BJTs versus (MOS) FET para alternar uma carga de um microcontrolador

Gostaria de saber quais são as razões para escolher o transistor de junção bipolar (BJT) versus um transistor de efeito de campo (FET) ( MOSFET ou JFET ) para alternar uma carga de um microcontrolador. Em nossa situação hipotética, suponha que a carga exija mais corrente do que o microcontrolador pode fornecer, e a questão é quais considerações favoreceriam a favor ou contra o design do comutador BJT e FET, assumindo que "facilidade de uso" não é uma consideração.

Esta questão é uma versão mais específica de quando usar a pergunta de transistor .

Resposta parcial - pode demorar muito - pode adicionar mais tarde:

As opções neste contexto são geralmente bipolares ou MOSFET. Depois de chegar ao JFET, você também pode pensar em SCR / TRIAC, IGBT, .... Você pode jogar o bipolar-Darlington na mistura.

Curto: vai algo como -

• Pequenos bipolares de até 500 mA e tensão de carga de 30 Volts são de baixo custo, podem ser acionados por 1V acima da tensão de acionamento, precisam de correntes de acionamento disponíveis na maioria dos processadores e amplamente disponíveis.

  • Normalmente, o afundamento de calor quando executado no modo liga / desliga geralmente não é necessário ou é modesto (geralmente cobre modesto para PCB) e os pacotes de tamanho SOT23 ou TO92 geralmente são adequados. Quando cargas lineares são acionadas e a dissipação aumenta, são necessários produtos VI mais baixos e / ou melhores dissipadores de calor e / ou pacotes maiores.

  • Frequências de 10 'de kHz estão disponíveis em um único resistor, 100' de kHz com uma unidade RC um pouco mais complexa e baixa frequência de MHz com mais cuidado. Superior novamente fica especialista

  • A facilidade de uso nessa faixa geralmente é tão boa ou melhor que MOSFETS e o custo é menor.

• Para correntes de cerca de 500 mA a 10 s de amperes entre 10 e 100+ Volts, geralmente é mais fácil usar um MOSFET. Para comutação CC ou baixa frequência (digamos <1 kHz), é possível o acionamento direto da porta CC nos níveis típicos do microcontrolador com partes selecionadas.
  À medida que as frequências aumentam, são necessários drivers mais complexos para carregar e descarregar a capacitância da porta (normalmente em torno de NF) em tempos suficientemente curtos para manter as perdas de comutação durante a transição baixas o suficiente para serem aceitáveis. Na faixa de 10 kHz a 100 kHz, drivers simples de 2 ou 3 BJTs de jujuba são suficientes. (Portanto, você precisa adicionar 2 ou 3 BJTS se usar um MOSFET). Os CIs de driver especializados estão disponíveis, mas geralmente não são necessários ou justificam o custo

• Para tensões mais altas e / ou frequências mais altas, os bipolares começam a vencer novamente.
  Existem bipolares especializados, como dispositivos de saída de linha de TV (o que é isso? :-)) que rodam em torno de 1 kV com um Beta de cerca de 3 (!!!). Como potência base ~ = Vdrive x Idrive e Vload >>> Vbase, não importa excessivamente que Ibas ~ = Iload.

• Um IGBT é uma tentativa (geralmente bem-sucedida) de correr com as lebres e caçar com os cães - ele usa um estágio de entrada MOSFET para obter baixa potência de acionamento e um estágio de saída bipolar para obter alta tensão no desempenho de alta frequência.

• Os transistores Darlington (dois bipolares "em série") (provavelmente, 'par Darlington') têm Betas muito altos (mais de 1000 comuns) com a penalidade de Vdrive = 2 x Vbe (em oposição a 1 x Vbe para um único BJT) e Vsat> Vbe do transistor de saída e uma relutância acentuada em desligar, se for levado a saturação. Limitar o acionamento da base para interromper a desaceleração da saturação aumenta ainda mais Vast_minimum.

  • Meu tempo Olde favorito, mas o regulador de comutação útil do MC34063, inclui um driver de saída incrivelmente capaz, que é um par de Darlington. Pode ser útil, mas a saturação deve ser evitada a uma velocidade máxima massiva de [100] ~ 100 kHz, para que a eficiência sofra baixa oferta de V quando o Volt + da saturação de saída prejudica significativamente a tensão do inversor de carga.

  • Um pequeno transistor de Darlington pode ser acionado a partir de, digamos, 1,5V (mais melhor) a usualmente <= 1 mA por Amp de carga. Se a saturação da saída for aceitável, eles podem ser muito úteis.

  • Os CIs de driver hexágono e octal ULN200x e ULN280x, úteis e populares, usam darlingtons de coletor aberto, com classificação de 500 mA por canal (não de uma só vez, idealmente). Há uma variedade de versões de tensão de entrada e algumas são adequadas para acionamento direto do processador sem sequer um resistor. O ULM2003 e o ULN2803 são os mais conhecidos, mas não necessariamente os mais úteis em aplicativos de unidades de processador.

As considerações incluem, mas certamente não se limitam ao nível de potência, tensão do inversor, tensão de carga, nível disponível do inversor, velocidade de comutação, simplicidade necessária, dissipação de calor, eficiência, volume de fabricação e comercial / hobby, custo, ....

Em baixos níveis de energia e tensões modestas - digamos 10 'de volts e menos de 500 mA (e possivelmente até alguns amps), pequenos bipolares podem ser uma boa escolha. A corrente do inversor é de aproximadamente Iload / Beta (Beta = ganho de corrente) e um Beta 0f 100 a 250 a 500 mA está disponível com peças com melhor desempenho e mais de 500 com peças especializadas. Por exemplo, BC337-400 (minha bebida favorita do TO92 BJT) tem Beta de 250-600, que possui sqrt (250 x 600) ~~ = 400, daí o nome da peça. O Beta "garantido" de 250 (verifique a folha de dados) permite uma carga de 250 mA por mA de unidade. Com uma unidade de 2 mA - disponível na maioria, mas não em todos os processadores -, você pode obter corrente de carga de 500 mA, embora mais unidades não se extraviem. Isso é possível com tensões de unidade de, digamos, 1V ou mais; portanto, um processador rodando em 3V3 ou 2V provavelmente o administrará bem. Os MOSFETs com Vgsth suficientemente baixo (tensão de limiar de porta) podem funcionar nessas tensões do inversor, mas tornam-se mais raros e mais especializados abaixo de alguns volts do inversor. A tensão mínima exigida do inversor é geralmente volt ou pouco acima de Vgsth (consulte a folha de dados em TODOS os casos).

Os bipolares têm quedas de tensão no estado (Vsat) dependendo da corrente de carga, corrente do inversor e tipo de dispositivo específico. Um Vsat de alguns décimos de Volt na corrente nominal seria muito bom, 500 mV provavelmente típico e superior, de maneira alguma desconhecida. Um MOSFET tem uma resistência Rdson ao invés de Vsat. Rdson depende da tensão do inversor, corrente de carga e dispositivo (pelo menos). Rdson aumenta com a temperatura e pode dobrar os valores da temperatura ambiente. Tome o devido cuidado - as folhas de dados geralmente trapaceiam e fornecem ao Rdson cargas pulsadas e dizem 1% do ciclo de trabalho e frequência baixa o suficiente para permitir o resfriamento da matriz entre os pulsos. Muito safado. Como regra geral, o dobro do valor publicado é usado quando usado com raiva, embora algumas partes consigam dizer apenas 20% de aumento da temperatura ambiente até a temperatura máxima - consulte a ficha técnica em cada caso.

Um bipolar com, digamos, 100 mV Vsat a 500 mA tem uma resistência equivalente a R = V / I = 0,1 / 0,5 = 200 miliOhms. Esse número é facilmente superado pelos MOSFETS, com Rdson, digamos, 50 miliOhms sendo comuns, menos de 5 miliOhms sendo razoavelmente disponíveis e menos de 1 miliOhm para pessoas com necessidades especiais e carteiras maiores.

Adicionado: é um processo longo e útil quando você precisa expandir em 2 pontos da resposta de Andy Aka.

@ Andy aka em sua resposta faz dois pontos muito bons que estão faltando na minha resposta acima. Concentrei-me mais nos aspectos de comutação e condução de carga.

Andy ressalta (não exatamente nessas palavras) que:

(1) A tensão entre entrada e saída em um "seguidor de fonte" do MOSFET é menos definida e depende muito mais do dispositivo do que com um BJT. Quando usado como um seguidor de emissor, onde a tensão de "referência" é aplicada à base e a tensão de saída retirada do emissor, um BJT cai "cerca de" 0,6V dc da base ao coletor em operação típica. Tensões tão baixas quanto 0.4V e tão altas quanto 0.8V podem ser esperadas em projetos extremos (corrente muito baixa ou muito alta). Um seguidor de fonte MOSFET com referência no portão e saída da fonte cairá pelo menos Vgsth de portão em fonte + qualquer tensão de portão extra necessária para suportar a corrente consumida - normalmente 0,1 a 1 volt mais, mas pode ser 2V + em alta carga ou exemplos de dispositivos com baixa especificação. Vgsth depende do dispositivo e varia de cerca de 0. 5V para dizer 6V + e é tipicamente 2 a 6V. Portanto, a queda do seguidor da fonte pode ser algo entre 0,5V (raro) e 7V + (raro).

(2) Um transistor é um dispositivo de 1 quadrante (por exemplo, NPN = Gate + ve, coletor + ve, ambos emissores errados para ligar, MAS o lócus do eixo Y negativo "indefinido" (base ZERO, coletor negativo, tende a não ser condutor para uma tensão dependente do dispositivo, mas "alguns volts" é usual. Um MOSFET com polarização reversa apresenta um diodo de substrato de diodo direto através dos terminais da fonte de dreno quando o MOSFET está desligado e uma boa aproximação a um pequeno capacitor quando o MOSFET está desligado, mas com polarização direta. , um sinal AC com mais de 0,8V pico a pico é cada vez mais cortado nos meios ciclos de polarização reversa à medida que a tensão aumenta.Este efeito pode ser superado conectando dois MOSFETS do mesmo tipo na oposição em série.Portões conectados como Vin, fontes conectadas como ponto médio flutuante, drena como vin e vout qualquer polaridade.Esse arranjo cria uma opção verdadeiramente impressionante e útil e também leva a alguns coçar a cabeça daqueles que não percebem que um MOSFET está ativado nos quadrantes 1 e 3 (para um quadrante FET de canal N 1 = DS +, SG +. - SG +).

Em aplicações seguidoras de emissor em circuitos lógicos de baixa tensão, um BJT provavelmente entregará as mercadorias no emissor, enquanto o circuito FET equivalente terá uma variação significativamente maior na tensão da fonte de porta e isso levará a resultados menos consistentes.

Eu acho que um exemplo é aplicar uma tensão a um BJT para definir a tensão através de um resistor emissor, de modo que a corrente na carga do coletor seja "constante". Estou tentando pensar em um exemplo prático decente, mas nada vem à mente - OK, sim, controlando o ponto de polarização de um diodo laser!

Generalizando, acho que qualquer coisa que exija uma configuração do tipo seguidor de tensão é mais adequada para um BJT, especialmente se as fontes lógicas forem muito baixas, ou seja, 3V3 ou menos.

Talvez também, se um sinal CA (como o de um amplificador de microfone) precisar ser silenciado usando um transistor de pinça, um bipolar pode "sofrer" alguns volts de polarização reversa do CA no coletor (quando não estiver silenciando) enquanto um FET provavelmente cortaria um pouco o sinal não mudo em meio ciclo.

JFETs seria melhor nesta aplicação embora.

Encontrei este artigo que explica os prós e contras dos BJTs e MOSFETs para uso com microcontroladores.

https://oscarliang.com/bjt-vs-mosfet/