Os BJTs são adequados para deslocadores de nível? Parece que os FETs são mais comuns, como eles se comparam?

Sou um hobby e nunca superei as fichas técnicas / tutoriais para transistores FET; Eu sou um homem do BJT. Nunca encontrei discussões sobre BJT vs. FET e aplicativos específicos mais adequados para cada tipo. Meus projetos são circuitos muito simples de comutação e de lógica. Então, quando consegui que os BJTs atendessem aos requisitos de um projeto, fiquei com o que estava funcionando. Passei a tarde pesquisando isso no EE-SE e encontrei muitas coisas boas. Descobri que os FETs pareciam a escolha mais popular para os deslocadores de nível. Eu esperava que alguém pudesse fornecer uma explicação "para manequins" com relação aos pontos fortes / fracos e trade-offs envolvidos com os FETs e BJTs em algumas aplicações comuns.

Eu escolhi este deslocador de nível para o meu projeto: eu quero dirigir um relé de 5V usando um ESP8266 que possui GPIOs de 3,3V. Eu medi a corrente da bobina do relé em cerca de 100mA. Quero usar um S8050 e um mínimo de peças, os requisitos não são altos. Estou apenas usando o ESP8266 para ler o pino em um sensor PIR e também ler alguns interruptores para controlar uma luz usando um relé. O circuito acima é uma boa escolha? Eu projetei meu próprio circuito, mas não vou usá-lo. Ainda assim, ajudaria minha compreensão se alguém gentilmente fornecesse uma análise do meu design, baseada em alguns palpites, suposições e talvez um pouco de vodu.

Resumidamente, concluí que minha corrente-base (saída GPIO de 3,3V - 0,7V de Q1) / 1K ohm de R2 = 2,6mA não seria afetada muito pela corrente no divisor de tensão R1 / R3, que eu acho que é 5 / (100K + 100K) = 25uA. Não sei como funcionará a junção das bases R1, R2, R3 e U1; Imaginei que a base do U1 reduziria os 2,5V do divisor para 0,7V, mas não tinha certeza de como isso afetaria os 2,6mA que o GPIO fornece. Por isso fui no circuito que liguei.

Raio. Sim, existem centenas, senão milhares, de boas páginas sobre o uso de BJTs para praticamente qualquer tipo de organização de troca que você possa imaginar. Eles também funcionam bem como shifters de nível , embora, apesar do uso dessa frase, eu realmente não pense que essa seja sua situação aqui. Se você quiser ver um exemplo de mudança de nível usando BJTs, pode ver minha resposta aqui .

Abaixo, em vez de lhe dar um peixe, vou tentar ensiná-lo a pescar.

---

Para situações que envolvam conformidade de corrente que excede o pino de E / S (como um relé) ou também uma voltagem de condução diferente e maior do que o pino de E / S pode suportar (novamente, como o seu relé), ou também onde você precisa de proteção contra indutores propina (mais uma vez, como o seu relé), você provavelmente desejará usar um BJT ou FET externo como um comutador.

Você pode organizar as coisas para que a opção seja:

1. No lado baixo (próximo ao solo), ou
2. No lado alto (próximo à tensão de acionamento do seu relé ou outro dispositivo), ou
3. Em ambos os lados (ponte H, carga ligada à ponte, etc.)

Mas você realmente precisa ter um bom motivo para escolher (2) ou (3) acima. Elas envolvem mais peças e geralmente são desnecessariamente complicadas, se você não tiver um bom motivo. Portanto, o interruptor do lado inferior é a primeira opção a ser examinada para algo assim.

---

Para projetar qualquer opção, comece com as especificações do que você precisa dirigir e as especificações do que você tem para conduzi-lo.

Vejamos uma folha de dados do ESP8266 :

Aqui, você pode ver que a conformidade atual para um pino de E / S tem um valor máximo de . Isso significa que você deve planejar permanecer bem abaixo desse valor. Eu gosto de ficar abaixo da metade do máximo, com menos ainda sendo melhor se eu conseguir. Menos é melhor porque se você estiver usando vários pinos de E / S diferentes como esse ao mesmo tempo, o carregamento aumenta e há limites de dissipação para toda a porta e também para o dispositivo inteiro. Mesmo que não sejam declarados, eles existem. Portanto, mantenha as coisas o mais baixo possível.$I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

Observe também os limites de tensão. Supondo que você esteja operando em , eles garantem uma alta tensão de saída de 80% disso, ou V O H ≥ $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$ (Isso significa que, ao fornecerIMAX.) Eles também garantem uma baixa tensão de saída de 80% disso, ou V O L ≤

$$V_{OH}\ge 2.64\:\textrm{V}\label{voh}\tag{Voh Min}$$ $I_{MAX}$ (Isso significa que, ao afundarIMAX.) $$V_{OL}\le 330\:\textrm{mV}\label{vol}\tag{Vol Max}$$ $I_{MAX}$

Vejamos agora uma folha de dados típica de relé :

A partir daqui, você pode ver que a resistência é e que a corrente necessária é$125\:\Omega$ .$40\:\textrm{mA}$

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

---

Os bits de dados acima dizem que você realmente precisa de um comutador externo por todos os motivos mencionados anteriormente. Você precisa disso porque exige uma conformidade mais atual que o pino de E / S pode fornecer, porque deseja proteger seu pino de E / S da contra-fem da indutância do relé e porque o relé requer uma tensão mais alta que a sua E / S pino pode fornecer. Nem pense em usar a E / S diretamente!

Você também pode usar praticamente qualquer BJT, devido à baixa corrente necessária ao relé.

$100\:\textrm{mA}$

Nesse caso, eu usaria o que tenho em muitos dispositivos : OnSemi PN2222A . Vamos começar examinando a Figura 11:

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

$$I_B=4\:\textrm{mA}\label{ib}\tag{Ib}$$ $$V_{BE}\approx 800\:\textrm{mV}\label{vbe}\tag{Vbe}$$

Hora de preparar um esquema:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

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

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

$470\:\Omega$

$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}$

$\ref{r1}$

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

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

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

Você não precisa desse "vodu". R1 e R3 são desnecessários aqui. Um transistor bipolar está trabalhando em correntes, não em tensões. Esses resistores são necessários apenas para influenciar o transistor em sua região linear para amplificadores lineares. Você não deseja amplificação linear, deseja comutação de alta eficiência.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

$U_{BE}$

Use um transistor de chaveamento, que possui um alto valor beta e entra em saturação com correntes de entrada muito baixas. Você também pode considerar um tipo de darlington para cargas mais altas. A saturação leva a menor queda de tensão e menor produção de calor no transistor.

FETs não saturam. Assim, uma grande velocidade ganha.

E um Vbe bipolar está praticamente definido entre 0,5 e 0,7 volts, para correntes úteis.

Considerando que um FET permite feliz 1 ou 2 ou 5 ou 10 volts entre o portão e o canal. Assim, uma grande vitória para a flexibilidade de operação.

Uma comparação geral de BJTs e FETs:

BJT: - Dispositivo controlado por corrente - Portadores de carga são elétrons e orifícios (portanto bipolares) - Fisicamente maiores - Muito pouca capacitância de entrada (pode fornecer maior velocidade / maior amplificação de frequência) - Amplificação mais linear, pois o ganho não depende da tensão de polarização - Pode ter impedância de saída mais baixa e, portanto, facilitar cargas de baixa impedância - Consumo de energia geralmente mais alto devido ao controle de corrente

FET: - Dispositivo controlado por tensão (menor consumo de energia, apenas consome energia quando se alterna o estado em geral) - Os portadores de carga são elétrons ou furos (dependendo do tipo, portanto unipolar) - Fisicamente menores - Podem ser dimensionados com mais facilidade (meia corrente de drenagem pela metade da porta) tamanho) - Capacitância de entrada geralmente mais alta e Efeito Miller significam que, à medida que o ganho aumenta, o mesmo ocorre com a capacitância de entrada - Não é possível conduzir muito baixa impedância baixa (normalmente precisa de estágio de buffer) - Geralmente menor consumo de energia

Esta não é de forma alguma uma lista completa de diferenças, mas espero que responda à sua pergunta sobre as diferenças entre os dois tipos de transistores. Na minha experiência educacional, parece que 95% do tempo para projetos amadores, os BJTs são o caminho a percorrer, mas para projetos em larga escala e alta densidade, o CMOS é a principal escolha, já que a maioria dos circuitos digitais é CMOS e, portanto, é mais barato. para produzir analógico e digital no mesmo processo.

Em algumas aplicações, a eficiência energética é muito importante. Embora existam muitos aplicativos em que isso realmente não importa, muitas pessoas não gostam de limitar desnecessariamente os designs aos últimos aplicativos.

Se for necessário ter um circuito baseado em BJT único capaz de alternar 100mA, esse circuito provavelmente precisará desenhar algo entre 2-10mA sempre que estiver ligado, se a corrente de carga é realmente 100mA ou zero . Se a carga realmente consumir 100mA a qualquer momento, adicionar até 10mA ao consumo de energia do sistema naquele momento aumentaria apenas o consumo geral de energia em 10%. Se, no entanto, a carga geralmente estiver direcionando algo que leva apenas 1mA, adicionar até 2mA ao consumo de energia quando ligado triplicaria o consumo de energia relacionado ao controle dessa carga. Se a carga for ligada na maior parte do tempo (mas simplesmente consumir muito pouca corrente), isso pode ser um desperdício.

Os BJTs estão amplamente disponíveis há mais tempo que os MOSFETs, e muitos circuitos são projetados com base nessa disponibilidade. Não sei se algum MOSFET em particular é tão onipresente quanto o 2N3904 e o 2N3906. Essas partes não estão nem perto dos melhores transistores do planeta, mas estão em toda parte. Não conheço nenhum MOSFET do qual se possa dizer o mesmo.