BJTはレベルシフターに適していますか？FETはより一般的であるようですが、どのように比較しますか？

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私は趣味で、FETトランジスタのデータシート/チュートリアルを一度も通過していません。私はBJTの男です。FETとBJT、およびそれぞれのタイプに最も適した特定のアプリケーションを扱った議論は見つかりませんでした。私のプロジェクトは、非常に単純なスイッチングおよび論理ゲートスタイルの回路です。そのため、プロジェクトの要件を満たすためにBJTを取得した後は、機能しているものにとどまりました。私は午後、EE-SEでこれを研究し、たくさんの良いものを見つけました。レベルシフターには、FETがより一般的な選択肢のように思えました。いくつかの一般的なアプリケーションでのFETとBJTに伴う長所/短所とトレードオフについて、「ダミー」の説明を誰かが提供できることを望んでいました。

プロジェクトにこのレベルシフターを選択しました。3.3VGPIOを備えたESP8266を使用して5Vリレーを駆動したいです。リレーのコイル電流を測定すると、約100mAになります。S8050と最小限の部品を使用したいのですが、要件は高くありません。ESP8266を使用してPIRセンサーのピンを読み取り、トグルスイッチを読み取ってリレーを使用してライトを制御しています。上記の回路は良い選択ですか？独自の回路を設計しましたが、使用しません。それでも、誰かが私のデザインの分析を親切に提供してくれれば、それは私の理解に役立ちます。これは、いくつかの勘、推測、そしておそらく少しのブードゥー教に基づいていました。

簡単に言えば、ベース電流（GPIO出力3.3V-Q1の0.7Vベース）/ R2の1Kオーム= 2.6mAは、分圧器R1 / R3の電流（5である）の影響をあまり受けないと推論しました。 /（100K + 100K）= 25uA。R1、R2、R3、およびU1のベースのジャンクションがどのように機能するかわかりません。U1のベースが分圧器の2.5Vを0.7Vに引き下げると推測しましたが、GPIOがソースする2.6mAにどのように影響するかはわかりませんでした。それが私がリンクした回路で行った理由です。

relay gpio level-shifting

— JRE
ソース

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R1は何をしていますか？

— ペリシンチオン

これがブードゥーの出番です。これは、さまざまなサーキットのウェブサイトでよく知られているものです。魔法の8ボールを調べた後、回路に「バイアス」をかけようと思った。主に、GPIOピンが3.3Vを超えないようにしたかっただけです。私が言ったように、「ブードゥー教」（またはおそらく迷信...何でも）。

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FETの人気の一部は、電流駆動ではなく電圧駆動であり、スイッチングアプリケーションを使用するほとんどの人にとって、多くの点で理解しやすいことだと思います。現在のBJTで考える必要があるのは、少々頭が痛い場合があります。など、あなたがゲートに適用するにはその電圧を必要とし、あなたは正のレールの上に余分なボルトを持っていないということでFETSと、時には皮肉な欠点

— イアン柔和

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レイ。はい、あなたが想像できるあらゆる種類の切り替え配置のためにBJTを使用する上で、数千ではないにしても数百の良いページがあります。それらはレベルシフターとしてもうまく機能しますが、そのフレーズを使用しているにもかかわらず、実際にはそれがあなたの状況ではないと思います。BJTを使用したレベルシフトの例をご覧になりたい場合は、こちらの回答をご覧ください。

以下では、あなたに魚をあげるのではなく、魚を教えてみます。

I / Oピン（リレーなど）を超える電流コンプライアンス、またはI / Oピンが処理できるよりも高い駆動電圧（再びリレーなど）を含む状況、または誘導に対する保護が必要な場合キックバック（もう一度、リレーのように）、おそらく外部BJTまたはFETをスイッチとして使用したいと思うでしょう。

スイッチが次のようになるように調整できます。

ローサイド（地面近く）、または
ハイサイド（リレーまたは他のデバイスの駆動電圧付近）、または
両側（Hブリッジ、ブリッジ結合負荷など）

ただし、上記の（2）または（3）を選択する正当な理由が本当に必要です。いくつかの適切な理由がない場合、それらはより多くの部分を含み、しばしば不必要に複雑になります。したがって、ローサイドスイッチは、このようなものを調べるための最初の選択肢です。

スイッチを設計するには、駆動する必要があるものの仕様と、駆動するために持っているものの仕様から始めます。

ESP8266データシートを見てみましょう：

ここでは、I / Oピンの現在のコンプライアンスの最大値がであることがわかります。。これは、その値を十分に下回るように計画する必要があることを意味しています。私は最大の半分以下にとどまるのが好きですが、それを管理できればなお良いです。このように複数の異なるI / Oピンを同時に使用している場合、負荷が増加し、ポート全体とデバイス全体の消費制限もあるため、少ない方が優れています。記載されていなくても存在します。そのため、物事をできるだけ低くしてください。 $I_{MAX}=12\:\textrm{mA}$

電圧制限にも注意してください。動作していると仮定します、それらはその80％の高出力電圧を保証し、又は $V_{CC}=3.3\:\textrm{V}$ （ソーシング場合、この手段は、。）彼らはまた、その80％の低出力電圧を保証し、又は

\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}

$I_{MAX}$

（この手段は、シンク

。）

\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}

$I_{MAX}$

次に、典型的なリレーデータシートを見てみましょう。

ここから、抵抗がであることがわかります。および必要な電流は $125\:\Omega$ 。 $40\:\textrm{mA}$

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

上記のデータは、前述のすべての理由で実際に外部スイッチが必要なことを示しています。リレーのインダクタンスからの逆起電力からI / Oピンを保護したいため、そしてリレーがI / Oよりも高い電圧を必要とするためピンは提供できます。I / Oを直接使用することさえ考えないでください！

また、リレーに必要な電流が少ないため、ほぼすべてのBJTを使用できます。

$100\:\textrm{mA}$

この場合、OnSemi PN2222Aデバイスの多くを使用します。図11を調べることから始めましょう。

図11を見ると、多くの重要な情報を入手できます。1つ目は、スイッチとして操作することを「推奨」することです。 $\beta=\frac{I_C}{I_B}=10$ $V_{CE}$ $\frac{I_C}{I_B}=10$

\begin{matrix} (Ib) & I_{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}

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

回路図を準備する時間：

回路図

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

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

\begin{matrix} (R1) & R_{1} = \frac{2.64 V - 800 mV}{4 mA} = 460 Ω \end{matrix}

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

$470\:\Omega$

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

$R_1$

編集：あなたが（以下のコメントで）値を示すと $100\:\textrm{mA}$ $\beta$

ここでは、というラベルの付いた曲線を見ることができます $150\:\textrm{mA}$ $I_B$ $V_{CE}$ $V_{CE}$ $100\:\textrm{mV}$ $I_B\approx 8\:textrm{mA}$ $10\:\textrm{mA}$ $\beta$

リレーのためにこれらすべてを一緒に取る $100\:\textrm{mA}$ $I_B=4\:\textrm{mA}$ $I_B=5\:\textrm{mA}$ $I_B=6.7\:\textrm{mA}$

$\ref{r1}$

\begin{matrix} (R1 redo 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 redo 2) & R_{1} = \frac{2.64 V - 800 mV}{6.7 mA} = 275 Ω \end{matrix}

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

この2つの間？私はちょうど行きます $R_1=330\:\Omega$ $7.5\:\textrm{mA}$ $12\:\textrm{mA}$

— ジャンク
ソース

素晴らしい答えです！これは私が使用する回路になります。すでにいくつかの2N2222Aを清掃しました。私はこの素材を軽く持っていると思っていましたが、いくつかのことに少し不安があることがわかりましたので、あなたが行った詳細に行ってくれてうれしいです：最初に、保証された値に注意して私の計算で完全な100％を使用する代わりに、レベル出力電圧と係数を80％（または、どのような場合でも）にします。本当に驚いたのは、コレクタ電流/ベース電流のベータパラメータを使用したことです。私はずっとhFEを使用しています。私はオーバー練り

私の質問の計算なので、5V電源を使用してリレーで100mAを測定しました（印刷の上に接着しているため、データシートを取得できません）。これに2X-5Xの推奨安全マージンを掛けたため、260mAに落ち着きました。コレクタ電流に使用しているのではないですか？これを100のhFEで割ると、2.6mAのベース電流が得られます。だからここで私はすべて混乱しています：hFEはコレクターに対するベースの現在のゲインだと思った。beta = Icollector / Ibaseを再配置すると、ベース電流X beta =コレクタ電流が得られます。どこで滑ったの？私はまた、図2のグラフに困惑しています11、。

V_{C E} = 10 V

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

β

$\beta$

100 mA

$100\:\textrm{mA}$

β = 15

$\beta=15$ またはそれより少し高い値、おそらく。I / Oピンに対しても機能します。

— ジャンク

上部には3つのプロットがあり、そのうち2つは適切にラベル付けされていますが、3つ目のプロットは単に「1.0 V」と表示しています。「Vbe（sat）@ Ic / Ib = 10」というラベルの付いたものを使用していましたが、「1.0V」に興味があります。保護ダイオードには、1N4001-1N4007の範囲のものを使用する習慣がありました。繰り返しますが、無知から、私は繊細な見た目1N4148よりも「ベファー」であるということは、「ヘビーデューティー」であると考えていました。私は彼の回路図から、ダイオードのカソードを接続する必要があると推測しました

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

$V_{CE}=10\:\textrm{V}$ 、明らかに。それらは非常に悪いスイッチです。自分に合ったダイオードを自由に使用してください。ほとんどが生き残ります。私は帰納的キックバックの計算の詳細に入りたくありませんでした。（それを行うことができます。）

— jonk

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この「ブードゥー」は必要ありません。ここではR1とR3の両方は不要です。バイポーラトランジスタは、電圧ではなく電流で動作します。これらの抵抗は、線形増幅器のトランジスタを線形領域にバイアスするためにのみ必要です。線形増幅が必要ではなく、高効率スイッチングが必要です。

回路図

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

エミッターベース電圧 $U_{BE}$

スイッチングトランジスタを使用してください。これらは高いベータ値を持ち、非常に低い入力電流で飽和状態になります。また、負荷が高いダーリントンタイプを検討することもできます。飽和により、電圧降下が低くなり、トランジスタの発熱が少なくなります。

— ジャンカ
ソース

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FETは飽和しません。したがって、大きな速度の勝利。

そして、有用な電流のために、バイポーラVbeはほぼ0.5--0.7ボルトに設定されています。

一方、FETでは、ゲートとチャネル間で1ボルト、2ボルト、5ボルト、または10ボルトが許容されます。そのため、運用の柔軟性に大きなメリットがあります。

— analogsystemsrf
ソース

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BJTとFETの一般的な比較：

BJT：-電流制御デバイス-電荷キャリアは電子とホールの両方です（したがってバイポーラ）-物理的に大きい-入力容量が非常に少ない（高速/高周波増幅が可能）-ゲインはバイアス電圧に依存しないため、線形増幅が増加-出力インピーダンスを低くすることができるため、低インピーダンスの負荷をより簡単に駆動できます-一般に、電流制御による消費電力の増加

FET：-電圧制御デバイス（低消費電力、一般に状態を切り替えるときにのみ電力を消費）-電荷キャリアは電子またはホール（タイプによって異なるため、ユニポーラ）-物理的に小さく-スケーリングが容易（ゲート電流を半分にすることで半分のドレイン電流）サイズ）-一般に高い入力容量とミラー効果は、ゲインが上がると入力容量も大きくなることを意味します-低インピーダンスを非常に低く駆動することはできません（通常はバッファステージが必要です）-一般に低消費電力

これは決して完全な相違点のリストではありませんが、2種類のトランジスタの相違点についての質問にお答えいただければ幸いです。私の教育経験では、趣味のプロジェクトの95％の時間、BJTが道であるように見えますが、大規模で高密度のプロジェクトでは、ほとんどのデジタル回路がCMOSであるため、CMOSが主な選択肢であり、したがって安価です同じプロセスでアナログとデジタルの両方を作成します。

— ケイ・エフィンガー
ソース

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一部のアプリケーションでは、エネルギー効率が非常に重要です。それほど重要ではない多くのアプリケーションがありますが、多くの人はデザインを後者のアプリケーションに不必要に制限することを嫌います。

100mAのスイッチングが可能な単一のBJTベースの回路が必要な場合、その回路は、負荷電流が実際に100mAであるかゼロであるかに関係なく、オンになるはずのときはいつでも2-10mAの間に描画する必要があります。。負荷がオンのときに実際に100mAを消費する場合、その時点でシステムの消費電力に10mAを追加しても、全体の消費電力は10％しか増加しません。ただし、負荷が1mAしか消費しない場合、電源がオンのときに消費電力に2mAを追加すると、その負荷の制御に関連する電力消費が3倍になります。ほとんどの時間で負荷がオンになっている場合（ただし、電流がほとんど流れない場合）、非常に無駄になります。

BJTはMOSFETよりも長い間広く利用されてきており、多くの回路はその可用性を考慮して設計されています。特定のMOSFETが2N3904や2N3906と同じくらい遍在していることは知りません。これらの部品は、地球上で最高のトランジスタの近くにはありませんが、どこにでもあります。同じことを言えるMOSFETについては知りません。

— スーパーキャット
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