BJTs versus (MOS) FET para cambiar una carga desde un microcontrolador

Me gustaría saber cuáles son las razones para elegir el transistor de unión bipolar (BJT) frente a un transistor de efecto de campo (FET) ( MOSFET o JFET ) para cambiar una carga de un microcontrolador. En nuestra situación hipotética, supongamos que la carga requiere más corriente de la que puede proporcionar el microcontrolador, y la pregunta es qué consideraciones sesgarían a favor o en contra del BJT y un diseño de interruptor FET, suponiendo que la "facilidad de uso" no sea una consideración.

Esta pregunta es una versión más específica de cuándo usar qué pregunta de transistor .

La respuesta parcial, que puede ser muy larga, puede agregar más tarde:

Las opciones en este contexto suelen ser bipolares o MOSFET. Una vez que llegue a JFET, también puede pensar en SCR / TRIAC, IGBT, .... Es posible que desee tirar bipolar-Darlington en la mezcla.

Corto: va algo así como -

• Los bipolares pequeños de hasta 500 mA y el voltaje de carga de 30 voltios son de bajo costo, pueden ser impulsados ​​por 1V de voltaje de accionamiento, necesitan corrientes de accionamiento que están disponibles en la mayoría de los procesadores y están ampliamente disponibles.

  • El disipador de calor cuando se ejecuta en el modo de encendido / apagado generalmente no es necesario o es modesto (el modesto cobre PCB generalmente es suficiente) y los paquetes de tamaño SOT23 o TO92 suelen ser adecuados. Cuando se impulsan cargas lineales y aumenta la disipación, se requieren productos con VI más bajo y / o un mejor disipador térmico y / o paquetes más grandes.

  • Las frecuencias de 10's de kHz están disponibles con una sola unidad de resistencia, 100's de kHz con una unidad RC un poco más compleja y baja MHz con más cuidado. Mayor vuelve a ser especialista

  • La facilidad de uso en este rango suele ser tan buena o mejor que MOSFETS y el costo es más bajo.

• Para corrientes de aproximadamente 500 mA a 10's de amperios a 10's a más de 100 voltios, un MOSFET a menudo es más fácil de usar en general. Para la conmutación de CC o baja frecuencia (digamos <1 kHz), es posible el accionamiento directo de puerta de CC a niveles típicos de microcontrolador con piezas seleccionadas.
  A medida que aumentan las frecuencias, se requieren controladores algo más complejos para cargar y descargar la capacitancia de la compuerta (generalmente alrededor de NF) en tiempos lo suficientemente cortos como para mantener las pérdidas de conmutación durante la transición lo suficientemente bajas como para ser aceptables. En el rango de 10 kHz a 100 kHz, basta con controladores simples de 2 o 3 JJJs de Jellybean. (Por lo tanto, necesita 2 o 3 BJTS agregados si usa un MOSFET). Los circuitos integrados de controladores especializados están disponibles, pero generalmente no son necesarios o están justificados por el costo

• Para voltajes más altos y / o frecuencias más altas, los bipolares comienzan a ganar nuevamente.
  Existen bipolares especializados, como dispositivos de salida de línea de TV (¿qué es eso? :-)) que funcionan a alrededor de 1 kV con una Beta de aproximadamente 3 (!!!). Como potencia base ~ = Vdrive x Idrive y Vload >>> Vbase, no importa demasiado que Ibas ~ = Iload.

• Un IGBT es un intento (generalmente exitoso) de correr con las liebres y cazar con los perros: utiliza una etapa de entrada MOSFET para obtener una potencia de accionamiento baja y una etapa de salida bipolar para obtener alto voltaje con un rendimiento de alta frecuencia.

• Los transistores Darlington (dos bipolares "en serie") (propiamente, probablemente, 'par Darlington') tienen Betas muy altas (1000+ comunes) con la penalización de Vdrive = 2 x Vbe (en oposición a 1 x Vbe para un solo BJT) y Vsat> Vbe del transistor de salida y una renuencia pronunciada a apagarse si se conduce con fuerza a la saturación. Limitar la unidad base para detener la saturación ralentizar aumenta aún más Vast_minimum.

  • Mi tiempo Olde favorito pero útil regulador de conmutación, el MC34063 incluye un controlador de salida increíblemente capaz que es un par Darlington. Puede ser útil, pero se debe evitar la saturación a una velocidad máxima masiva [tm] ~ 100 kHz, por lo que la eficiencia se ve afectada con un suministro de V bajo cuando el Volt + de la saturación de salida disminuye significativamente el voltaje de la unidad de carga.

  • Un pequeño transistor Darlington puede accionarse desde, digamos, 1.5V (más mejor) a <<1 mA por amperio de carga. Si la saturación de salida es aceptable, pueden ser muy útiles.

  • Los útiles y populares circuitos integrados de controladores hexadecimales y octales ULN200x y ULN280x utilizan darlington de colector abierto, con una clasificación de 500 mA por canal (no todos a la vez, idealmente). Hay una gama de versiones de voltaje de entrada y algunas son adecuadas para la unidad de procesador directo sin siquiera una resistencia. El ULM2003 y el ULN2803 son los más conocidos pero no necesariamente los más útiles en aplicaciones de unidades de procesador.

Las consideraciones incluyen, entre otras, el nivel de potencia, el voltaje del variador, el voltaje de carga, el nivel de variador disponible, la velocidad de conmutación, la simplicidad requerida, el disipador térmico, la eficiencia, el volumen de fabricación y comercial / aficionado, el costo, ...

A bajos niveles de potencia y voltajes modestos, digamos 10 de voltios y menos de 500 mA (y posiblemente hasta algunos amperios), los bipolares pequeños pueden ser una buena opción. La corriente de accionamiento se trata de Iload / Beta (Beta = ganancia de corriente) y un Beta 0f de 100 a 250 a 500 mA está disponible con piezas de mejor rendimiento y 500+ con piezas especializadas. Por ejemplo, BC337-400 (mi bebida TOJ BJT favorita) tiene Beta de 250-600 que tiene sqrt (250 x 600) ~~ = 400 de ahí el nombre de la parte. La versión beta "garantizada" de 250 (verifique la hoja de datos) permite una carga de 250 mA por mA de unidad. Con una unidad de 2 mA, disponible en la mayoría de los procesadores, pero no en todos, puede obtener una corriente de carga de 500 mA, aunque más unidades no se desviarán. Esto se puede lograr con voltajes de disco de, digamos, 1V o más, por lo que un procesador que funcione con 3V3 o incluso 2V probablemente lo manejará bien. Los MOSFET con un Vgsth (voltaje de umbral de puerta) lo suficientemente bajo pueden funcionar con estos voltajes de accionamiento, pero se vuelven más raros y más especializados por debajo de unos pocos voltios. El voltaje mínimo requerido del variador generalmente es de voltios o unos pocos por encima de Vgsth (consulte la hoja de datos en CADA caso).

Las caídas de voltaje en estado bipolar (Vsat) dependen de la corriente de carga, la corriente del variador y el tipo de dispositivo específico. Un Vsat de algunas décimas de Volt a corriente nominal sería muy bueno, 500 mV probablemente típico y más alto de ninguna manera desconocido. Un MOSFET tiene una resistencia Rdson en lugar de Vsat. Rdson depende del voltaje del variador, la corriente de carga y el dispositivo (al menos). Rdson aumenta con la temperatura y puede duplicarse con respecto a los valores de temperatura ambiente. Tenga el debido cuidado: las hojas de datos generalmente engañan y dan a Rdson con cargas pulsadas y digamos un ciclo de trabajo del 1% y una frecuencia lo suficientemente baja como para permitir el enfriamiento del dado entre pulsos. Muy travieso. El valor publicado doble como regla general cuando se usa 'en ira', aunque algunas partes logran decir solo un aumento del 20% sobre la temperatura ambiente a la temperatura máxima; consulte la hoja de datos en cada caso.

Un bipolar con, digamos, 100 mV Vsat a 500 mA tiene una resistencia equivalente de R = V / I = 0.1 / 0.5 = 200 miliOhms. La cifra de Tjis es muy fácil de superar por MOSFETS, con Rdson de, digamos, 50 miliOhms siendo común, menos de 5 miliOhms razonablemente disponibles y menos de 1 miliOhm disponible para personas con necesidades especiales y billeteras más grandes.

Agregado: Esta es una extensión larga y útil cuando la necesita en 2 puntos de la respuesta de Andy Aka.

@Andy aka en su respuesta hace dos puntos muy buenos que faltan en mi respuesta anterior. Me concentré más en los aspectos de conmutación y conducción de carga.

Andy señala (no del todo en estas palabras) que:

(1) El voltaje entre la entrada y la salida en un "seguidor de fuente" MOSFET está menos definido y depende mucho más del dispositivo que con un BJT. Cuando se usa como un seguidor de emisor donde el voltaje de "referencia" se aplica a la base y el voltaje de salida tomado del emisor, un BJT cae "aproximadamente" 0.6V CC desde la base al colector en la operación típica. Se pueden esperar voltajes tan bajos como aproximadamente 0.4V y tan altos como digamos 0.8V en diseños extremos (corriente muy baja o muy alta). Un seguidor de la fuente MOSFET con referencia en la puerta y la salida de la fuente caerá al menos Vgsth de la puerta a la fuente + cualquier voltaje adicional de la puerta que se necesite para soportar la corriente consumida, generalmente 0.1 a 1 voltio más, pero podría ser 2V + en alta carga o Ejemplos de dispositivos de baja especificación. Vgsth depende del dispositivo y varía de aproximadamente 0. 5V para decir 6V + y típicamente es de 2 a 6V. Por lo tanto, la caída del seguidor de origen puede ser de aproximadamente 0.5V (raro) a 7V + (raro).

(2) Un transistor es un dispositivo de 1 cuadrante (p. Ej. NPN = Gate + ve, collector + ve, ambos emisores wrt para encender PERO el locus del eje Y negativo "indefinido" (base CERO, colector negativo, tiende a no ser conductor para un voltaje dependiente del dispositivo pero "algunos voltios" es habitual. Un MOSFET con polarización inversa presenta un diodo de sustrato de diodo directo a través de los terminales de la fuente de drenaje cuando el MOSFET está apagado y una buena aproximación a un condensador pequeño cuando el MOSFET está apagado pero polarizado hacia adelante. , una señal de CA de más de 0,8 V pico-pico se recorta cada vez más en los semiciclos de polarización inversa a medida que aumenta el voltaje. Este efecto se puede superar conectando dos MOSFETS del mismo tipo en oposición en serie. Puertas conectadas como Vin, fuentes conectadas como punto medio flotante, drena como vin y vout polaridad.Esta disposición es un interruptor realmente impresionante y útil y también hace que se rasquen la cabeza de aquellos que no se dan cuenta de que un MOSFET está activado en los cuadrantes 1 y 3 (para un N Channel FET Quadrant 1 = DS +, SG +. Quadrant 3 = DS - SG +).

En aplicaciones de seguidor de emisor en circuitos lógicos de bajo voltaje, un BJT probablemente entregará los productos en el emisor, mientras que el circuito FET equivalente tendrá una variación significativamente mayor en el voltaje de la puerta de entrada y esto dará lugar a resultados menos consistentes.

Supongo que un ejemplo es aplicar un voltaje a un BJT para establecer el voltaje a través de una resistencia de emisor para que la corriente en la carga del colector sea "constante". Estoy tratando de pensar en un ejemplo práctico decente, pero no se me ocurre nada. OK, sí, controlar el punto de polarización de un diodo láser.

En general, creo que cualquier cosa que requiera una configuración de tipo seguidor de voltaje es más adecuada para un BJT, especialmente si los suministros lógicos son bastante bajos, es decir, 3V3 o menos.

Tal vez también, si una señal de CA (como la de un amplificador de micrófono) necesita ser silenciada usando un transistor de pinza, un bipolar puede "sufrir" un par de voltios de polarización inversa de la CA en el colector (cuando no se silencia) mientras que un FET probablemente recortaría un poco la señal no silenciada en medio ciclo.

Sin embargo, los JFET serían mejores en esta aplicación.

Encontré este artículo que explica las ventajas y desventajas de los BJT y MOSFET para su uso con microcontroladores.

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