¿Los BJT son adecuados para los cambiadores de nivel? Parece que los FET son más comunes, ¿cómo se comparan?

Rayo. Sí, hay cientos, si no miles, de buenas páginas sobre el uso de BJT para prácticamente cualquier tipo de arreglo de conmutación que pueda imaginar. También funcionan bien como cambiadores de nivel , aunque a pesar de que usaste esa frase, en realidad no creo que esa sea tu situación aquí. Si desea ver un ejemplo de cambio de nivel utilizando BJT, puede ver mi respuesta aquí .

A continuación, en lugar de darte un pez, intentaré enseñarte a pescar.

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Para situaciones que involucran el cumplimiento de corriente que excede su pin de E/S (como un relé) o también un voltaje de conducción diferente y más alto que el que puede manejar su pin de E/S (nuevamente, como su relé), o también donde necesita alguna protección contra inductivo contragolpe (una vez más, como su relé), probablemente querrá usar un BJT o FET externo como interruptor.

Puede organizar las cosas para que el interruptor sea:

1. En el lado bajo (cerca del suelo), o
2. En el lado alto (cerca del voltaje de activación de su relé u otro dispositivo), o
3. En ambos lados (puente H, carga atada al puente, etc.)

Pero realmente necesita tener una buena razón para elegir (2) o (3), arriba. Implican más partes y, a menudo, son innecesariamente complicadas si no tienes una buena razón. Entonces, el interruptor del lado bajo es la primera opción para examinar algo como esto.

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Para diseñar cualquier interruptor, comienza con las especificaciones de lo que necesita para manejar y las especificaciones de lo que tiene para manejarlo.

Veamos una hoja de datos ESP8266 :

Aquí puede ver que el cumplimiento actual de un pin de E/S tiene un valor máximo de$I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$. Esto significa que debe planear mantenerse muy por debajo de ese valor. Me gusta quedarme por debajo de la mitad del máximo, siendo menos aún mejor si puedo manejarlo. Menos es mejor porque si está utilizando varios pines de E/S diferentes como este al mismo tiempo, la carga se acumula y hay límites de disipación para todo el puerto y también para todo el dispositivo. Incluso si no se mencionan, existen. Así que mantén las cosas lo más bajo posible.

También tome nota de los límites de voltaje. Suponiendo que está operando en$V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$, entonces garantizan un alto voltaje de salida del 80% de eso, o

$$V_{OH}\ge 2.64\:\textrm{V}\label{voh}\tag{Voh Min}$$ (Esto significa que, al obtener$I_{MAX}$.) También garantizan un bajo voltaje de salida del 80% de eso, o $$V_{OL}\le 330\:\textrm{mV}\label{vol}\tag{Vol Max}$$ (Esto significa que, al hundirse$I_{MAX}$.)

Veamos ahora una hoja de datos típica de un relé :

Desde aquí se puede ver que la resistencia es$125\:\Omega$y que la corriente requerida es$40\:\textrm{mA}$.

(Otro detalle es que requiere al menos el 70% del voltaje especificado para activarse, lo que confirma que un modo de conmutación BJT, saturado$V_{CE}$caída de quizás unas pocas décimas de voltio es "asequible". Si no entiende lo que quiero decir, o por qué lo digo, cuando escribo 'modo de cambio, saturado$V_{CE}$drop', entonces debes detenerte y pensar en esto. Es importante. Al operar un BJT como un interruptor, no puede permitirse una gran magnitud$V_{CE}$. Desea que sea tan pequeño como práctico para que realmente funcione como un interruptor. Pero para lograr pequeñas magnitudes allí, debe operarlo 'saturado', lo que significa que el$\beta$será bajo.)

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Los bits de datos anteriores dicen que realmente necesita un interruptor externo por todas las razones mencionadas anteriormente. Lo necesita porque requiere más cumplimiento de corriente de lo que puede proporcionar su pin de E/S, porque desea proteger su pin de E/S de la fuerza contraelectromotriz de la inductancia del relé, y porque el relé requiere un voltaje más alto que su E/S pin puede proporcionar. ¡Ni siquiera pienses en usar la E/S directamente!

También puede usar casi cualquier BJT, debido a la baja corriente que necesita el relé.

(Su relé puede requerir más corriente. Pero incluso si es el doble, la mayoría de los BJT pueden manejar eso con relativa facilidad. De todos modos, debe decirlo, si es así. [EDITAR: creo que lo ha indicado en los comentarios debajo de mi respuesta que la corriente medida es$100\:\textrm{mA}$. Eso debería estar bien. Pero cambia algunos de los valores que escribo a continuación).

En este caso, usaría lo que tengo en abundancia: dispositivos OnSemi PN2222A . Comencemos examinando la Figura 11:

Mire la Figura 11 y podrá obtener mucha información importante. La primera es que "recomiendan" operarlo como un interruptor con$\beta=\frac{I_C}{I_B}=10$. (Puedes ver esto en dos lugares: la curva más baja en el gráfico que es el valor de$V_{CE}$cuando están saturados, donde especifican$\frac{I_C}{I_B}=10$y también la curva superior que identifican de la misma manera). Así que esto significa

$$I_B=4\:\textrm{mA}\label{ib}\tag{Ib}$$ que está dentro de las limitaciones de su pin de E/S. Eso es bueno. la segunda es que $$V_{BE}\approx 800\:\textrm{mV}\label{vbe}\tag{Vbe}$$ con esa corriente de colector. (Simplemente mire a lo largo del eje x para encontrar la corriente del colector, luego mire hacia arriba donde la curva se cruza con un valor del eje y). Este último detalle se usará en el diseño.

Es hora de preparar un esquema:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El valor de$R_1$es bastante simple de calcular. Primero, suponga que el pin de E/S está operando a su voltaje de salida más bajo cuando está alto. Ya conoces este valor de arriba,$\ref{voh}$. Además, conoce el valor típico para el voltaje del emisor base del BJT desde arriba,$\ref{vbe}$. Y finalmente, también conoce la corriente base probable,$\ref{ib}$. Así que solo calcula:

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

El valor más cercano sería$470\:\Omega$. Así que eso es lo que ves en el esquema. El diodo, por supuesto, proporciona un camino para que la energía del campo magnético del relé colapse, cuando intenta apagarlo. De lo contrario, no conduce.

Digamos que su pin de E/S es más poderoso de lo que asumimos y tiene un$3.3\:\textrm{V}$cuando se conduce alto. Entonces el pin de E/S y la corriente base BJT serán$\frac{3.3\:\textrm{V}-800\:\textrm{mV}}{470\:\Omega}\approx 4.4\:\textrm{mA}$. Esto también está bien y no dañará nada en absoluto. Así que este diseño debería funcionar bien.

Hay razones para agregar una resistencia a tierra, desde la base BJT. Una es que ayuda a mantener la base cerca del suelo si por alguna razón el otro extremo de la$R_1$estaban flotando y no conectados a su ESP8266. Y hay otras razones. Pero no es vital aquí, así que dejaré de lado la discusión por ahora.

EDITAR: con usted indicando (en los comentarios a continuación) el valor de$100\:\textrm{mA}$para el relé, que es 2,5 veces más de lo que usé anteriormente, podría considerar la idea de usar 2,5 veces la corriente base. Pero también la mayoría de estos BJT de pequeña señal pueden funcionar bien como un interruptor con valores más altos de$\beta$de lo que sugerí anteriormente al leer la Figura 11. Veamos ahora la Figura 4:

Aquí, puede ver una curva etiquetada$150\:\textrm{mA}$, que es más de lo que necesitas. El eje x es la corriente base.$I_B$, y el eje y es$V_{CE}$. Quiere un valor bajo para$V_{CE}$y puedes ver que se estabiliza alrededor de$100\:\textrm{mV}$. Teniendo en cuenta que estas son curvas típicas y no curvas garantizadas, puede ver que usando$I_B\approx 8\:\textrm{mA}$se ve bastante sólido (lejos de la curva de la rodilla) y eso$10\:\textrm{mA}$es aún mejor. Bueno, esto sugiere que$\beta$de alrededor de 15 a 20 probablemente funcionará bastante bien.

Tomando todo esto junto para su relevo en$100\:\textrm{mA}$, necesita aproximadamente 2,5 veces más corriente de base debido al aumento de la carga del relé, pero puede darse el lujo de reducirla en un factor de 1,5 a 2,0 debido a la curva de la Figura 4. Entonces, tal vez yendo desde el cálculo anterior$I_B=4\:\textrm{mA}$a tal vez$I_B=5\:\textrm{mA}$a$I_B=6.7\:\textrm{mA}$está bien

Volvamos a calcular la ecuación anterior para$\ref{r1}$:

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

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

entre estos dos? simplemente iría con$R_1=330\:\Omega$. Creo que eso sería sonido. En el peor de los casos, la corriente del pin de E/S debe ser aproximadamente$7.5\:\textrm{mA}$. Esto está muy por debajo del máximo de$12\:\textrm{mA}$para la tabla de la hoja de datos ESP8266 que muestro arriba, pero lo suficiente como para que no me preocupe demasiado. (Al menos, no a menos que supiera que estaba repitiendo este controlador en una gran cantidad de pines de E/S. En ese caso, probablemente iría a ver si había un límite específico para el puerto o dispositivo como un todo. )

No necesitas este "vudú". Tanto R1 como R3 son innecesarios aquí. Un transistor bipolar funciona con corrientes, no con voltajes. Estas resistencias solo se necesitan para polarizar el transistor en su región lineal para amplificadores lineales. No quiere amplificación lineal, quiere conmutación de alta eficiencia.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El voltaje emisor-base$U_{BE}$depende de la corriente del colector pero, en general, es de aproximadamente 1V. Entonces, con 3.3V en su base y una resistencia base de 1k, tiene una corriente base de aproximadamente 2mA.

Use un transistor de conmutación, estos tienen un valor beta alto y se saturan con corrientes de entrada muy bajas. También puede considerar un tipo darlington para cargas más altas. La saturación conduce a una menor caída de voltaje y menos producción de calor en el transistor.

Los FET no se saturan. Por lo tanto, una gran victoria de velocidad.

Y un Vbe bipolar está más o menos configurado en 0.5--0.7 voltios, para corrientes útiles.

Mientras que un FET felizmente permite 1 o 2 o 5 o 10 voltios entre la puerta y el canal. Por lo tanto, una gran victoria para la flexibilidad de operación.

Una comparación general de BJT y FET:

BJT: - Dispositivo controlado por corriente - Los portadores de carga son tanto electrones como huecos (por lo tanto, bipolares) - Físicamente más grandes - Muy poca capacitancia de entrada (puede dar mayor velocidad/amplificación de mayor frecuencia) - Más amplificación lineal ya que la ganancia no depende del voltaje de polarización - Puede tener una impedancia de salida más baja y, por lo tanto, manejar cargas de baja impedancia más fácilmente - Generalmente un mayor consumo de energía debido al control de corriente

FET: - Dispositivo controlado por voltaje (menor consumo de energía, solo consume energía cuando se cambia de estado en general) - Los portadores de carga son electrones o huecos (según el tipo, por lo tanto, unipolar) - Físicamente más pequeño - Puede escalar más fácilmente (la mitad de la corriente se drena al reducir a la mitad la puerta tamaño) - Generalmente una capacitancia de entrada más alta y el efecto Miller significa que a medida que aumenta la ganancia, también lo hace la capacitancia de entrada - No se puede controlar muy bien la baja impedancia baja (generalmente necesita una etapa de búfer) - Generalmente un consumo de energía más bajo

Esta no es una lista completa de diferencias, pero espero que responda a su pregunta sobre las diferencias entre los dos tipos de transistores. En mi experiencia educativa, parece que el 95 % del tiempo para proyectos de aficionados, los BJT son el camino a seguir, pero para proyectos a gran escala y de alta densidad, CMOS es la opción principal, ya que la mayoría de los circuitos digitales son CMOS y, por lo tanto, es más económico. producir tanto analógico como digital en el mismo proceso.

En algunas aplicaciones, la eficiencia energética es muy importante. Aunque hay muchas aplicaciones en las que realmente no importa, a muchas personas no les gusta limitar innecesariamente los diseños a las últimas aplicaciones.

Si uno necesita tener un circuito basado en BJT único que sea capaz de cambiar 100 mA, ese circuito probablemente necesitará consumir entre 2 y 10 mA siempre que se suponga que esté encendido, ya sea que la corriente de carga sea realmente 100 mA o cero . Si la carga consume realmente 100 mA cada vez que está encendida, agregar incluso 10 mA al consumo de energía del sistema en ese momento solo aumentaría el consumo total de energía en un 10 %. Sin embargo, si la carga a menudo está impulsando algo que solo consume 1 mA, agregar incluso 2 mA al consumo de energía cuando está encendido triplicaría el consumo de energía relacionado con el control de esa carga. Si la carga estará encendida la mayor parte del tiempo (pero simplemente consume muy poca corriente), eso podría ser un gran desperdicio.

Los BJT han estado ampliamente disponibles durante más tiempo que los MOSFET, y muchos circuitos están diseñados en torno a esa disponibilidad. No sé si algún MOSFET en particular es tan omnipresente como el 2N3904 y el 2N3906. Esas partes no están ni cerca de los mejores transistores del planeta, pero están en todas partes. No conozco ningún MOSFET del que se pueda decir lo mismo.