En mi experimentación, he usado solo BJT como interruptores (para encender y apagar cosas como LED y demás) para las salidas de mi MCU. Sin embargo, se les ha dicho repetidamente que los MOSFET de modo de mejora de canal N son una mejor opción para los conmutadores (consulte aquí y aquí , por ejemplo), pero «no estoy seguro de entender por qué. Sé que un MOSFET no desperdicia corriente en la puerta, donde lo hace la base de un BJT, pero esto no es un problema para Yo, ya que no estoy funcionando con baterías. Un MOSFET tampoco requiere una resistencia en serie con la puerta, pero generalmente REQUIERE una resistencia desplegable para que la puerta no flote cuando se reinicia la MCU (¿verdad?). Entonces, no hay reducción en el recuento de piezas.
No parece haber un gran excedente de MOSFET de nivel lógico que puedan cambiar la corriente que los BJT baratos pueden (~ 600-800mA para un 2N2222, por ejemplo ), y los que existen (TN0702, por ejemplo) son difíciles de encontrar y significativamente más caros.
¿Cuándo es un MOSFET más apropiado que un BJT? ¿Por qué continuamente me dicen que debería ser utilizando MOSFETs?
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- Las limitaciones de la batería no son ‘ t la única razón para ahorrar energía. ¿Qué pasa con la disipación de calor? ¿Qué pasa con el costo de funcionamiento? ¿Qué pasa con la vida útil del producto (que puede estar limitada por el calor)?
- Volviendo a décadas, cuando los MOSFET aún eran dispositivos nuevos, recuerdo haber visto un artículo donde un fabricante de MOSFET señaló que ‘ habían logrado un logro real, para mostrar que las piezas realmente estaban funcionando: ‘ d construyeron y estaban enviando el VN10KM, que fue específicamente des diseñado y destinado a encajar en el nicho ecológico habitual que ocupa actualmente el venerable 2N2222.
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Los BJT son mucho más adecuado que los MOSFET para impulsar LED de bajo consumo y dispositivos similares de MCU. Los MOSFET son mejores para aplicaciones de alta potencia porque pueden cambiar más rápido que los BJT, lo que les permite usar inductores más pequeños en fuentes de modo de conmutación, lo que aumenta la eficiencia.
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- ¿Qué hace que un BJT ‘ sea mucho más adecuado ‘ para la conducción con LED? Hay toneladas de controladores LED que usan interruptores MOSFET.
- La conmutación más rápida no ‘ necesariamente tiene que ver con aplicaciones de alta potencia. Se pueden usar pares Darlington (BJT), etc. para cambiar de alta potencia. Usted ‘ re respuesta no ‘ no llega al meollo del problema.
- @Mark: Uno de los Las principales limitaciones de los BJT ‘ s es que requieren una corriente base proporcional a la corriente máxima posible del colector. Cuando se controla algo cuya corriente máxima es mucho mayor que la corriente esperada (por ejemplo, un motor), esto puede ser un desperdicio. Sin embargo, cuando se conduce un LED, la corriente se puede predecir bastante bien; desperdiciar el 2.5% del poder de un ‘ s en la base no es ‘ un gran problema.
- @supercat, ¿cómo funciona? esto los hace » mucho más adecuados «? 2.5% es un trato ENORME en muchas aplicaciones.
- @Mark: En algunas aplicaciones, el 2.5% puede ser un gran problema, pero en muchas aplicaciones uno estará mucho más preocupado por los 10mA consumidos por un LED que los 250uA consumidos en la base del transistor que lo controla. Yo mismo no ‘ no hubiera usado el término » mucho » más adecuado, pero BJT Los ‘ suelen ser un poco más baratos que los MOSFET, y eso en sí mismo los hace » más adecuados «, todo lo demás es igual. Además, en algunas aplicaciones, puede ser más fácil cablear BJT ‘ s para un circuito de corriente constante que los MOSFET.
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Los BJT desperdician algo de corriente cada vez que se encienden, independientemente de si la carga está consumiendo algo. En un dispositivo que funciona con baterías, usar un BJT para alimentar algo cuya carga es muy variable pero que a menudo es baja terminará desperdiciando mucha energía. Sin embargo, si se usa un BJT para alimentar algo con un consumo de corriente predecible (como un LED), este problema no es tan malo; simplemente se puede configurar la corriente base-emisor para que sea una pequeña fracción de la corriente del LED.
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Un buen MOSFET de canal N tendrá un \ $ R_ {ds (on)} \ $ (drenaje- fuente de resistencia equivalente) cuando está polarizado correctamente, lo que significa que se comporta de manera muy similar a un interruptor real cuando se enciende. Encontrará que el voltaje a través del MOSFET cuando está encendido será menor que el \ $ V_ {ce (sat)} \ $ (voltaje de saturación colector-emisor) de un BJT.
Un 2N2222 tiene \ $ V_ {ce (sat)} \ $ desde \ $ 0.4V – 1V \ $ dependiendo de la corriente de polarización.
Un MOSFET VN2222 tiene un máximo de \ $ R_ {ds (on)} \ $ of \ $ 1.25 \ Omega \ $.
Puede ver que el VN2222 se disipará mucho menos a través de la fuente de drenaje.
Además, como se explicó anteriormente, el MOSFET es un dispositivo de transconductancia: el voltaje en la puerta permite que la corriente atraviese el dispositivo. Dado que la puerta es de alta impedancia para la fuente, no necesita una corriente de puerta constante para desviar el dispositivo; solo necesita superar la capacitancia inherente para cargar la puerta y el consumo de la puerta se vuelve minúsculo.
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- Sin embargo, es difícil manejar un VN2222 desde una MCU de 3.3v y ‘ no están exactamente disponibles.
- \ $ R_ {DS (ON)} \ $ para el VN2222 es \ $ 7.5 \ Omega \ $, no 1.25. Incluso \ $ 1.25 \ Omega \ $ no sería ‘ espectacular, puedes encontrar docenas de FET lógicos con \ $ R_ {DS (ON)} \ $ menos de \ $ 100 m \ Omega \ $
- @Mark – Es posible que Supertex no sea un Fairchild o NXP, pero el VN2222 está disponible en DigiKey y Mouser.
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Los BJT «son más adecuados en algunas situaciones porque suelen ser más baratos. Puedo comprar TO92 BJT» s por 0.8p cada uno, pero los MOSFET no comienzan hasta 2p cada uno – Puede que no parezca mucho, pero puede marcar una gran diferencia si se trata de un producto sensible al costo con muchos de estos.
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¿Cuándo es un MOSFET más apropiado como interruptor que un BJT?
Respuesta: 1) un MOSFET es mejor que un BJT cuando:
- Cuando necesita muy poca energía.
- Los MOSFET están controlados por voltaje. Por lo tanto, puede cargar E su Puerta una vez y ahora no tiene más corriente, y se quedan. Los transistores BJT, por otro lado, están controlados por corriente, por lo que para mantenerlos encendidos, debe seguir obteniendo (para NPN) o hundiendo (para PNP) corriente a través de su canal de base a emisor. Esto hace que los MOSFET sean ideales para aplicaciones de bajo consumo de energía, ya que puede hacer que consuman una mucha menos energía, especialmente en escenarios de estado estacionario (por ejemplo: siempre ENCENDIDO).
- Cuando sus frecuencias de conmutación no son «demasiado altas.
- Los MOSFET comienzan a perder sus ganancias de eficiencia cuanto más rápido los cambia , porque:
- Cargar y descargar sus capacidades de puerta repetidamente es como cargar y descargar una pequeña batería repetidamente, y eso requiere energía y corriente, especialmente porque es probable que esté descargando esa pequeña carga a GND, que simplemente la está descargando y convirtiéndola en calor en lugar de recuperarla.
- Las capacitancias de puerta alta pueden involucrar corrientes de entrada y salida momentáneas bastante grandes (hasta cientos de mA, por ejemplo, para una pieza de tamaño TO-220), y las pérdidas de potencia son proporcionales al cuadrado de la corriente (
- Los MOSFET comienzan a perder sus ganancias de eficiencia cuanto más rápido los cambia , porque:
). Esto significa que cada vez que duplica la corriente cuadriplica las pérdidas de energía y la generación de calor en una parte. Las capacidades de puerta alta en los MOSFET con conmutación de alta velocidad significan que debe tener controladores de puerta grandes y corrientes de control muy altas para un MOSFET (por ejemplo: +/- 500mA), en contraposición a las corrientes de control bajas para un BJT (por ejemplo, 50 mA). Por lo tanto, las frecuencias de conmutación más rápidas significan más pérdidas en la activación de la puerta de un MOSFET, en lugar de la activación de la base de un BJT.
R_DS (la resistencia del drenaje a la fuente) es alta y, por lo tanto, también lo son las pérdidas y la producción de calor. - Para cualquier tamaño de paquete de componentes dado, mi experiencia personal en la búsqueda de piezas indica que los mejores transistores BJT solo pueden conducir aproximadamente 1/10 de la corriente que los mejores Transistores MOSFET. Por lo tanto, los MOSFET sobresalen para impulsar altas corrientes y altas potencias.
- Ejemplo: un TIP120 NPN BJT Darlington transistor solo puede manejar alrededor de 5A corriente continua, mientras que el IRLB8721 MOSFET de nivel lógico de canal N , en el mismo paquete físico TO-220, puede conducir hasta 62A .
- Además , ¡y esto es realmente importante! : Los MOSFET se pueden colocar en paralelo para aumentar la capacidad de corriente de un circuito . Ej: si un MOSFET dado puede conducir 10A, entonces poner 10 de ellos en paralelo puede conducir 10A / MOSFET x 10 MOSFET = 100A. Sin embargo, NO se recomienda poner transistores BJT en paralelo a menos que tenga activos o pasivos (p. ej., utilizando resistencias de potencia) equilibrio de carga para cada transistor BJT en paralelo, ya que los transistores BJT son diodos por naturaleza, y luego ce actúan más como diodos cuando se colocan en paralelo: el que tenga la caída de voltaje diódica más pequeña, VCE, desde el colector al emisor, terminará pasando la corriente más grande, posiblemente destruyéndola. Entonces, tendría que agregar un mecanismo de equilibrio de carga: por ejemplo: una resistencia pequeña, pero de gran potencia, resistencia de potencia en serie con cada par de transistor / resistencia BJT en paralelo. Nuevamente, los MOSFET NO tienen esta limitación , y por lo tanto son ideales para colocar en paralelo para aumentar los límites de corriente de cualquier diseño dado.
- Aparentemente, según la cita a continuación, así como muchas otras fuentes, los MOSFET son más fáciles de miniaturizar y grabar en IC (chips), por lo que la mayoría de los chips de computadora están basados en MOSFET.
- Si recuerdo correctamente , Los transistores BJT son más resistentes a que se exceda momentáneamente su voltaje nominal que los MOSFET.
- Los MOSFET tienen un en un diodo de cuerpo natural, que a veces incluso se especifica y clasifica en la hoja de datos de un MOSFET. Este diodo con frecuencia puede manejar corrientes muy grandes y puede ser muy útil. Para un MOSFET de canal N (NMOS), por ejemplo, que puede cambiar la corriente de Drenaje a Fuente, el diodo del cuerpo va en la dirección opuesta, apuntando de Fuente a Drenaje. Por lo tanto, siéntase libre de aprovechar este diodo corporal cuando sea necesario, o simplemente use el MOSFET como un diodo directamente.
- Aquí tiene una búsqueda rápida en Google de » diodo de cuerpo mosfet » y » diodo mosfet » , y un breve artículo: DigiKey: La importancia del cuerpo intrínseco Diodos dentro de los MOSFET .
- Tenga cuidado, sin embargo, debido a este diodo corporal, los MOSFET NO pueden bloquear, cambiar o controlar naturalmente las corrientes en la dirección opuesta (desde la fuente hasta el drenaje para un canal N , o de drenaje a fuente para un canal P), por lo que para cambiar la corriente CA con un MOSFET, necesitaría colocar dos MOSFET uno al lado del otro para que sus diodos funcionen juntos para bloquear o permitir la corriente, según corresponda, en junto con cualquier conmutación activa que pueda hacer para controlar el MOSFET.
2) Entonces, aquí «algunos casos Todavía elige un BJT sobre un MOSFET:
(Las razones más pertinentes en negrita, esto es algo subjetivo).
- Necesitas frecuencias de conmutación más altas.
- Ver arriba.
- (Aunque esto rara vez es un problema, creo que ya que los MOSFET se pueden cambiar tan rápido en estos días de todos modos). Alguien con mucha experiencia en diseño de alta frecuencia en el mundo real no dude en intervenir, pero según el libro de texto a continuación, los BJT son más rápidos.
- Necesita hacer un amplificador operacional.
- El libro de texto que cito más abajo dice que los BJT son buenos para esto (se usan para hacer amplificadores operacionales) aquí (énfasis agregado):
Por tanto, se puede ver que cada uno de los dos tipos de transistores tiene sus propias ventajas distintas y únicas: Tecnología bipolar ha sido extremadamente útil en el diseño de bloques de construcción de circuitos de uso general de muy alta calidad, como amplificadores operacionales .
- El libro de texto que cito más abajo dice que los BJT son buenos para esto (se usan para hacer amplificadores operacionales) aquí (énfasis agregado):
- [Los resultados pueden variar] Te preocupas mucho por el costo y la disponibilidad.
- Al elegir piezas, a veces muchas piezas funcionan para un objetivo de diseño determinado, y los BJT pueden resultar más baratos en ocasiones. Si es así, utilícelos. Dado que los BJT han existido mucho más tiempo que los MOSFET, mi experiencia subjetiva y algo limitada al comprar piezas muestra que los BJT son realmente baratos y tienen más opciones excedentes y económicas para elegir, especialmente cuando se buscan a través de Piezas con orificios (THT) para soldar a mano fácilmente .
- Sin embargo, su experiencia puede variar, tal vez incluso según el lugar del mundo en el que se encuentre (no lo sé con certeza) . Las búsquedas actuales de proveedores de renombre, como DigiKey, muestran que lo contrario es cierto y los MOSFET vuelven a ganar. Una búsqueda en DigiKey en octubre de 2020 muestra 37808 resultados para MOSFET , con 11537 de ellos THT , y solo 18974 resultados para BJT , con 8849 de ellos THT .
- [Mucho más- relevante] los circuitos integrados y los circuitos del controlador Gate que se requieren con frecuencia para controlar los MOSFET (consulte bajo) puede agregar costos a su diseño basado en MOSFET.
- Quiere simplicidad en el diseño.
- Todos los BJT son efectivamente » nivel lógico » (esto no es realmente un concepto para BJT, pero tengan paciencia conmigo), porque funcionan con corriente, NO con voltaje. Compare esto con los MOSFET, donde la mayoría requiere un
V_GS, o voltaje de puerta a fuente, de 10V ~ 12V para encenderse completamente. Crear los circuitos para manejar una puerta MOSFET con estos altos voltajes cuando se usa un microcontrolador de 3.3V o 5V es un dolor en el trasero , especialmente para los recién llegados. Es posible que necesite más transistores, circuitos push-pull / puentes de medio H, bombas de carga, circuitos integrados de controladores Gate costosos, etc., solo para encender la cosa apestosa. Compare esto con un BJT donde todo lo que necesita es una resistencia y su microcontrolador de 3.3V puede encenderlo sin problemas, especialmente si es un transistor Darlington BJT, por lo que tiene un enormeHfeganancia (de alrededor de 500 ~ 1000 o más) y se puede encender con corrientes súper bajas (< 1 ~ 10 mA). - Por lo tanto, los diseños pueden volverse mucho más complicados para manejar adecuadamente un transistor MOSFET como un interruptor en lugar de un simple transistor BJT como un interruptor. La solución es usar » nivel lógico » MOSFET, lo que significa que están diseñados para que sus puertas se controlen con microcontroladores » niveles lógicos «, como 3.3V o 5V. Sin embargo, el problema es: los MOSFET de nivel lógico son aún más raros y tienen menos opciones para elegir, son mucho más caros, relativamente hablando, y aún pueden tener capacidades de puerta altas superar al intentar hacer s de alta velocidad brujería. Esto significa que incluso con los MOSFET de nivel lógico, es posible que deba volver a un diseño más complicado para obtener un circuito controlador de compuerta push-pull / medio puente en H, o un IC controlador de compuerta costoso y de alta corriente en para habilitar la conmutación de alta velocidad del MOSFET de nivel lógico.
- Todos los BJT son efectivamente » nivel lógico » (esto no es realmente un concepto para BJT, pero tengan paciencia conmigo), porque funcionan con corriente, NO con voltaje. Compare esto con los MOSFET, donde la mayoría requiere un
Este libro (ISBN-13: 978-0199339136) Circuitos microelectrónicos (Serie Oxford en ingeniería eléctrica e informática) , Séptima edición, por Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith, en » Apéndice G: COMPARACIÓN DEL MOSFET Y EL BJT » ( ver en línea aquí ), proporciona información adicional (énfasis agregado):
G.4 Combinación de transistores bipolares y MOS: circuitos BiCMOS
De la discusión anterior debería ser evidente que el BJT tiene la ventaja sobre el MOSFET de una transconductancia mucho mayor (gm) al mismo valor de la corriente de polarización de CC. Por lo tanto, además de obtener ganancias de voltaje más altas por etapa de amplificador, amplificadores de transistores bipolares tienen un rendimiento de alta frecuencia superior en comparación con sus contrapartes MOS.
Por otro lado, la resistencia de entrada prácticamente infinita en la puerta de un MOSFET hace posible diseñar amplificadores con resistencias de entrada extremadamente altas y un corriente de polarización de entrada casi nula. Además, como se mencionó anteriormente, el MOSFET proporciona una excelente implementación de un interruptor, un hecho que ha hecho que la tecnología CMOS sea capaz de realizar una gran cantidad de funciones de circuitos analógicos que no son posibles con transistores bipolares.
Por tanto, se puede ver que cada uno de los dos tipos de transistores tiene sus propias ventajas distintas y únicas: la tecnología bipolar ha sido extremadamente útil en el diseño de bloques de construcción de circuitos de propósito general de muy alta calidad, como amplificadores operacionales. Por otro lado, CMOS, con su muy alta densidad de empaque y su idoneidad para circuitos digitales y analógicos, se ha convertido en la tecnología preferida para la implementación de circuitos integrados a muy gran escala. No obstante, el rendimiento de los circuitos CMOS puede mejorarse si el diseñador tiene disponibles (en el mismo chip) transistores bipolares que se pueden emplear en funciones que requieren su alto gm y una excelente capacidad de conducción de corriente. A La tecnología que permite la fabricación de transistores bipolares de alta calidad en el mismo chip que los circuitos CMOS se llama acertadamente BiCMOS . En las ubicaciones apropiadas a lo largo de este libro presentamos bloques de circuitos BiCMOS interesantes y útiles.
Esta respuesta repite esto: ¿Se utilizan los BJT en los circuitos integrados modernos? ts en la misma medida que los MOSFET? .
En el » Apéndice G » del libro de texto citado anteriormente, también puede consultar el » Ejemplo G.3 «. En este ejemplo, muestran un transistor NPN BJT que alcanza una frecuencia de transición , f_T tan alta como 15,3 GHz con una corriente de colector, I_C, de 1 mA. Esto contrasta con el transistor NMOS (MOSFET de canal N) que alcanza una frecuencia de transición de solo 9,7 GHz a una corriente de drenaje, I_D, de 1 mA.
Comentarios
- ¿Por qué no usar MOSFET todo el tiempo y olvidar acerca de los BJTs?
- Yo ‘ he agregado una nueva sección a mi respuesta. Principalmente creo que: 1) facilidad de uso: los BJT son mucho más fáciles de manejar en general y no ‘ no requieren ningún controlador de puerta especial o circuitos sofisticados push-pull, 2) costo (no estoy totalmente seguro de esto, pero puede ser un factor), 3) disponibilidad (en Digikey hoy en día, hay más MOSFET disponibles que BJT, pero en algunas partes del mundo puede ocurrir lo contrario ya que los BJT han existido durante ¿más tiempo? – no estoy totalmente seguro). Entonces, para mí, en su mayoría solo el # 1: los BJT son aún más fáciles de manejar en su mayor parte.
- @ Quantum0xE7, más allá de lo que ‘ he publicado aquí, Supongo que ‘ no estoy realmente seguro. Yo ‘ me gustaría saber más yo mismo.
- Pensé que dado que los FET requieren menos corriente y en realidad solo estamos tratando de crear un interruptor, los FET serían más fácil y rápido de cambiar que los BJT. ¿No es esto cierto?
- @ Quantum0xE7, para el estado estable, definitivamente es cierto. ¡Simplemente cargue la puerta MOSFET una vez y manténgala allí, y ‘ habrá terminado (y las resistencias de pull-up / pull-down lento están bien)! Para la conmutación de alta velocidad, definitivamente NO es cierto. Consulte estas dos secciones anteriores: 1) en la sección MOSFET: » Los MOSFET comienzan a perder sus ganancias de eficiencia cuanto más rápido los cambia » , y 2) en la sección BJT: » Quieres simplicidad en el diseño » . Nota: Yo ‘ m interpretando el » switch » en este caso para permitir también altos -conmutación PWM de velocidad, que se utiliza para impulsar motores, LED, convertidores de voltaje y fuentes de alimentación conmutadas.
Respuesta
Los dispositivos FET que casi no tienen corriente de entrada (corriente de puerta) son la mejor opción para los LED impulsados por el microcontrolador, ya que el microcontrolador no necesita proporcionar mucha corriente a través de su matriz, manteniéndose fresco (menos disipación de calor en el chip) mientras que la corriente del LED se conduce casi toda a través del canal FET externo. Sí, también es cierto que el Ron de los dispositivos FET típicos son muy bajos y mantienen una caída de voltaje baja a través del FET, lo cual es ventajoso para aplicaciones de baja potencia / p>
Sin embargo, hay algunas desventajas cuando se trata de inmunidad al ruido en la puerta del MOSFET, que puede no ser el caso de los BJT. Cualquier potencial (ruido) aplicado en la puerta del MOSFET hará que La conducta del canal hasta cierto punto. No es muy (pero adecuado) utilizar el Mosfet para impulsar las bobinas del relé con un Vt (umbral) bajo. En ese caso, si su microcontrolador está impulsando el FET, es posible que desee obtener un FET con un Vt (umbral) más alto.
Respuesta
Los MOSFET son más robustos para requisitos de alta corriente. Por ejemplo, el Mosfet con clasificación de 15 A puede pasar 60 A (por ejemplo, IRL530) de corriente durante un período corto. El BJT con clasificación de 15A solo puede pasar pulsos de 20A. Además, los Mosfets tienen una mejor unión térmica a la resistencia de la carcasa, incluso si tiene un dado más pequeño.
Comentarios
- ¿Puede proporcionar una fuente de por qué esto debería ser general regla?