Các BJT có phù hợp cho người thay đổi cấp độ không? Có vẻ như FET phổ biến hơn, làm thế nào để họ so sánh?

Tôi là người có sở thích và không bao giờ vượt qua các bảng dữ liệu / hướng dẫn cho các bóng bán dẫn FET; Tôi là một người đàn ông BJT. Tôi chưa bao giờ tìm thấy các cuộc thảo luận liên quan đến BJT so với FET và các ứng dụng cụ thể phù hợp nhất cho từng loại. Các dự án của tôi là rất đơn giản chuyển mạch và mạch cổng logic. Vì vậy, một khi tôi đã có được các BJT để đáp ứng các yêu cầu của dự án, tôi chỉ ở lại với những gì đang hoạt động. Tôi đã dành cả buổi chiều để nghiên cứu vấn đề này trên EE-SE và tìm thấy rất nhiều thứ hay ho. Tôi thấy rằng FET dường như là sự lựa chọn phổ biến hơn cho những người thay đổi cấp độ. Tôi đã hy vọng ai đó có thể đưa ra lời giải thích "cho người giả" liên quan đến điểm mạnh / điểm yếu và sự đánh đổi liên quan đến FET và BJT trong một số ứng dụng phổ biến.

Tôi đã chọn bộ chuyển đổi mức này cho dự án của mình: Tôi muốn lái rơle 5V sử dụng một chiếc ESP8266 có GPIO 3,3V. Tôi đo dòng điện cuộn dây của rơle đúng khoảng 100mA. Tôi muốn sử dụng S8050 và tối thiểu các bộ phận, yêu cầu không cao. Tôi chỉ đang sử dụng ESP8266 để đọc chân trên cảm biến Pir và cũng đọc một số công tắc bật tắt để điều khiển ánh sáng bằng rơle. Là mạch trên là một lựa chọn tốt? Tôi đã thiết kế mạch của riêng mình, nhưng tôi sẽ không sử dụng nó. Tuy nhiên, nó sẽ giúp tôi hiểu nếu ai đó vui lòng cung cấp một phân tích về thiết kế của tôi, dựa trên một số linh cảm, phỏng đoán và có lẽ là một chút voodoo.

Nói ngắn gọn, tôi đã lý giải rằng dòng điện cơ sở của tôi (đầu ra GPIO 3,3V - 0,7V của Q1) / 1K ohm của R2 = 2,6mA sẽ không bị ảnh hưởng nhiều bởi dòng điện trong bộ chia điện áp R1 / R3 mà tôi nghĩ là 5 / (100K + 100K) = 25uA. Tôi không biết đường giao nhau của cơ sở của R1, R2, R3 và U1 sẽ hoạt động như thế nào; Tôi đoán rằng cơ sở của U1 sẽ kéo 2,5V của dải phân cách xuống 0,7V, nhưng không chắc nó sẽ ảnh hưởng đến 2.6mA mà các nguồn GPIO như thế nào. Đó là lý do tại sao tôi đi với mạch tôi liên kết.

Cá đuối. Vâng, có hàng trăm nếu không phải là hàng ngàn trang tốt về việc sử dụng BJT cho hầu hết mọi cách sắp xếp chuyển đổi mà bạn có thể tưởng tượng. Chúng cũng hoạt động tốt như những người thay đổi cấp độ , mặc dù bạn sử dụng cụm từ đó nhưng tôi thực sự không nghĩ rằng đó là tình huống của bạn ở đây. Nếu bạn muốn xem xét một ví dụ về dịch chuyển cấp bằng cách sử dụng các BJT, bạn có thể xem câu trả lời của tôi ở đây .

Dưới đây, thay vì cho bạn một con cá, tôi sẽ thử và dạy bạn câu cá.

---

Đối với các tình huống liên quan đến việc tuân thủ hiện tại vượt quá chân I / O của bạn (như rơle) hoặc điện áp lái xe khác, cao hơn so với chân I / O của bạn có thể xử lý (một lần nữa, như rơle của bạn), hoặc cả nơi bạn cần bảo vệ chống cảm ứng kickback (một lần nữa, giống như rơle của bạn) có thể bạn sẽ muốn sử dụng một BJT hoặc FET bên ngoài làm công tắc.

Bạn có thể sắp xếp mọi thứ để chuyển đổi là:

1. Ở phía thấp (gần mặt đất), hoặc
2. Ở phía cao (gần điện áp lái xe cho rơle hoặc thiết bị khác của bạn), hoặc
3. Ở cả hai phía (cầu H, tải trọng gắn cầu, v.v.)

Nhưng bạn thực sự cần phải có một lý do chính đáng để chọn (2) hoặc (3), ở trên. Chúng liên quan đến nhiều bộ phận hơn và thường phức tạp không cần thiết nếu bạn không có lý do chính đáng. Vì vậy, công tắc phía thấp là lựa chọn đầu tiên để kiểm tra một cái gì đó như thế này.

---

Để thiết kế bất kỳ công tắc nào, bạn bắt đầu với các thông số kỹ thuật của những gì bạn cần lái xe và các thông số kỹ thuật của những gì bạn có để lái nó.

Chúng ta hãy xem một bảng dữ liệu ESP8266 :

Tại đây, bạn có thể thấy rằng việc tuân thủ hiện tại đối với chân I / O có giá trị tối đa là . Điều này có nghĩa là bạn nên có kế hoạch để duy trì tốt dưới giá trị đó. Tôi thích ở dưới mức tối đa một nửa, nhưng vẫn ít tốt hơn nếu tôi có thể quản lý nó. Ít hơn là tốt hơn bởi vì nếu bạn đang sử dụng một số chân I / O khác nhau như thế này cùng một lúc, quá trình tải sẽ tăng lên và có giới hạn tiêu tán cho toàn bộ cổng và cho toàn bộ thiết bị. Ngay cả khi chúng không được nêu, chúng vẫn tồn tại. Vì vậy, hãy giữ mọi thứ càng thấp càng tốt.$I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

Cũng lưu ý về các giới hạn điện áp. Giả sử bạn đang hoạt động trên , thì họ đảm bảo điện áp đầu ra cao là 80%, hoặc (Điều này có nghĩa là, khi tìm nguồn cung ứng .) Họ cũng đảm bảo điện áp đầu ra thấp là 80%, hoặc (Điều này có nghĩa là khi chìm .)$V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$

$$V_{OH}\ge 2.64\:\textrm{V}\label{voh}\tag{Voh Min}$$ $I_{MAX}$ $$V_{OL}\le 330\:\textrm{mV}\label{vol}\tag{Vol Max}$$ $I_{MAX}$

Bây giờ chúng ta hãy xem một biểu dữ liệu chuyển tiếp điển hình :

Từ đây bạn có thể thấy rằng điện trở là và dòng điện yêu cầu là .$125\:\Omega$$40\:\textrm{mA}$

(Một chi tiết khác là nó yêu cầu ít nhất 70% điện áp được chỉ định để tham gia, điều này xác nhận rằng chế độ chuyển đổi BJT, độ bão hòa có lẽ chỉ bằng một phần mười của một volt là "giá cả phải chăng." Tôi không hiểu ý tôi là gì, hoặc tại sao tôi nói nó, khi tôi viết 'chế độ chuyển đổi, bão hòa thả' thì bạn cần dừng lại và suy nghĩ về điều này. Điều quan trọng. Khi vận hành BJT như một công tắc, bạn không thể đủ khả năng . Bạn muốn nó nhỏ như thực tế để nó thực sự hoạt động như một công tắc. Nhưng để đạt được cường độ nhỏ ở đó, bạn cần vận hành nó 'bão hòa', có nghĩa là áp dụng sẽ thấp.)$V_{CE}$$V_{CE}$$V_{CE}$$\beta$

---

Các bit dữ liệu trên nói rằng bạn thực sự cần một công tắc bên ngoài vì tất cả các lý do được đề cập trước đó. Bạn cần nó bởi vì nó đòi hỏi phải tuân thủ nhiều hơn hiện tại thì chân I / O của bạn có thể cung cấp, bởi vì bạn muốn bảo vệ chân I / O của mình khỏi back-emf khỏi cuộn cảm của rơle và vì rơle yêu cầu điện áp cao hơn I / O của bạn pin có thể cung cấp. Thậm chí đừng nghĩ đến việc sử dụng I / O trực tiếp!

Bạn cũng có thể sử dụng hầu hết mọi BJT, vì dòng điện thấp cần thiết cho rơle.

(Rơle của bạn có thể cần nhiều dòng điện hơn. Nhưng ngay cả khi nó gấp đôi, hầu hết các BJT có thể xử lý tương đối dễ dàng. Bất kể, bạn cần phải nói như vậy, nếu vậy. [EDIT: Tôi nghĩ bạn đã nêu trong các bình luận bên dưới câu trả lời của tôi rằng dòng điện đo được là . Điều đó sẽ ổn thôi. Nhưng nó thay đổi một số giá trị tôi viết dưới đây.)$100\:\textrm{mA}$

Trong trường hợp này, tôi sẽ sử dụng những gì tôi có rất nhiều: thiết bị OnSemi PN2222A . Hãy bắt đầu bằng cách kiểm tra Hình 11:

Nhìn vào hình 11 và bạn có thể nhận được rất nhiều thông tin quan trọng. Đầu tiên là họ "khuyến nghị" vận hành nó như một công tắc với . (Bạn có thể thấy điều này ở hai vị trí: đường cong thấp nhất trên biểu đồ là giá trị của khi bão hòa, trong đó họ chỉ định và cũng là đường cong cao nhất mà họ xác định theo cùng một cách.) Vì vậy, điều này có nghĩa là cũng nằm trong giới hạn của chân I / O của bạn. Thật tuyệt Thứ hai là $\beta=\frac{I_C}{I_B}=10$$V_{CE}$$\frac{I_C}{I_B}=10$

$$I_B=4\:\textrm{mA}\label{ib}\tag{Ib}$$ $$V_{BE}\approx 800\:\textrm{mV}\label{vbe}\tag{Vbe}$$ với bộ sưu tập hiện tại. (Chỉ cần nhìn dọc theo trục x để tìm dòng collector, sau đó tìm đến nơi đường cong giao với giá trị trục y.) Chi tiết cuối cùng này sẽ được sử dụng trong thiết kế.

Thời gian để chuẩn bị một sơ đồ:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Giá trị của khá đơn giản để tính toán. Đầu tiên, giả sử rằng chân I / O đang hoạt động ở điện áp đầu ra thấp nhất khi cao. Bạn đã biết giá trị này từ phía trên, . Ngoài ra, bạn biết giá trị tiêu biểu cho điện áp phát cực gốc của BJT từ phía trên, . Và cuối cùng, bạn cũng biết dòng điện cơ sở có khả năng, . Vì vậy, chỉ cần tính toán: $R_1$$\ref{voh}$$\ref{vbe}$$\ref{ib}$

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

Giá trị gần nhất sẽ là . Vì vậy, đó là những gì bạn nhìn thấy trong sơ đồ. Diode, tất nhiên, cung cấp một đường dẫn cho năng lượng từ trường của rơle sụp đổ, khi bạn cố gắng tắt nó. Nó không tiến hành.$470\:\Omega$

Giả sử chân I / O của bạn mạnh hơn chúng tôi giả định và giữ toàn bộ khi lái xe cao. Sau đó, chân I / O và dòng cơ sở BJT sẽ là . Điều này cũng tốt và sẽ không làm tổn thương gì cả. Vì vậy, thiết kế này nên hoạt động tốt.$3.3\:\textrm{V}$$\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

Có nhiều lý do để thêm một điện trở xuống đất, từ cơ sở BJT. Một là nó giúp giữ cho căn cứ gần mặt đất nếu vì một lý do nào đó, đầu kia của bị nổi và không được kết nối với ESP8266 của bạn. Và có những lý do khác. Nhưng nó không quan trọng ở đây, vì vậy bây giờ tôi sẽ bỏ qua cuộc thảo luận về nó.$R_1$

EDIT: Với giá trị của bạn (trong các bình luận bên dưới) là cho rơle, gấp 2,5 lần so với tôi đã sử dụng ở trên, bạn có thể xem xét ý tưởng sử dụng 2,5 lần dòng cơ sở. Nhưng cũng hầu hết các BJT tín hiệu nhỏ này có thể hoạt động tốt như một công tắc có giá trị cao hơn tôi đã đề xuất trước đó khi đọc Hình 11. Bây giờ hãy xem Hình 4:$100\:\textrm{mA}$$\beta$

Tại đây, bạn có thể thấy một đường cong có nhãn , nhiều hơn mức bạn cần. Trục x là hiện tại cơ sở và trục y là . Bạn muốn có giá trị thấp cho và bạn có thể thấy rằng nó xuất hiện ở khoảng . Hãy nhớ rằng đây là những đường cong điển hình và đường cong không được bảo đảm, bạn có thể thấy rằng sử dụng trông khá chắc chắn (cách xa đầu gối đường cong) và là thậm chí còn tốt hơn. Chà, điều này cho thấy từ khoảng 15 đến 20 có lẽ sẽ hoạt động khá tốt.$150\:\textrm{mA}$$I_B$$V_{CE}$$V_{CE}$$100\:\textrm{mV}$$I_B\approx 8\:textrm{mA}$$10\:\textrm{mA}$$\beta$

Kết hợp tất cả những thứ này lại với rơle của bạn ở mức , bạn cần dòng điện cơ bản gấp khoảng 2,5 lần vì tải rơle tăng nhưng bạn có thể đủ khả năng giảm nó theo hệ số từ 1,5 đến 2,0 vì Hình 4 đường cong. Vì vậy, có lẽ đi từ tính toán trước đó có lẽ đến là tốt.$100\:\textrm{mA}$$I_B=4\:\textrm{mA}$I B = $I_B=5\:\textrm{mA}$$I_B=6.7\:\textrm{mA}$

Hãy tính lại phương trình trước đó cho : R 1 = $\ref{r1}$

$$R_1=\frac{2.64\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{5\:\textrm{mA}}=368\:\Omega\label{r1x}\tag{R1 redo 1}$$

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

Giữa hai người này? Tôi chỉ cần đi với . Tôi nghĩ rằng đó sẽ là âm thanh. Trường hợp xấu nhất hiện tại chân I / O phải xấp xỉ . Giá trị này thấp hơn mức tối đa cho bảng biểu dữ liệu ESP8266 tôi hiển thị ở trên, nhưng đủ để tôi không quá lo lắng. (Ít nhất, trừ khi tôi biết rằng tôi đang lặp lại trình điều khiển này trên một số lượng lớn các chân I / O. Trong trường hợp đó, có lẽ tôi sẽ đi xem liệu có giới hạn cụ thể cho toàn bộ cổng hoặc thiết bị không. )$R_1=330\:\Omega$$7.5\:\textrm{mA}$$12\:\textrm{mA}$

Bạn không cần "voodoo" này. Cả R1 và R3 đều không cần thiết ở đây. Một bóng bán dẫn lưỡng cực đang làm việc trên dòng điện, không phải điện áp. Những điện trở này chỉ cần thiết để phân cực bóng bán dẫn vào vùng tuyến tính của nó cho các bộ khuếch đại tuyến tính. Bạn không muốn khuếch đại tuyến tính, bạn muốn chuyển đổi hiệu quả cao.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Điện áp cơ sở phát phụ thuộc vào dòng thu nhưng nói chung, nó khoảng 1V. Vì vậy, với 3,3V trên đế của nó và điện trở cơ sở 1k, bạn có dòng điện cơ sở khoảng 2mA.$U_{BE}$

Sử dụng một bóng bán dẫn chuyển đổi, những cái này có giá trị beta cao và đi vào bão hòa ở các dòng đầu vào rất thấp. Bạn cũng có thể xem xét một loại darlington cho tải cao hơn. Saturation dẫn đến giảm điện áp thấp hơn và sản xuất nhiệt ít hơn trong bóng bán dẫn.

FET không bão hòa. Do đó, một chiến thắng tốc độ lớn.

Và một Vbe lưỡng cực được thiết lập khá nhiều ở mức 0,5--0,7volts, cho các dòng điện hữu ích.

Trong khi đó, FET vui vẻ cho phép 1 hoặc 2 hoặc 5 hoặc 10 volt giữa cổng và kênh. Do đó, một chiến thắng lớn cho sự linh hoạt của hoạt động.

Một so sánh chung về các BJT và FET:

BJT: - Thiết bị được điều khiển hiện tại - Chất mang điện tích là cả electron và lỗ trống (do đó là lưỡng cực) - Lớn hơn về mặt vật lý - Điện dung đầu vào rất ít (có thể cho tốc độ cao hơn / khuếch đại tần số cao hơn) - Khuếch đại tuyến tính nhiều hơn vì mức tăng không phụ thuộc vào điện áp sai lệch - Có thể có trở kháng đầu ra thấp hơn, và do đó điều khiển tải trở kháng thấp dễ dàng hơn - Thường tiêu thụ điện năng cao hơn do điều khiển hiện tại

FET: - Thiết bị được điều khiển bằng điện áp (tiêu thụ điện năng thấp hơn, chỉ rút điện khi chuyển trạng thái nói chung) - Các hạt mang điện là điện tử hoặc lỗ trống (tùy theo loại, do đó đơn cực) - Nhỏ hơn về mặt vật lý - Có thể mở rộng quy mô dễ dàng hơn (giảm một nửa dòng điện bằng cách giảm một nửa cổng kích thước) - Nói chung điện dung đầu vào cao hơn và Hiệu ứng Miller có nghĩa là khi mức tăng tăng, điện dung đầu vào cũng vậy - Không thể điều khiển trở kháng thấp rất thấp (thường cần giai đoạn đệm) - Thường tiêu thụ điện năng thấp hơn

Đây không phải là một danh sách đầy đủ các sự khác biệt, nhưng hy vọng sẽ trả lời câu hỏi của bạn về sự khác biệt giữa hai loại bóng bán dẫn. Theo kinh nghiệm giáo dục của tôi, dường như 95% thời gian cho các dự án sở thích, các BJT là hướng đi, nhưng đối với các dự án quy mô lớn, mật độ cao, CMOS là lựa chọn chính vì hầu hết các mạch kỹ thuật số là CMOS, và do đó rẻ hơn để sản xuất cả analog và kỹ thuật số trong cùng một quy trình.

Trong một số ứng dụng, hiệu quả năng lượng là rất quan trọng. Mặc dù có nhiều ứng dụng không thực sự quan trọng, nhiều người không muốn giới hạn thiết kế một cách không cần thiết cho các ứng dụng sau.

Nếu một người cần phải có một mạch dựa trên một BJT có khả năng chuyển đổi 100mA, thì mạch đó có thể sẽ cần phải rút ra ở đâu đó giữa 2-10mA bất cứ khi nào nó được bật, cho dù dòng tải thực sự là 100mA hay không . Nếu tải thực sự sẽ rút 100mA bất cứ khi nào nó bật, thêm 10mA vào mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống tại thời điểm đó sẽ chỉ làm tăng mức tiêu thụ năng lượng chung thêm 10%. Tuy nhiên, nếu tải thường có thể lái thứ gì đó chỉ mất 1mA, thêm 2mA vào mức tiêu thụ điện khi bật sẽ tăng gấp ba mức tiêu thụ điện liên quan đến việc kiểm soát tải đó. Nếu tải sẽ được bật hầu hết thời gian (nhưng chỉ đơn giản là vẽ rất ít dòng điện) có thể rất lãng phí.

Các BJT đã có sẵn rộng rãi lâu hơn MOSFET và nhiều mạch được thiết kế xung quanh tính khả dụng đó. Tôi không biết rằng bất kỳ MOSFET cụ thể nào cũng phổ biến như 2N3904 và 2N3906. Những bộ phận đó không ở gần các bóng bán dẫn tốt nhất trên hành tinh, nhưng chúng ở khắp mọi nơi. Tôi không biết bất kỳ MOSFET nào mà người ta có thể nói giống nhau.