Les BJT conviennent-ils aux décaleurs de niveau? Il semble que les FET soient plus courants, comment se comparent-ils?

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Je suis un amateur et je n'ai jamais dépassé les fiches techniques / tutoriels pour les transistors FET; Je suis un homme BJT. Je n'ai jamais trouvé de discussions traitant du BJT contre le FET et des applications spécifiques les mieux adaptées à chaque type. Mes projets sont des circuits de commutation et de logique logique très simples. Donc, une fois que j'ai obtenu des BJT pour répondre aux exigences d'un projet, je suis resté avec ce qui fonctionnait. J'ai passé l'après-midi à faire des recherches sur EE-SE et j'ai trouvé beaucoup de bonnes choses. J'ai trouvé que les FET semblaient être le choix le plus populaire pour les décaleurs de niveau. J'espérais que quelqu'un pourrait fournir une explication «pour les nuls» concernant les forces / faiblesses et les compromis impliqués avec les FET et les BJT dans certaines applications courantes.

J'ai choisi ce level-shifter pour mon projet: je veux piloter un relais 5V en utilisant un ESP8266 qui a des GPIO 3.3V. J'ai mesuré le courant de la bobine du relais pour avoir raison d'environ 100mA. Je veux utiliser un S8050 et un minimum de pièces, les exigences ne sont pas élevées. J'utilise simplement l'ESP8266 pour lire la broche d'un capteur PIR et également lire certains interrupteurs à bascule pour contrôler une lumière à l'aide d'un relais. Le circuit ci-dessus est-il un bon choix? J'ai conçu mon propre circuit, mais je ne vais pas l'utiliser. Pourtant, cela aiderait ma compréhension si quelqu'un fournissait gentiment une analyse de ma conception, qui était basée sur quelques intuitions, des suppositions et peut-être un peu de vaudou.

Juste brièvement, j'ai raisonné que mon courant de base (sortie GPIO 3,3 V - 0,7 V base de Q1) / 1K ohm de R2 = 2,6 mA ne serait pas beaucoup affecté par le courant dans le diviseur de tension R1 / R3 qui je pense est 5 / (100K + 100K) = 25uA. Je ne sais pas comment fonctionnera la jonction des bases R1, R2, R3 et U1; J'ai deviné que la base de U1 ramènerait le 2,5V du diviseur à 0,7V, mais je ne savais pas comment cela affecterait le 2,6mA que les sources GPIO. C'est pourquoi je suis allé avec le circuit que j'ai relié.

relay gpio level-shifting

— JRE
source

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Que fait R1?

— pericynthion

C'est là que le vaudou entre en jeu: c'est juste quelque chose qui semble familier sur divers sites Web de circuits. Après avoir consulté mon 8-ball magique, j'ai pensé essayer de "polariser" le circuit. Surtout, je voulais juste empêcher la broche GPIO de dépasser 3,3V. Comme je l'ai dit, "vaudou" (ou peut-être superstition ... peu importe).

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Je soupçonne qu'une partie de la popularité des transistors FET est que, étant alimentés en tension plutôt qu'en courant, et la plupart des gens qui utilisent des applications de commutation, ils sont plus faciles à comprendre à bien des égards. Devoir penser aux courants avec les BJT peut être un peu délicat. L'inconvénient ironique parfois avec les FETS est que vous avez besoin de cette tension pour appliquer à la porte, et que vous n'avez pas de volts supplémentaires au-dessus de votre rail positif, etc.

— Ian Bland

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Rayon. Oui, il existe des centaines, voire des milliers de bonnes pages sur l'utilisation des BJT pour à peu près n'importe quel type d'arrangement de commutation que vous pouvez imaginer. Ils fonctionnent également très bien en tant que décaleurs de niveau , bien que malgré votre utilisation de cette phrase, je ne pense pas que ce soit votre situation ici. Si vous voulez voir un exemple de changement de niveau à l'aide de BJT, vous pouvez voir ma réponse ici .

Ci-dessous, plutôt que de vous donner un poisson, je vais essayer de vous apprendre à pêcher.

Pour les situations impliquant une conformité du courant qui dépasse votre broche d'E / S (comme un relais) ou également une tension de commande différente et plus élevée que celle que votre broche d'E / S peut gérer (encore une fois, comme votre relais), ou également lorsque vous avez besoin d'une protection contre les inductifs (comme encore votre relais), vous voudrez probablement utiliser un BJT ou FET externe comme commutateur.

Vous pouvez arranger les choses pour que le commutateur soit:

Sur le côté bas (près du sol), ou
Sur le côté haut (près de la tension de conduite de votre relais ou autre appareil), ou
Des deux côtés (pont en H, charge liée au pont, etc.)

Mais vous devez vraiment avoir une bonne raison de choisir (2) ou (3) ci-dessus. Ils impliquent plus de pièces et sont souvent compliqués inutilement si vous n'avez pas de bonnes raisons. Le commutateur bas-côté est donc le premier choix à examiner pour quelque chose comme ça.

Pour concevoir un interrupteur, vous commencez par les spécifications de ce que vous devez conduire et les spécifications de ce que vous avez pour le conduire.

Regardons une fiche technique ESP8266 :

Ici, vous pouvez voir que la conformité actuelle pour une broche d'E / S a une valeur maximale de . Cela signifie que vous devez prévoir de rester bien en dessous de cette valeur. J'aime rester en dessous de la moitié du maximum, encore moins être meilleur si je peux y arriver. Moins c'est mieux parce que si vous utilisez plusieurs broches d'E / S différentes comme celle-ci en même temps, le chargement s'additionne et il y a des limites de dissipation pour tout le port et pour tout le périphérique aussi. Même s'ils ne sont pas précisés, ils existent. Gardez donc les choses aussi basses que possible. $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

Tenez également compte des limites de tension. En supposant que vous travaillez sur , ils garantissent une tension de sortie élevée de 80%, ou (Cela signifie, lors de l'approvisionnement .) Ils garantissent également une faible tension de sortie de 80% de cela, ou (Cela signifie, lors du naufrage .) $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$

\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}

$I_{MAX}$

Regardons maintenant une fiche technique de relais typique :

De là, vous pouvez voir que la résistance est de et que le courant requis est de $125\:\Omega$ . $40\:\textrm{mA}$

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

Les bits de données ci-dessus indiquent que vous avez vraiment besoin d'un commutateur externe pour toutes les raisons mentionnées précédemment. Vous en avez besoin car il nécessite une conformité plus actuelle que votre broche d'E / S peut fournir, parce que vous voulez protéger votre broche d'E / S de la contre-emf de l'inductance du relais, et parce que le relais nécessite une tension plus élevée que votre E / S broche peut fournir. Ne pensez même pas à utiliser directement les E / S!

Vous pouvez également utiliser presque tous les BJT, en raison du faible courant nécessaire au relais.

$100\:\textrm{mA}$

Dans ce cas, j'utiliserais ce que j'ai beaucoup: des appareils OnSemi PN2222A . Commençons par examiner la figure 11:

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

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

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

Il est temps de préparer un schéma:

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de 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}

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

$470\:\Omega$

Supposons que votre broche d'E / S soit plus puissante que nous ne le pensions et détienne un complet $3.3\:\textrm{V}$ $\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$

$R_1$

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

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

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

$\ref{r1}$

\begin{matrix} (R1 refaire 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 refaire 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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Excellente réponse! Ce sera le circuit que j'utilise, j'ai déjà du 2N2222A que j'ai récupéré. Je pensais avoir ce matériau en bas, mais je suis heureux que vous soyez entré dans les détails que vous avez fait parce que je vois que je suis un peu tremblant sur certaines choses: d'abord, je ferai attention aux valeurs garanties pour les hautes niveau de tension de sortie et facteur dans les 80% (ou quoi que ce soit le cas), au lieu d'utiliser simplement le 100% dans mes calculs. Ce qui m'a vraiment surpris, c'est votre utilisation du paramètre bêta courant collecteur / courant de base. J'utilise hFE depuis tout ce temps. J'ai passé sous

les calculs dans ma question, donc: j'ai mesuré 100mA à travers le relais en utilisant une alimentation 5V (je ne peux pas obtenir la fiche technique car j'ai collé sur l'impression). J'ai multiplié cela par une marge de sécurité suggérée de 2X à 5X, j'ai donc opté pour 260mA. N'est-ce pas ce que j'utilise pour le courant de collecteur? Je l'ai divisé par le hFE de 100 pour obtenir un courant de base de 2,6 mA. Voici donc où je suis confus: la hFE était le gain actuel de la base pour le collecteur. Réorganiser beta = Icollector / Ibase donne le courant de base X beta = courant de collecteur. Où ai-je glissé? Je suis également perplexe par le graphique de la figure 11,

V_{C E} = 10 V

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

β

$\beta$

100 mA

$100\:\textrm{mA}$

β = 15

$\beta=15$

En haut, il y a 3 parcelles, dont 2 sont bien étiquetées, mais la troisième dit simplement "1,0 V". Même si j'ai utilisé celle étiquetée, "Vbe (sat) @ Ic / Ib = 10" je suis curieux de connaître le "1.0V". Pour la diode de protection, j'ai eu l'habitude d'utiliser celles de la gamme 1N4001-1N4007 . Combien cela a-t-il d'importance? Encore une fois, par ignorance, je pensais qu'être "plus effrayant" que le 1N4148 à l'aspect délicat signifiait qu'il était plus "robuste". Je suis à bord du 1N4148 à partir de maintenant, je me demande différence de comportement. J'ai déduit du schéma que la cathode de la diode devrait se connecter au

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

Vous n'avez pas besoin de ce "vaudou". Les deux R1 et R3 sont inutiles ici. Un transistor bipolaire travaille sur les courants, pas sur les tensions. Ces résistances ne sont nécessaires que pour polariser le transistor dans sa région linéaire pour les amplificateurs linéaires. Vous ne voulez pas d'amplification linéaire, vous voulez une commutation à haute efficacité.

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

$U_{BE}$

Utilisez un transistor de commutation, ceux-ci ont une valeur bêta élevée et vont en saturation à des courants d'entrée très faibles. Vous pouvez également envisager un type Darlington pour des charges plus élevées. La saturation entraîne une baisse de tension plus faible et une production de chaleur moindre dans le transistor.

— Janka
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Les FET ne saturent pas. Ainsi une grande victoire de vitesse.

Et un Vbe bipolaire est à peu près réglé à 0,5--0,7 volts, pour les courants utiles.

Alors qu'un FET permet avec bonheur 1 ou 2 ou 5 ou 10 volts entre la porte et le canal. Ainsi, une grande victoire pour la flexibilité de fonctionnement.

— analogsystemsrf
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Une comparaison générale des BJT et des FET:

BJT: - Dispositif à courant contrôlé - Les porteurs de charge sont à la fois des électrons et des trous (donc bipolaires) - Physiquement plus grands - Très petite capacité d'entrée (peut donner une vitesse plus élevée / une amplification à fréquence plus élevée) - Plus d'amplification linéaire car le gain ne dépend pas de la tension de polarisation - Peut avoir une impédance de sortie plus faible, et donc piloter plus facilement des charges à faible impédance - Consommation d'énergie généralement plus élevée en raison du contrôle du courant

FET: - Dispositif à tension contrôlée (consommation d'énergie plus faible, ne consomme que de l'énergie lors de la commutation de l'état en général) - Les porteurs de charge sont soit des électrons soit des trous (selon le type, donc unipolaires) - Physiquement plus petits - Peut évoluer plus facilement (demi-courant de drain en divisant par deux la grille ) - La capacité d'entrée généralement plus élevée et l'effet Miller signifient que lorsque le gain augmente, la capacité d'entrée augmente également - Ne peut pas conduire très bas à faible impédance (nécessite généralement un étage tampon) - Consommation d'énergie généralement plus faible

Il ne s'agit en aucun cas d'une liste complète des différences, mais nous espérons pouvoir répondre à votre question concernant les différences entre les deux types de transistors. Dans mon expérience éducative, il semble que 95% du temps pour les projets d'amateur, les BJT sont le chemin à parcourir, mais pour les projets à grande échelle et à haute densité, le CMOS est le premier choix car la plupart des circuits numériques sont CMOS, et donc c'est moins cher pour produire à la fois analogique et numérique dans le même processus.

— K.Effinger
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Dans certaines applications, l'efficacité énergétique est très importante. Même s'il existe de nombreuses applications où cela n'a pas vraiment d'importance, beaucoup de gens n'aiment pas limiter inutilement les conceptions à ces dernières applications.

Si l'on a besoin d'un circuit basé sur un seul BJT capable de commuter 100mA, ce circuit devra probablement tirer quelque part entre 2-10mA chaque fois qu'il est censé être allumé, que le courant de charge soit réellement 100mA ou zéro . Si la charge consomme réellement 100 mA à chaque fois qu'elle est allumée, l'ajout de 10 mA à la consommation électrique du système à ce moment-là ne ferait qu'augmenter la consommation électrique globale de 10%. Si, cependant, la charge peut souvent entraîner quelque chose qui ne prend que 1 mA, ajouter même 2 mA à la consommation d'énergie lorsqu'elle est allumée triplerait la consommation d'énergie liée au contrôle de cette charge. Si la charge est allumée la plupart du temps (mais consomme simplement très peu de courant), cela pourrait être très coûteux.

Les BJT sont largement disponibles depuis plus longtemps que les MOSFET, et de nombreux circuits sont conçus autour de cette disponibilité. Je ne sais pas qu'un MOSFET particulier est aussi omniprésent que les 2N3904 et 2N3906. Ces pièces sont loin des meilleurs transistors de la planète, mais elles sont partout. Je ne connais aucun MOSFET dont on puisse dire la même chose.

— supercat
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