Febbraio 2, 2021
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Quando un MOSFET è più appropriato come interruttore di un BJT?

Nella mia sperimentazione, ho usato solo BJT come interruttori (per accendere e spegnere cose come LED e simili) per le mie uscite MCU. è stato ripetutamente detto, tuttavia, che i MOSFET in modalità di ottimizzazione del canale N sono una scelta migliore per gli interruttori (vedere qui e qui , per esempi), ma non sono sicuro di aver capito perché. So che un MOSFET non spreca corrente sul gate, dove lo fa la base di un BJT, ma questo non è un problema per Io, dato che non sto funzionando a batterie. Un MOSFET inoltre non richiede alcun resistore in serie con il gate, ma generalmente richiede un resistore pull-down in modo che il gate non fluttui quando lMCU viene riavviato (giusto?). Nessuna riduzione nel conteggio delle parti, quindi.

Non sembra esserci un grande surplus di MOSFET a livello logico in grado di commutare la corrente che i BJT economici possono (~ 600-800mA per un 2N2222, per esempio ) e quelli esistenti (TN0702, ad esempio) sono difficili da trovare e significativamente più costosi.

Quando un MOSFET è più appropriato di un BJT? Perché mi viene continuamente detto che dovrei essere usi MOSFET?

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  • I limiti della batteria non sono ‘ t lunico motivo per risparmiare energia. Cosa sulla dissipazione del calore? E i costi di esercizio? E la durata del prodotto (che può essere limitata dal calore)?
  • Tornando indietro di decenni, quando i MOSFET erano ancora nuovi dispositivi, ricordo di aver visto un articolo in cui un produttore di MOSFET ha sottolineato che ‘ hanno ottenuto un vero risultato, per dimostrare che le parti stavano davvero arrivando: ‘ hanno costruito e stavano spedendo il VN10KM, che era specificamente des ignorato e destinato a inserirsi nella solita nicchia ecologica attualmente occupata dal venerabile 2N2222.

Risposta

I BJT sono molto più adatto dei MOSFET per pilotare LED a bassa potenza e dispositivi simili da MCU. I MOSFET sono migliori per le applicazioni ad alta potenza perché possono commutare più velocemente dei BJT, consentendo loro di utilizzare induttori più piccoli negli alimentatori a commutazione, il che aumenta lefficienza.

Commenti

  • cosa rende esattamente un BJT ‘ molto più adatto ‘ per la guida LED? Ci sono tonnellate di driver LED che utilizzano interruttori MOSFET.
  • La commutazione più veloce ‘ non ha necessariamente nulla a che fare con applicazioni ad alta potenza. Le coppie Darlington (BJT), ecc. Possono essere utilizzate per commutare una potenza elevata. ‘ la risposta non ‘ arriva al cuore del problema.
  • @Mark: uno dei I principali limiti dei BJT ‘ sono che richiedono una corrente di base proporzionale alla massima corrente di collettore possibile. Quando si controlla qualcosa la cui corrente massima è molto maggiore della corrente prevista (ad esempio un motore), ciò può essere molto dispendioso. Quando si guida un LED, tuttavia, la corrente può essere prevista abbastanza bene; sprecare il 2,5% di un ‘ potere nella base non è ‘ un grosso problema.
  • @supercat come funziona questo li rende ” molto più adatti “? Il 2,5% è un affare ENORME in molte applicazioni.
  • @Mark: in alcune applicazioni, il 2,5% può essere un grosso problema, ma in molte applicazioni si sarà molto più preoccupati per i 10 mA consumati da un LED che i 250uA consumati alla base del transistor che lo controlla. Io stesso non avrei ‘ usato il termine ” molto ” più adatto, ma BJT I ‘ sono spesso un po più economici dei MOSFET e questo di per sé li rende ” più adatti “, a parità di condizioni. Inoltre, in alcune applicazioni, potrebbe essere più semplice cablare BJT ‘ per un circuito a corrente costante rispetto ai MOSFET.

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BJT spreca corrente ogni volta che viene “acceso, indipendentemente dal fatto che il carico stia assorbendo qualcosa. In un dispositivo alimentato a batteria, lutilizzo di un BJT per alimentare qualcosa il cui carico è molto variabile ma spesso è basso finirà per sprecare molta energia. Se un BJT viene utilizzato per alimentare qualcosa con un assorbimento di corrente prevedibile, tuttavia (come un LED), questo problema non è così grave; si può semplicemente impostare la corrente dellemettitore di base in modo che sia una piccola frazione della corrente del LED.

Risposta

Un buon MOSFET a canale N avrà un \ $ R_ {ds (on)} \ $ (drain- resistenza equivalente alla sorgente) quando correttamente polarizzato, il che significa che si comporta in modo molto simile a un interruttore reale quando è acceso. Scoprirai che la tensione ai capi del MOSFET quando è acceso sarà inferiore a \ $ V_ {ce (sat)} \ $ (tensione di saturazione collettore-emettitore) di un BJT.

Un 2N2222 ha \ $ V_ {ce (sat)} \ $ da \ $ 0,4 V – 1 V \ $ a seconda della corrente di polarizzazione.

Un MOSFET VN2222 ha un massimo \ $ R_ {ds (on)} \ $ of \ $ 1.25 \ Omega \ $.

Puoi vedere che VN2222 si dissiperà molto meno attraverso il drain-source.

Inoltre, come spiegato in precedenza, il MOSFET è un dispositivo a transconduttanza: la tensione sul gate consente alla corrente di attraversare il dispositivo. Poiché il gate è ad alta impedenza rispetto alla sorgente, non è necessaria una corrente di gate costante per polarizzare il dispositivo: è sufficiente superare la capacità intrinseca per caricare il gate, quindi il consumo del gate diventa minuscolo.

Commenti

  • Difficile pilotare un VN2222 da un MCU 3.3v, tuttavia, e ‘ non sono esattamente prontamente disponibili.
  • \ $ R_ {DS (ON)} \ $ per VN2222 è \ $ 7.5 \ Omega \ $, non 1.25. Anche \ $ 1.25 \ Omega \ $ non ‘ sarebbe spettacolare, puoi trovare dozzine di FET logici con \ $ R_ {DS (ON)} \ $ meno di \ $ 100 m \ Omega \ $
  • @Mark – Supertex potrebbe non essere un Fairchild o NXP, ma VN2222 è prontamente disponibile da DigiKey e Mouser.

Risposta

BJT “sono più adatti in alcune situazioni perché spesso sono più economici. Posso acquistare TO92 BJT” per 0,8 p ciascuno, ma i MOSFET non iniziano fino a 2 p ciascuno – potrebbe non sembrare molto, ma può fare una grande differenza se hai a che fare con un prodotto sensibile ai costi con molti di questi.

Risposta

Quando un MOSFET è più appropriato come interruttore di un BJT?

Risposta: 1) un MOSFET è migliore un BJT quando:

  1. Quando hai bisogno di una potenza veramente bassa.
    1. I MOSFET sono controllati in tensione. Quindi puoi semplicemente caricare e il loro cancello una volta e ora non hai più pescaggio corrente, e rimangono. I transistor BJT, daltra parte, sono controllati in corrente, quindi per tenerli accesi devi continuare a fornire corrente (per NPN) o assorbire (per PNP) attraverso il loro canale da base a emettitore. Ciò rende i MOSFET ideali per applicazioni a bassa potenza, perché è possibile far sì che assorbano molta meno energia, specialmente in scenari di stato stazionario (es: sempre ON).
  2. Quando le frequenze di commutazione non sono “troppo alte.
    1. I MOSFET iniziano a perdere i loro guadagni di efficienza quanto più velocemente li cambi , perché:
      1. Caricare e scaricare ripetutamente le loro capacità Gate è come caricare e scaricare ripetutamente una minuscola batteria, e questo richiede energia e corrente, soprattutto perché è probabile che tu scarichi quella minuscola carica a GND, che la sta semplicemente scaricando e convertendola in calore invece di recuperarla.
      2. Le elevate capacità di gate possono comportare correnti di ingresso e di uscita momentanee piuttosto grandi (fino a centinaia di mA, ad esempio, per una parte di dimensioni TO-220) e le perdite di potenza sono proporzionali al quadrato della corrente (

). Ciò significa che ogni volta che raddoppia la corrente quadruplica le perdite di potenza e la generazione di calore in una parte. Elevate capacità di gate sui MOSFET con commutazione ad alta velocità significa che è necessario disporre di driver Gate di grandi dimensioni e correnti di pilotaggio molto elevate per un MOSFET (es: +/- 500mA), in contrasto con le basse correnti di pilotaggio di un BJT (es: 50mA). Quindi, frequenze di commutazione più veloci significano più perdite nel pilotaggio del Gate di un MOSFET, invece di pilotare la Base di un BJT.

  • La commutazione rapida del Gate aumenta anche significativamente le perdite attraverso il canale Drain to Source primario perché più veloce è la tua frequenza di commutazione, più tempo (o volte al secondo, comunque tu ci voglia pensare) trascorri nella regione ohmica del transistor, che è la regione tra completamente ON e completamente OFF, dove R_DS (resistenza da Drain to Source) è alta, e quindi lo sono anche le perdite e la produzione di calore.
  • Quindi, in sintesi : più veloce è la tua frequenza di commutazione, più i transistor MOSFET perdono i loro guadagni di efficienza che altrimenti avrebbero naturalmente rispetto ai transistor BJT e più i transistor BJT iniziano ad essere attraenti da un ” bassa potenza ” stand-point.
  • Inoltre (vedi il riferimento del libro, citazioni, e il problema di esempio sotto!) I transistor BJT possono cambiare un tocco più velocemente dei MOSFET (es: 15,3 GHz contro 9,7 GHz in ” Esempio G.3 ” di seguito).
  • Quando i tuoi requisiti di potenza e corrente SONO un fattore dominante.
    1. Per qualsiasi dimensione del pacchetto di componenti, la mia esperienza personale nella ricerca di parti indica che i migliori transistor BJT possono guidare solo circa 1/10 della corrente del migliore Transistor MOSFET. Quindi, i MOSFET eccellono nel pilotaggio di correnti e potenze elevate.
    2. Esempio: un TIP120 transistor Darlington BJT NPN può pilotare solo circa 5A corrente continua, mentre il MOSFET a livello logico a canale N IRLB8721 , nello stesso pacchetto TO-220 fisico, può guidare fino a 62A .
    3. Inoltre e questo è davvero importante! : I MOSFET possono essere posizionati in parallelo per aumentare la capacità di corrente di un circuito . Es: se un dato MOSFET può pilotare 10A, allora metterne 10 in parallelo può pilotare 10A / MOSFET x 10 MOSFET = 100A. Mettere i transistor BJT in parallelo, tuttavia, NON è raccomandato a meno che tu non abbia attivo o passivo (es: utilizzo di resistori di potenza) bilanciamento del carico per ciascun transistor BJT in parallelo, poiché i transistor BJT sono di natura diodica e hen si comportano più come diodi se posti in parallelo: quello con la più piccola caduta di tensione diodica, VCE, da Collettore a Emettitore, finirà per far passare la corrente più grande, possibilmente distruggendola. Quindi, dovresti aggiungere un meccanismo di bilanciamento del carico: Es: un resistore di piccola resistenza, ma di grande potenza, in serie con ciascuna coppia di transistor / resistore BJT in parallelo. Ancora una volta, i MOSFET NON hanno questa limitazione , e quindi sono ideali da posizionare in parallelo per aumentare i limiti di corrente di un dato progetto.

  • Quando è necessario incidere i transistor in circuiti integrati.
    1. Apparentemente, in base alla citazione sotto, così come a numerose altre fonti, i MOSFET sono più facili da miniaturizzare e incidere Circuiti integrati (chip), quindi la maggior parte dei chip dei computer sono basati su MOSFET.
  • [Devo trovare una fonte per questo – per favore pubblica un commento se ne hai uno] Quando la robustezza dei picchi di tensione non è la tua preoccupazione principale.
    1. Se ricordo bene , I transistor BJT sono più resistenti al superamento momentaneo della tensione nominale rispetto ai MOSFET.
  • Quando hai bisogno di un diodo gigante (ad alta potenza)!
    1. I MOSFET hanno un in e natural body diode, che a volte è persino specificato e valutato nella scheda tecnica di un MOSFET. Questo diodo può gestire frequentemente correnti molto grandi e può essere molto utile. Per un MOSFET a canale N (NMOS), ad esempio, che può commutare la corrente da Drain a Source, il diodo body va nella direzione opposta, puntando da Source a Drain. Quindi, sentiti libero di sfruttare questo diodo body quando necessario, o semplicemente usa direttamente il MOSFET come diodo.
    2. Qui “una rapida ricerca su Google per ” mosfet body diode ” e ” mosfet diode ” e un breve articolo: DigiKey: The Significance of the Intrinsic Body Diodi allinterno dei MOSFET .
    3. Attenzione, tuttavia, a causa di questo diodo body, i MOSFET NON possono naturalmente bloccare, commutare o controllare le correnti nella direzione opposta (da Source a Drain per un canale N , o da Drain a Source per un canale P), quindi per commutare la corrente CA con un MOSFET è necessario posizionare due MOSFET uno dietro laltro in modo che i loro diodi lavorino insieme per bloccare o consentire la corrente, come appropriato, in insieme a qualsiasi commutazione attiva che potresti fare per controllare il MOSFET.

    • 2) Quindi, ecco alcuni casi in cui potresti ht ancora scegliere un BJT su un MOSFET:

    (ragioni più pertinenti in grassetto – questo è in qualche modo soggettivo).

    1. Hai bisogno di frequenze di commutazione più alte.
      1. Vedi sopra.
      2. (Sebbene questo sia raramente un problema, penso dal momento che i MOSFET possono essere cambiati così velocemente in questi giorni comunque). Qualcuno con molta esperienza di progettazione ad alta frequenza nel mondo reale si sente libero di intervenire, ma in base al libro di testo riportato di seguito, i BJT sono più veloci.
    2. Devi fare un amplificatore operazionale.
      1. Il libro di testo che cito più avanti dice che i BJT sono buoni per questo (essendo usati per creare amplificatori operazionali) qui (enfasi aggiunta):

        Si può quindi vedere che ciascuno dei due tipi di transistor ha i propri vantaggi distinti e unici: Tecnologia bipolare è stato estremamente utile nella progettazione di blocchi di costruzione di circuiti generici di altissima qualità, come amplificatori operazionali .

    3. [I risultati possono variare] Ti interessano molto i costi e la disponibilità.
      1. Quando si scelgono le parti, a volte molte parti funzionano per un determinato obiettivo di progettazione e i BJT possono essere più economici a volte. Se lo sono, usali. Con i BJT in circolazione da molto più tempo dei MOSFET, la mia esperienza soggettiva e un po limitata nellacquisto di parti mostra che i BJT sono davvero economici e hanno più opzioni eccedenti e poco costose tra cui scegliere, soprattutto durante la ricerca attraverso -hole (THT) per una facile saldatura a mano .
      2. Tuttavia, la tua esperienza può variare, forse anche in base a dove ti trovi nel mondo (non lo so per certo) . Le ricerche odierne da parte di fornitori affidabili moderni, come DigiKey, mostrano che è vero il contrario e i MOSFET vincono di nuovo. Una ricerca su DigiKey nellottobre 2020 mostra 37808 risultati per MOSFET , con 11537 dei quali THT e solo 18974 risultati per BJT , con 8849 THT .
      3. [Molto di più- rilevanti] i circuiti integrati e i circuiti del gate driver spesso richiesti per pilotare i MOSFET (vedere solo essere low) può aggiungere un costo al tuo design basato su MOSFET.
    4. Vuoi semplicità nel design.
      1. Tutti i BJT sono effettivamente ” livello logico ” (questo non è” veramente un concetto per BJT, ma abbiate pazienza), perché sono guidati dalla corrente, NON dalla tensione. Confrontalo con i MOSFET, dove la maggior parte richiede un V_GS o Gate to Source Voltage, di 10V ~ 12V per accendersi completamente. Creare il circuito per pilotare un MOSFET Gate con queste alte tensioni quando si utilizza un microcontrollore da 3,3 V o 5 V è un rompicoglioni , soprattutto per i nuovi arrivati. Potresti aver bisogno di più transistor, circuiti push-pull / ponti a mezza H, pompe di carica, costosi circuiti integrati gate driver, ecc., Solo per accendere la cosa puzzolente. Confronta questo con un BJT in cui tutto ciò di cui hai bisogno è un resistore e il tuo microcontrollore da 3,3 V può accenderlo perfettamente, specialmente se è “un transistor BJT Darlington, quindi ha un enorme Hfe guadagno (di circa 500 ~ 1000 o più) e può essere attivato con correnti molto basse (< 1 ~ 10 mA).
      2. Quindi, i progetti possono diventare molto più complicati per pilotare correttamente un transistor MOSFET come interruttore invece di un semplice transistor BJT come interruttore. La soluzione quindi è utilizzare ” a livello logico ” MOSFET, il che significa che sono progettati per controllare i gate con il microcontrollore ” livelli logici “, come 3,3 V o 5 V. Il problema, tuttavia, è: i MOSFET a livello logico sono ancora più rari e hanno meno opzioni tra cui scegliere, sono molto più costosi, relativamente parlando, e possono ancora avere capacità di Gate elevate da superare quando si cerca di fare s ad alta velocità streghe. Ciò significa che anche con MOSFET a livello logico potrebbe essere necessario tornare a un progetto più complicato per ottenere un circuito driver push-pull / half-H-bridge o un circuito integrato driver gate ad alta corrente e costoso per abilitare la commutazione ad alta velocità del MOSFET a livello logico.

    Questo book (ISBN-13: 978-0199339136) Circuiti microelettronici (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering) , 7a edizione, di Adel S. Sedra e Kenneth C. Smith, in ” Appendice G: CONFRONTO DEL MOSFET E DEL BJT ” ( visualizza online qui ), fornisce ulteriori informazioni (enfasi aggiunta):

    G.4 Combinazione di MOS e transistor bipolari: circuiti BiCMOS

    Dalla discussione sopra dovrebbe essere evidente che il BJT ha il vantaggio rispetto al MOSFET di una transconduttanza molto più alta (gm) allo stesso valore della corrente di polarizzazione cc. Pertanto, oltre a realizzare guadagni di tensione più elevati per stadio dellamplificatore, gli amplificatori a transistor bipolari hanno prestazioni ad alta frequenza superiori rispetto alle loro controparti MOS.

    Daltra parte, la resistenza di ingresso praticamente infinita al gate di un MOSFET rende possibile progettare amplificatori con resistenze di ingresso estremamente elevate e un corrente di polarizzazione in ingresso quasi nulla. Inoltre, come accennato in precedenza, il MOSFET fornisce uneccellente implementazione di un interruttore, un fatto che ha reso la tecnologia CMOS in grado di realizzare una serie di funzioni di circuiti analogici che non sono possibili con transistor bipolari.

    Si può quindi vedere che ciascuno dei due tipi di transistor ha i suoi vantaggi distinti e unici: la tecnologia bipolare è stata estremamente utile nella progettazione di blocchi di circuiti generici di altissima qualità, come come amplificatori operazionali. Daltra parte, CMOS, con la sua densità di impacchettamento molto elevata e la sua idoneità per circuiti sia digitali che analogici, è diventata la tecnologia preferita per limplementazione di circuiti integrati su larga scala. Tuttavia, le prestazioni dei circuiti CMOS possono essere migliorato se il progettista ha a disposizione (sullo stesso chip) transistor bipolari che possono essere impiegati in funzioni che richiedono il loro elevato GM e uneccellente capacità di pilotaggio di corrente. A la tecnologia che consente la fabbricazione di transistor bipolari di alta qualità sullo stesso chip dei circuiti CMOS è giustamente chiamata BiCMOS . Nelle posizioni appropriate di questo libro presentiamo blocchi di circuiti BiCMOS interessanti e utili.

    Questa risposta lo ripete: I BJT sono usati nei moderni circuiti integrati ts nella stessa misura dei MOSFET? .

    Nell ” Appendice G ” del libro di testo citato sopra, puoi anche fare riferimento a ” Esempio G.3 “. In questo esempio, mostrano un transistor NPN BJT che raggiunge una frequenza di transizione f_T fino a 15,3 GHz con una corrente del collettore, I_C, di 1 mA. Ciò è in contrasto con il transistor NMOS (MOSFET a canale N) che raggiunge una frequenza di transizione di soli 9,7 GHz con una corrente di drenaggio I_D, di 1 mA.

    Commenti

    • Perché non utilizzare sempre MOSFET e dimenticare sui BJT?
    • ‘ ho aggiunto una nuova sezione alla mia risposta. Principalmente penso: 1) facilità duso: i BJT sono molto più facili da guidare in generale e non ‘ richiedono gate driver speciali o circuiti push-pull fantasiosi, 2) costo (non del tutto sicuro su questo, ma potrebbe essere un fattore), 3) disponibilità (su Digikey oggi, sono disponibili più MOSFET dei BJT, ma in alcune parti del mondo potrebbe essere vero il contrario da quando i BJT sono in circolazione per più a lungo? – non del tutto sicuro). Quindi, per me, per lo più solo # 1: i BJT sono ancora più facili da guidare per la maggior parte.
    • @ Quantum0xE7, oltre a quello che ‘ ho pubblicato qui, Suppongo di ‘ non ne sono proprio sicuro. Mi ‘ vorrei saperne di più.
    • Ho pensato che poiché i FET richiedono meno corrente e stiamo solo cercando di creare un interruttore, i FET lo sarebbero più facile e veloce da cambiare rispetto ai BJT. Non è vero?
    • @ Quantum0xE7, Per lo stato stazionario, è decisamente è vero. Basta caricare una volta il MOSFET Gate e tenerlo lì, e ‘ hai finito (e le resistenze pull-up / pull-down lente sono OK)! Per la commutazione ad alta velocità, sicuramente NON è vero. Vedi queste due sezioni sopra: 1) nella sezione MOSFET: ” I MOSFET iniziano a perdere i loro guadagni di efficienza più velocemente li cambi ” e 2) nella sezione BJT: ” Vuoi semplicità nel design ” . Nota: ‘ m interpreto ” interruttore ” in questo caso per consentire anche commutazione PWM a velocità elevata, utilizzata per azionare motori, LED, convertitori di tensione e alimentatori a commutazione.

    Risposta

    I dispositivi FET che non hanno quasi corrente di ingresso (corrente di gate) sono la scelta migliore per i LED pilotati dal microcontrollore poiché il microcontrollore non ha bisogno di fornire molta corrente attraverso il suo stampo, mantenendosi fresco (meno dissipazione del calore su chip) mentre la corrente del LED è quasi tutta guidata attraverso il canale FET esterno. Sì, è anche vero che il Ron dei tipici dispositivi FET è molto basso mantenendo una bassa caduta di tensione attraverso FET, il che è vantaggioso per applicazioni a bassa potenza.

    Tuttavia, cè qualche svantaggio quando si tratta di immunità al rumore al gate del MOSFET, che potrebbe non essere il caso dei BJT. Qualsiasi potenziale (rumore) applicato al gate del MOSFET farà sì Il comportamento del canale fino a un certo punto. Non è altamente (ma comunque adeguato) utilizzare il Mosfet per pilotare le bobine del relè con Vt (soglia) basso. In tal caso, se il tuo microcontrollore sta guidando il FET, potresti voler ottenere un FET con Vt (soglia) più alto.

    Risposta

    I MOSFET sono più robusti per requisiti di corrente elevati. Ad esempio, un Mosfet da 15 A può superare 60 A (ad esempio IRL530) di corrente per un breve periodo. Il BJT da 15 A può trasmettere solo impulsi da 20 A. Inoltre i Mosfet hanno una migliore giunzione termica per la resistenza del case anche se hanno un die più piccolo.

    Commenti

    • Puoi fornire una fonte per cui dovrebbe essere un generico regola?

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