor, dieser hat einen hohen Beta-Wert und geht bei sehr geringen Eingangsströmen in die Sättigung. Sie können auch einen Darlington-Typ für höhere Lasten in Betracht ziehen. Die Sättigung führt zu einem geringeren Spannungsabfall und einer geringeren Wärmeerzeugung im Transistor.

— Janka
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FETs sättigen nicht. Also ein großer Speedgewinn.

Und eine bipolare Vbe ist für nützliche Ströme ziemlich genau auf 0,5 bis 0,7 Volt eingestellt.

Während ein FET gerne 1 oder 2 oder 5 oder 10 Volt zwischen Gate und Kanal zulässt. Ein großer Gewinn für die Flexibilität des Betriebs.

— analogsystemsrf
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Ein allgemeiner Vergleich von BJTs und FETs:

BJT: - Stromgesteuertes Gerät - Ladungsträger sind sowohl Elektronen als auch Löcher (daher bipolar) - Physikalisch größer - Sehr geringe Eingangskapazität (kann höhere Geschwindigkeit / höhere Frequenzverstärkung ergeben) - Mehr lineare Verstärkung, da die Verstärkung nicht von der Vorspannung abhängt - Kann eine niedrigere Ausgangsimpedanz haben und daher Lasten mit niedriger Impedanz einfacher ansteuern. - Im Allgemeinen höherer Stromverbrauch aufgrund der Stromregelung

FET: - spannungsgesteuertes Gerät (geringerer Stromverbrauch, Stromverbrauch nur im Schaltzustand allgemein) - Ladungsträger sind entweder Elektronen oder Löcher (je nach Typ, also unipolar) - physikalisch kleiner - skalierbarer (halber Drainstrom durch Halbierung des Gates) Größe) - Im Allgemeinen höhere Eingangskapazität und Miller-Effekt bedeuten, dass mit zunehmender Verstärkung auch die Eingangskapazität zunimmt. - Niedrigohmig kann nicht sehr gut angesteuert werden (benötigt normalerweise Pufferstufe). - Im Allgemeinen geringerer Stromverbrauch

Dies ist keineswegs eine vollständige Liste der Unterschiede, sondern beantwortet hoffentlich Ihre Frage nach den Unterschieden zwischen den beiden Transistortypen. Meiner pädagogischen Erfahrung nach sind BJTs in 95% der Fälle die richtige Wahl für Hobbyprojekte, aber für große Projekte mit hoher Dichte ist CMOS die erste Wahl, da die meisten digitalen Schaltungen CMOS sind und daher billiger analog und digital im selben prozess zu produzieren.

— K.Effinger
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In einigen Anwendungen ist die Energieeffizienz sehr wichtig. Obwohl es viele Anwendungen gibt, bei denen es nicht wirklich wichtig ist, mögen es viele Leute nicht, Designs unnötig auf die letzteren Anwendungen zu beschränken.

Wenn man eine Single-BJT-basierte Schaltung benötigt, die 100 mA schalten kann, muss diese Schaltung wahrscheinlich irgendwo zwischen 2-10 mA ziehen, wann immer sie eingeschaltet sein soll, unabhängig davon, ob der Laststrom tatsächlich 100 mA oder Null beträgt . Wenn die Last bei jedem Einschalten tatsächlich 100 mA verbraucht, würde das Hinzufügen von sogar 10 mA zum Stromverbrauch des Systems zu diesem Zeitpunkt den Gesamtstromverbrauch nur um 10% erhöhen. Wenn die Last jedoch häufig etwas antreibt, das nur 1 mA benötigt, würde sich durch Hinzufügen von sogar 2 mA zur Leistungsaufnahme bei eingeschalteter Last der Stromverbrauch verdreifachen, der mit der Steuerung dieser Last verbunden ist. Wenn die Last die meiste Zeit eingeschaltet ist (aber nur sehr wenig Strom verbraucht), kann dies sehr verschwenderisch sein.

BJTs sind seit längerem weit verbreitet als MOSFETs, und viele Schaltungen sind auf diese Verfügbarkeit ausgelegt. Ich weiß nicht, dass ein bestimmter MOSFET so allgegenwärtig ist wie der 2N3904 und der 2N3906. Diese Teile sind bei weitem nicht die besten Transistoren auf dem Planeten, aber sie sind überall. Ich kenne keine MOSFETs, von denen man dasselbe sagen kann.

— Superkatze
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