februar 2, 2021
Articles
Ingen kommentarer

Hvornår er en MOSFET mere passende som switch end en BJT?

I mit eksperiment har jeg kun brugt BJTer som switche (til at tænde og slukke for ting som lysdioder og lignende) til mine MCU-udgange. Jeg har blev dog gentagne gange fortalt, at N-kanal forbedringsmodus MOSFETer er et bedre valg for switche (se her og her , for eksempler), men jeg er ikke sikker på, at jeg forstår hvorfor. Jeg ved, at en MOSFET ikke spilder strøm på porten, hvor en BJTs base gør det, men dette er ikke et problem for mig, da jeg ikke kører på batterier. En MOSFET kræver heller ikke nogen modstand i serie med porten, men kræver generelt en pull-down-modstand, så porten ikke flyder, når MCUen genstartes (ikke?). Ingen reduktion i dele tæller, da.

Der ser ikke ud til at være et stort overskud af MOSFETer på logisk niveau, der kan skifte strøm, som billige BJTer kan (~ 600-800mA for en 2N2222, for eksempel ), og de der findes (f.eks. TN0702) er svære at finde og betydeligt dyrere.

Hvornår er en MOSFET mere passende end en BJT? Hvorfor bliver jeg hele tiden fortalt, at jeg skal være ved hjælp af MOSFETer?

Kommentarer

  • Batteribegrænsninger er ikke ‘ t den eneste grund til at spare strøm. Hvad om varmeafledning? Hvad med driftsomkostninger? Hvad med produktets levetid (som kan begrænses af varme)?
  • Når jeg går tilbage i årtier, hvor MOSFETer stadig var nye enheder, husker jeg, at jeg så en artikel, hvor en MOSFET-producent påpegede, at de ‘ d gjorde en reel bedrift for at vise, at delene virkelig kom på: De ‘ d byggede og sendte VN10KM, det var specifikt des igneret og beregnet til at passe ind i den sædvanlige økologiske niche, der i øjeblikket er besat af den ærværdige 2N2222.

Svar

BJTer er meget mere egnet end MOSFETer til at køre LEDer med lav effekt og lignende enheder fra MCUer. MOSFETer er bedre til applikationer med høj effekt, fordi de kan skifte hurtigere end BJTer, så de kan bruge mindre induktorer i switch-mode forsyninger, hvilket øger effektiviteten.

Kommentarer

  • hvad gør en BJT ‘ meget mere passende ‘ til LED-kørsel? Der er mange LED-drivere, der bruger MOSFET-switche.
  • Hurtigere skift har ikke ‘ t nødvendigvis noget at gøre med applikationer med høj effekt. Darlington-par (BJTer) osv. Kan bruges til at skifte høj effekt. Dit ‘ svar kommer ikke ‘ til kernen i problemet.
  • @Mark: En af de store begrænsninger af BJT ‘ s er, at de kræver basisstrøm proportional med den maksimalt mulige kollektorstrøm. Når du styrer noget, hvis maksimale strøm er meget større end den forventede strøm (f.eks. En motor), kan dette være meget spild. Når du kører en LED, kan strømmen dog forudsiges ret godt; at spilde 2,5% af en ‘ s magt i basen er ikke ‘ en big deal.
  • @supercat hvordan fungerer det dette gør dem til ” meget mere passende “? 2,5% er en ENORM aftale i mange applikationer.
  • @Mark: I nogle applikationer kan 2,5% være en big deal, men i mange applikationer vil man være langt mere bekymret for den 10mA, der forbruges af en LED end 250uA forbruges i bunden af transistoren, der styrer den. Jeg ville selv ikke have ‘ ikke brugt udtrykket ” meget ” mere passende, men BJT ‘ s er ofte lidt billigere end MOSFETer, og det gør i sig selv ” mere passende ” alt andet lige. I nogle applikationer kan det også være lettere at tilslutte BJT ‘ s til et konstant strømkredsløb end MOSFETer.

Svar

BJT “spilder noget strøm, hver gang de” tændes igen, uanset om belastningen trækker noget. I en batteridrevet enhed spilder en masse energi ved at bruge en BJT til at drive noget, hvis belastning er meget variabel, men ofte er lav. Hvis en BJT bruges til at drive noget med en forudsigelig strømforbrug, men (som en LED), er dette problem ikke så slemt; man kan simpelthen indstille base-emitterstrømmen til at være en lille brøkdel af LED-strømmen. p>

Svar

En god N-kanal MOSFET vil have en meget lav \ $ R_ {ds (on)} \ $ (drain- kildeækvivalent modstand) når den er korrekt forspændt, hvilket betyder, at den opfører sig meget som en faktisk switch, når den er tændt. Du vil opdage, at spændingen over MOSFET, når den er tændt, vil være lavere end \ $ V_ {ce (sat)} \ $ (kollektor-emittermætningsspænding) af en BJT.

En 2N2222 har \ $ V_ {ce (sat)} \ $ fra \ $ 0.4V – 1V \ $ afhængigt af forspændingsstrøm.

En VN2222 MOSFET har et maksimum \ $ R_ {ds (on)} \ $ of \ $ 1.25 \ Omega \ $.

Du kan se, at VN2222 vil sprede sig meget mindre over afløbskilden.

Også som tidligere forklaret er MOSFET en transconductance device – spænding på porten tillader strøm gennem enheden. Da porten er højimpedans til kilden, behøver du ikke konstant portstrøm for at forspænde enheden på – du behøver kun overvinde den iboende kapacitans for at få porten opladet, så bliver portforbruget minimalt.

Kommentarer

  • Svært at køre en VN2222 fra en 3.3v MCU, og de ‘ er ikke ligefrem let tilgængelige.
  • \ $ R_ {DS (ON)} \ $ for VN2222 er \ $ 7,5 \ Omega \ $, ikke 1,25. Selv \ $ 1,25 \ Omega \ $ ville ikke være ‘ for ikke at være spektakulære, kan du finde snesevis af logiske FETer med \ $ R_ {DS (ON)} \ $ mindre end \ $ 100 m \ Omega \ $
  • @Mark – Supertex er muligvis ikke et Fairchild eller NXP, men VN2222 er let tilgængelig fra DigiKey og Mouser.

Svar

BJTer er mere egnede i nogle situationer, fordi de ofte er billigere. Jeg kan købe TO92 BJTer til 0,8 p hver, men MOSFET starter ikke indtil 2 p hver – det lyder måske ikke så meget, men det kan gøre en stor forskel, hvis du har at gøre med et omkostningsfølsomt produkt med mange af disse.

Svar

Hvornår er en MOSFET mere passende som switch end en BJT?

Svar: 1) en MOSFET er bedre end en BJT, når:

  1. Når du har brug for virkelig lav effekt.
    1. MOSFETer er spændingsstyrede. Så du kan bare oplade e deres Gate en gang, og nu har du ikke mere aktuel lodtrækning, og de bliver ved. BJT-transistorer er på den anden side strømstyret, så for at holde dem på, skal du fortsætte med at købe (til NPN) eller synke (til PNP) strøm gennem deres Base til Emitter-kanal. Dette gør MOSFET ideel til applikationer med lav effekt, fordi du kan få dem til at tegne en masse mindre strøm, især i scenarier med steady-state (f.eks: altid ON).
  2. Når dine skiftefrekvenser ikke er for høje.
    1. MOSFETer begynder at miste deres effektivitet, jo hurtigere du skifter mellem dem , fordi:
      1. Opladning og afladning af deres Gate-kapaciteter gentagne gange er som at oplade og aflade et lille lille batteri gentagne gange, og det tager strøm og strøm, især da du sandsynligvis aflader den lille lille opladning til GND, som bare dumper det og konverterer det til varme i stedet for at genoprette det.
      2. De høje portkapacitanser kan involvere temmelig store (op til hundreder af mA, f.eks. for en TO-220-størrelse) momentane input- og outputstrømme, og effekttab er proportional med kvadratet af strømmen (

). Det betyder, at hver gang du fordobler den aktuelle, firdobles strømtabet og varmeproduktionen i en del. High Gate-kapacitanser på MOSFETer med højhastighedsomskiftning betyder, at du skal have store Gate-drivere og meget høje drevstrømme til en MOSFET (ex: +/- 500mA) i modsætning til de lave drevstrømme til en BJT (ex: 50mA). Så hurtigere skiftfrekvenser betyder flere tab ved kørsel af porten til en MOSFET i modsætning til kørsel af basen til en BJT.

  • Hurtig skift af porten øger også tabet markant gennem den primære afløb til kilde-kanal. jo hurtigere din skiftefrekvens, jo mere tid (eller gange pr. sekund, men du vil tænke over det), bruger du i det ohmske område af transistoren, som er regionen mellem helt TIL og helt FRA, hvor R_DS (modstand fra afløb til kilde) er høj, og dermed også tab og varmeproduktion.
  • Så i resumé : jo hurtigere din skiftefrekvens, jo flere MOSFET-transistorer mister deres effektivitetsgevinster, som de ellers naturligt har over BJT-transistorer, og jo flere BJT-transistorer begynder at tiltrække fra en ” lav effekt ” standpunkt.
  • Også (se boghenvisningen, citater, og eksempel på et problem nedenfor!) BJT-transistorer kan skifte et tryk hurtigere end MOSFETer (f.eks: 15,3 GHz vs 9,7 GHz i ” Eksempel G.3 ” nedenfor).
  • Når din strøm og dine nuværende krav ER en dominerende faktor.
    1. For en given komponentpakningsstørrelse indikerer min personlige erfaring med at søge efter dele, at de bedste BJT-transistorer kun kan køre ca. 1/10 så meget strøm som den bedste MOSFET transistorer. Så MOSFETer udmærker sig ved at drive høje strømme og høje kræfter.
    2. Eksempel: en TIP120 NPN BJT Darlington-transistor kan kun køre omkring 5A kontinuerlig strøm, mens IRLB8721 N-Channel Logic-Level MOSFET i den samme fysiske TO-220-pakke kan køre så meget som 62A .
    3. Derudover , og dette er virkelig vigtigt! : MOSFETer kan placeres parallelt for at øge kredsløbets nuværende kapacitet . Eks: Hvis en given MOSFET kan køre 10A, så kan 10 af dem parallelt køre 10A / MOSFET x 10 MOSFETs = 100A. At placere BJT-transistorer parallelt anbefales dog IKKE medmindre du har aktiv eller passiv (fx: ved hjælp af effektmodstande) belastningsbalancering for hver BJT-transistor parallelt, da BJT-transistorer er diodiske i naturen, og høne ce fungerer mere som dioder, når de placeres parallelt: den med det mindste diodiske spændingsfald, VCE, fra Collector til Emitter, vil ende med at passere den største strøm og muligvis ødelægge den. Så du bliver nødt til at tilføje en belastningsbalanceringsmekanisme: Eks: en lille modstand, men enorm effekt, effektmodstand i serie med hver BJT-transistor / modstandspar parallelt. Igen har MOSFETer IKKE denne begrænsning , og er derfor ideelle til at placere parallelt for at øge de nuværende grænser for et givet design.

  • Når du er nødt til at ætse transistorer i integrerede kredsløb.
    1. Baseret på nedenstående citat såvel som adskillige andre kilder er MOSFETer lettere at miniaturisere og ætse ind i ICer (chips), så de fleste computerchips er MOSFET-baserede.
  • [Jeg er nødt til at finde en kilde til dette – skriv en kommentar, hvis du har en] Når spændingsspids robusthed er ikke dit primære problem.
    1. Hvis jeg husker korrekt , BJT-transistorer er mere modstandsdygtige over for, at deres spændingsværdier overskrides et øjeblik, end MOSFETer er.
  • Når du har brug for en kæmpe (høj effekt) diode!
    1. MOSFETer har en indbygget i og naturlig kropsdiode, som undertiden endog specificeres og klassificeres i et MOSFETs datablad. Denne diode kan ofte håndtere meget store strømme og kan være meget nyttig. For f.eks. En N-kanal MOSFET (NMOS), som kan skifte strøm fra afløb til kilde, går kropsdioden i den modsatte retning og peger fra kilde til afløb. Så er du velkommen til at drage fordel af denne kropsdiode, når det er nødvendigt, eller bare bruge MOSFET som en diode direkte.
    2. Her er en hurtig Google-søgning efter ” mosfet body-diode ” og ” mosfet-diode ” og en kort artikel: DigiKey: Betydningen af den indre krop Dioder inde i MOSFETer .
    3. Pas på, men på grund af denne kropsdiode kan MOSFETer IKKE naturligt blokere, skifte eller styre strømme i den modsatte retning (fra kilde til afløb for en N-kanal eller fra Drain til Source for en P-kanal), så for at skifte vekselstrøm med en MOSFET skal du placere to MOSFETer back-to-back, så deres dioder arbejder sammen for at blokere eller tillade strømmen, som det er passende, i sammen med enhver aktiv skift, du måtte gøre for at kontrollere MOSFET.

    • 2) Så her er der nogle få tilfælde du mig han vælger stadig en BJT frem for en MOSFET:

    (Mere relevante årsager med fed skrift – dette er noget subjektivt.)

    1. Du har brug for højere skiftefrekvenser.
      1. Se ovenfor.
      2. (Selvom dette sjældent nogensinde er et problem, tror jeg, da MOSFETer alligevel kan skiftes så hurtigt i disse dage). En person med meget højfrekvent designoplevelse i den virkelige verden er velkommen til at ringe ind, men baseret på nedenstående lærebog er BJTer hurtigere.
    2. Du skal lave en op-amp.
      1. Den lærebog, jeg citerer længere nedenfor , siger BJTer er gode til dette (bruges til at lave op-forstærkere) her (fremhævelse tilføjet):

        Det kan således ses, at hver af de to transistortyper har sine egne distinkte og unikke fordele: Bipolar teknologi har været yderst nyttigt i designet af meget høj kvalitetskredsløbsklodser, såsom op ampere .

    3. [Resultaterne kan variere] Du er meget interesseret i omkostninger og tilgængelighed.
      1. Når du vælger dele, fungerer nogle gange nogle dele for et givet designmål, og BJTer kan være til tider billigere. Hvis de er, skal du bruge dem. Da BJTer har eksisteret meget længere end MOSFETer, viser min noget begrænsede, subjektive oplevelse af at købe dele, at BJTer er virkelig billige og har mere overskud og billig muligheder at vælge imellem, især når man søger efter -hul (THT) dele til nem håndlodning .
      2. Din oplevelse kan dog variere, måske endda baseret på hvor i verden du befinder dig (jeg ved ikke helt sikkert) . Moderne søgninger fra moderne anerkendte leverandører, såsom DigiKey, viser det modsatte for at være sandt, og MOSFETs vinder igen. En søgning på DigiKey i oktober 2020 viser 37808 resultater for MOSFETer , hvor 11537 af dem er THT , og kun 18974 resultater for BJTer , hvor 8849 af dem er THT .
      3. [Meget mere- relevant] Gate driver ICerne og kredsløb, der ofte kræves for at drive MOSFETer (se bare være lav) kan tilføje omkostninger til dit MOSFET-baserede design.
    4. Du vil have enkelhed i design.
      1. Alle BJTer er effektivt ” logisk niveau ” (dette er virkelig ikke en koncept for BJTer, men hold det med mig), fordi de er strømdrevne, IKKE spændingsdrevne. Kontraster dette med MOSFETer, hvor de fleste kræver en V_GS eller Gate to Source Voltage, på 10V ~ 12V for at tænde helt. Oprettelse af kredsløb til at drive en MOSFET-port med disse høje spændinger, når du bruger en 3,3 V eller 5 V mikrokontroller, er en smerte i røvet især for nybegyndere. Du har muligvis brug for flere transistorer, push-pull-kredsløb / halv-H-broer, opladningspumper, dyre gate-driver-ICer osv. Bare for at tænde den stinkende ting. Kontraster dette med en BJT, hvor alt hvad du behøver er en modstand, og din 3,3 V mikrokontroller kan tænde den fint, især hvis den “er en Darlington BJT-transistor, så den har en enorm Hfe gain (på omkring 500 ~ 1000 eller mere) og kan tændes med super lave (< 1 ~ 10 mA) strømme.
      2. Så design kan blive meget mere kompliceret til korrekt at drive en MOSFET-transistor som switch i stedet for en simpel BJT-transistor som switch. Løsningen er derefter at bruge ” logik-niveau ” MOSFETs, hvilket betyder, at de er designet til at have deres porte styret med mikrocontroller ” logiske niveauer ” såsom 3.3V eller 5V. Problemet er dog: MOSFETer på logisk niveau er stadig mere sjældne og har færre muligheder at vælge imellem, de er meget dyrere, relativt set, og de kan stadig have høje portkapacitanser at overvinde, når du prøver at lave højhastigheds-s trolddom. Dette betyder, at selv med MOSFETer på logisk niveau skal du muligvis stadig vende tilbage til et mere kompliceret design for at få et push-pull Gate-driver kredsløb / halv-H-bro eller en højstrøm, dyr, Gate driver IC i for at muliggøre hurtig skift af MOSFET på logikniveau.

    Dette bog (ISBN-13: 978-0199339136) Microelectronic Circuits (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering) , 7. udgave, af Adel S. Sedra og Kenneth C. Smith, i ” Appendiks G: SAMMENLIGNING AF MOSFETEN OG BJT ” ( se online her ), giver noget yderligere indblik (fremhævelse tilføjet):

    G.4 Kombination af MOS og bipolære transistorer — BiCMOS kredsløb

    Fra diskussionen ovenfor bør det være tydeligt, at BJT har fordelen i forhold til MOSFET af en meget højere transkonduktans (gm) til den samme værdi af jævnstrømsstrøm. Ud over at realisere højere spændingsgevinster pr. Forstærkerstrin har bipolære transistorforstærkere overlegen højfrekvent ydeevne sammenlignet med deres MOS-modstykker.

    På den anden side gør den praktisk talt uendelige indgangsmodstand ved porten til en MOSFET det muligt at designe forstærkere med ekstremt høje inputmodstande og en næsten nul input bias strøm. Som tidligere nævnt giver MOSFET en fremragende implementering af en switch, en kendsgerning, der har gjort CMOS-teknologi i stand til at realisere en række analoge kredsløbsfunktioner det er ikke muligt med bipolære transistorer.

    Det kan således ses, at hver af de to transistortyper har sine egne særskilte og unikke fordele: Bipolar teknologi har været yderst nyttig i design af meget høj kvalitetskredsløbsklodser, såsom som op-forstærkere. På den anden side CMOS med sin meget høje pakningstæthed og dens egnethed til både digitale og analoge kredsløb, er blevet den valgte teknologi til implementering af meget store integrerede kredsløb. Ikke desto mindre kan udførelsen af CMOS-kredsløb forbedres, hvis designeren har til rådighed (på samme chip) bipolære transistorer, der kan bruges i funktioner, der kræver deres høje GM og fremragende strømdrivende kapacitet. A teknologi, der gør det muligt at fremstille bipolære transistorer af høj kvalitet på samme chip som CMOS-kredsløb, kaldes passende BiCMOS . På passende steder i denne bog præsenterer vi interessante og nyttige BiCMOS kredsløbsblokke.

    Dette svar gentager dette: Bruges BJTer i moderne integreret kredsløb ts i samme grad som MOSFETer? .

    I ” Tillæg G ” i den citerede lærebog, kan du også henvise til ” Eksempel G.3 “. I dette eksempel viser de en NPN BJT-transistor, der når en overgangsfrekvens , f_T så højt som 15.3 GHz med en samlerstrøm, I_C, på 1 mA. Dette er kontrast til, at NMOS-transistoren (N-kanal MOSFET) når en overgangsfrekvens på kun 9,7 GHz ved en afløbsstrøm, I_D, på 1 mA.

    Kommentarer

    • Hvorfor ikke bare bruge MOSFETer hele tiden og glemme om BJTerne?
    • Jeg ‘ har tilføjet et nyt afsnit til mit svar. For det meste tror jeg: 1) brugervenlighed: BJTer er meget nemmere at køre generelt, og ikke ‘ t kræver specielle portdrivere eller fancy push-pull kredsløb, 2) omkostninger (ikke helt sikker på denne, men det kan være en faktor), 3) tilgængelighed (på Digikey i dag er der flere MOSFETer tilgængelige end BJTer, men i nogle dele af verden kan det modsatte stadig være tilfældet, da BJTer har eksisteret i længere? – ikke helt sikker). Så for mig, for det meste bare nr. 1: BJTer er stadig lettere at køre for det meste.
    • @ Quantum0xE7, ud over hvad jeg ‘ har skrevet her, Jeg formoder, at jeg ‘ ikke er helt sikker. Jeg ‘ vil gerne vide mere selv.
    • Jeg troede, at da FETer kræver mindre strøm, og vi virkelig bare prøver at skabe en switch, ville FETer være lettere og hurtigere at skifte end BJTer. Er dette ikke sandt?
    • @ Quantum0xE7, For steady-state er det bestemt sandt. Oplad bare MOSFET-porten en gang, og hold den der, og du er ‘ færdig (og langsom pull-up / pull-down-modstand er OK)! Til højhastighedsskift er bestemt IKKE sandt. Se disse to afsnit ovenfor: 1) i MOSFET-sektionen: ” MOSFETs begynder at miste deres effektivitetsgevinster jo hurtigere du skifter dem ” og 2) i BJT-sektionen: ” Du vil have enkelhed i design ” . Bemærk: Jeg ‘ fortolker ” skifter ” i dette tilfælde for også at give mulighed for høj -hastighed PWM-switch, som bruges til at drive motorer, lysdioder, spændingsomformere og switch-mode strømforsyninger.

    Svar

    FET-enheder, der næsten ikke har nogen indgangsstrøm (gate-strøm), er det bedste valg for lysdioder, der drives af mikrocontrolleren, da mikrocontrolleren ikke behøver at give meget strøm gennem dens matrice og holder sig kølig (mindre varmeafledning på chip), mens LED-strømmen næsten alle drives gennem den eksterne FET-kanal. Ja, det er også rigtigt, at Ron fra de typiske FET-enheder er meget lave og holder et lavt spændingsfald på tværs af FET, hvilket er fordelagtigt ved anvendelse med lav effekt. / p>

    Der er dog en vis ulempe, når det kommer til støjimmunitet ved MOSFET-porten, hvilket muligvis ikke er tilfældet for BJTerne. Ethvert potentiale (støj), der anvendes ved porten til MOSFET, vil gøre e kanal adfærd til en vis grad. Det er ikke meget (men stadig tilstrækkeligt) at bruge Mosfet til at drive relæspolerne med lav Vt (tærskel). I så fald, hvis din Microcontroller kører FET, vil du måske få en FET med højere Vt (tærskel).

    Svar

    MOSFETer er mere robuste til høje strømkrav. For eksempel kan 15A-klassificeret Mosfet passere 60A (fx IRL530) strøm i en kort periode. 15A-klassificeret BJT kan kun passere 20A-impulser. Mosfets har også en bedre termisk forbindelse til modstandsdygtighed over for sager, selvom den har en mindre matrice.

    Kommentarer

    • Kan du give en kilde til, hvorfor dette skal være en generel regel?

    Skriv et svar

    Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *