februar 2, 2021
Articles
Ingen kommentarer

Når er en MOSFET mer passende som en bryter enn en BJT?

I eksperimenteringen min har jeg bare brukt BJT-er som brytere (for å slå på og av ting som lysdioder og lignende) for MCU-utgangene mine. Jeg har har imidlertid flere ganger blitt fortalt at N-kanal forbedringsmodus MOSFET er et bedre valg for brytere (se her og her , for eksempler), men jeg er ikke sikker på at jeg forstår hvorfor. Jeg vet at en MOSFET ikke kaster bort strøm på porten, der en BJT-base gjør det, men dette er ikke noe problem for meg, ettersom jeg ikke kjører på batterier. En MOSFET krever heller ingen motstand i serie med porten, men krever generelt ikke en nedtrekkbar motstand slik at porten ikke flyter når MCU startes på nytt (ikke sant?). Ingen reduksjon i antall deler, da.

Det ser ikke ut til å være et stort overskudd av MOSFET-er på logikknivå som kan bytte strømmen som billige BJT-er kan (~ 600-800mA for en 2N2222, for eksempel ), og de som eksisterer (for eksempel TN0702) er vanskelige å finne og betydelig dyrere.

Når er en MOSFET mer passende enn en BJT? Hvorfor blir jeg stadig fortalt at jeg skal være bruker MOSFET?

Kommentarer

  • Batteribegrensninger er ikke ‘ t den eneste grunnen til å spare strøm. Hva om varmespredning? Hva med driftskostnader? Hva med produktets levetid (som kan begrenses av varme)?
  • Når jeg gikk tiår tilbake, da MOSFETs fremdeles var nye enheter, husker jeg at jeg så en artikkel der en MOSFET-produsent påpekte at de ‘ d gjorde en virkelig prestasjon, for å vise at delene virkelig kom på: De ‘ d bygde og sendte VN10KM, det var spesielt des utformet og ment å passe inn i den vanlige økologiske nisje som for tiden er okkupert av den ærverdige 2N2222.

Svar

BJT er mye mer egnet enn MOSFET-er for å kjøre lysdioder med lav effekt og lignende enheter fra MCU-er. MOSFET er bedre for applikasjoner med høy effekt fordi de kan bytte raskere enn BJT, slik at de kan bruke mindre induktorer i brytermodusforsyninger, noe som øker effektiviteten.

Kommentarer

  • hva gjør en BJT ‘ mye mer passende ‘ for LED-kjøring? Det er mange LED-drivere som bruker MOSFET-brytere.
  • Raskere bytte har ikke ‘ t nødvendigvis noe å gjøre med applikasjoner med høy effekt. Darlington-par (BJT) osv. Kan brukes til å bytte høy effekt. Du ‘ svaret ditt kommer ikke ‘ ikke til hjertet av problemet.
  • @Mark: En av de store begrensninger av BJT ‘ s er at de krever basestrøm proporsjonal med maksimalt mulig kollektorstrøm. Når du kontrollerer noe med maksimal strøm som er mye større enn forventet strøm (f.eks. En motor), kan dette være veldig sløsende. Når du kjører en LED, kan strømmen imidlertid spås ganske godt; å kaste bort 2,5% av en ‘ s kraft i basen er ikke ‘ en stor sak.
  • @supercat hvordan gjør det dette gjør dem til » mye mer passende «? 2,5% er en ENORM avtale i mange applikasjoner.
  • @Mark: I noen applikasjoner kan 2,5% være en stor avtale, men i mange applikasjoner vil man være langt mer bekymret for 10mA som forbrukes av en LED enn 250uA forbrukes i bunnen av transistoren som styrer den. Selv ville jeg ikke ‘ ikke ha brukt begrepet » mye » mer passende, men BJT ‘ s er ofte litt billigere enn MOSFET, og det gjør i seg selv » mer passende «, alt annet er like. I noen applikasjoner kan det også være lettere å koble BJT ‘ s for en konstant strømkrets enn MOSFET.

Svar

BJT «kaster bort strøm når de slås på, uavhengig av om belastningen trekker noe. I en batteridrevet enhet vil det med å kaste bort mye energi bruke en BJT til å drive noe med belastningen som er svært variabel, men ofte er lav. Hvis en BJT brukes til å drive noe med en forutsigbar strømtrekning, skjønt (som en LED), er ikke dette problemet så ille; man kan ganske enkelt sette base-emitterstrømmen til å være en liten brøkdel av LED-strømmen. p>

Svar

En god N-kanal MOSFET vil ha veldig lav \ $ R_ {ds (on)} \ $ (drain- kildeekvivalent motstand) når den er riktig forspent, noe som betyr at den oppfører seg veldig som en faktisk bryter når den er slått på. Du vil oppdage at spenningen over MOSFET når den er på, vil være lavere enn \ $ V_ {ce (sat)} \ $ (samler-emitter metningsspenning) til en BJT.

En 2N2222 har \ $ V_ {ce (sat)} \ $ fra \ $ 0.4V – 1V \ $ avhengig av forspenningsstrøm.

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

Du kan se at VN2222 vil spre mye mindre over avløpskilden.

Også, som tidligere forklart, er MOSFET en transkonduktans enhet – spenning på porten tillater strøm gjennom enheten. Siden porten er høyimpedans til kilden, trenger du ikke konstant portstrøm for å forspenne enheten på – du trenger bare å overvinne den iboende kapasitansen for å få porten ladet opp, så blir portforbruket minimalt.

Kommentarer

  • Vanskelig å kjøre en VN2222 fra en 3.3v MCU, og de ‘ er ikke akkurat lett tilgjengelige.
  • \ $ R_ {DS (ON)} \ $ for VN2222 er \ $ 7.5 \ Omega \ $, ikke 1,25. Selv \ $ 1.25 \ Omega \ $ ville ikke være ‘ for å være spektakulær, kan du finne dusinvis av logiske FET-er med \ $ R_ {DS (ON)} \ $ mindre enn \ $ 100 m \ Omega \ $
  • @Mark – Supertex er kanskje ikke et Fairchild eller NXP, men VN2222 er lett tilgjengelig fra DigiKey og Mouser.

Svar

BJT «er mer egnet i noen situasjoner fordi de ofte er billigere. Jeg kan kjøpe TO92 BJT» s for 0,8 p hver, men MOSFET begynner ikke til 2 p hver – det høres kanskje ikke så mye ut, men det kan gjøre en stor forskjell hvis du har å gjøre med et kostnadssensitivt produkt med mange av disse.

Svar

Når er en MOSFET mer passende som en bryter enn en BJT?

Svar: 1) en MOSFET er bedre enn en BJT når:

  1. Når du trenger virkelig lav effekt.
    1. MOSFET er spenningsstyrt. Så du kan bare lade Deres gate en gang, og nå har du ikke mer nåværende trekning, og de fortsetter. BJT-transistorer er derimot strømstyrt, så for å holde dem på, må du fortsette å kjøpe (for NPN) eller synke (for PNP) strøm gjennom basen til Emitter-kanalen. Dette gjør MOSFET ideell for applikasjoner med lav effekt, fordi du kan få dem til å tegne mye mindre strøm, spesielt i scenarier med steady-state (f.eks. Alltid PÅ).
  2. Når byttefrekvensene dine ikke er for høye.
    1. MOSFETs begynner å miste effektiviteten, jo raskere du bytter til dem , fordi:
      1. Lading og utlading av Gate-kapasitansene sine gjentatte ganger er som å lade og lade ut et lite lite batteri gjentatte ganger, og det tar strøm og strøm, spesielt siden du sannsynligvis tømmer den lille lille ladningen til GND, som bare tømmer den og konverterer den til varme i stedet for å gjenopprette den.
      2. De høye portkapasitansene kan involvere ganske store (opp til hundrevis av mA, for eksempel for en TO-220-størrelse) momentane inngangs- og utgangsstrømmer, og strømtap er proporsjonalt med firkanten av strømmen (

). Dette betyr at hver gang du dobler den nåværende du firdobler strømtapene og varmeproduksjonen i en del. High Gate-kapasitanser på MOSFET-er med høyhastighets-omkobling betyr at du må ha store Gate-drivere og veldig høye drivstrømmer til en MOSFET (eks: +/- 500mA), i motsetning til de lave drivstrømmene til en BJT (ex: 50mA). Så raskere byttefrekvenser betyr flere tap ved å kjøre porten til en MOSFET, i motsetning til å kjøre basen til en BJT.

  • Rask bytte av porten øker også tapene betydelig gjennom den primære avløpet til kildekanalen fordi jo raskere byttefrekvens, jo mer tid (eller ganger i sekundet, men du vil tenke på det), bruker du i den ohmske regionen til transistoren, som er regionen mellom helt PÅ og helt AV, der R_DS (motstand fra avløp til kilde) er høy, og dermed også tap og varmeproduksjon.
  • Så i sammendrag : jo raskere bryterfrekvensen er, jo flere MOSFET-transistorer mister effektivitetsgevinsten de ellers har naturlig over BJT-transistorer, og jo flere BJT-transistorer begynner å være tiltalende fra en » lav effekt » standpunkt.
  • Også (se bokreferansen, sitater, og eksempel på et problem nedenfor!) BJT-transistorer kan bytte en berøring raskere enn MOSFET (f.eks: 15,3 GHz mot 9,7 GHz i » Eksempel G.3 » under).
  • Når din kraft og dine nåværende krav ER en dominerende faktor.
    1. For en hvilken som helst komponentpakkestørrelse, indikerer min personlige erfaring med å søke etter deler de beste BJT-transistorer bare kan kjøre omtrent 1/10 så mye strøm som den beste MOSFET transistorer. Så MOSFETs utmerker seg ved å drive høye strømmer og høye krefter.
    2. Eksempel: en TIP120 NPN BJT Darlington transistor kan bare kjøre omtrent 5A kontinuerlig strøm, mens IRLB8721 N-Channel Logic-Level MOSFET , i samme fysiske TO-220-pakke, kan kjøre så mye som 62A .
    3. I tillegg , og dette er veldig viktig! : MOSFETs kan plasseres parallelt for å øke kretsens nåværende evne . Eks: Hvis en gitt MOSFET kan drive 10A, kan det å sette 10 av dem parallelt drive 10A / MOSFET x 10 MOSFETs = 100A. Å sette BJT-transistorer parallelt, anbefales imidlertid IKKE med mindre du har aktive eller passive (f.eks: ved hjelp av effektmotstander) belastningsbalansering for hver BJT-transistor parallelt, ettersom BJT-transistorer er diodiske i naturen, og høne ce virker mer som dioder når de er plassert parallelt: den med det minste diodiske spenningsfallet, VCE, fra Collector til Emitter, vil ende opp med å passere den største strømmen, muligens ødelegge den. Så du må legge til en belastningsbalanseringsmekanisme: Eks: en liten motstand, men stor kraft, motstand i serie med hver BJT-transistor / motstandspar parallelt. Igjen har MOSFET ikke denne begrensningen , og er derfor ideelle for å plassere parallelt for å øke gjeldende grenser for et gitt design.

  • Når du trenger å etse transistorer i integrerte kretser.
    1. Tilsynelatende, basert på sitatet nedenfor, så vel som mange andre kilder, er MOSFET lettere å miniatyrisere og etse inn i IC-er (chips), så de fleste datamaskinbrikker er MOSFET-baserte.
  • [Jeg trenger å finne en kilde til dette – vennligst legg inn en kommentar hvis du har en] Når spenningspikes robusthet er ikke ditt primære anliggende.
    1. Hvis jeg husker riktig , BJT-transistorer er mer motstandsdyktige mot å få spenningsklassifiseringene sine midlertidig enn MOSFET.
  • Når du trenger en gigantisk (høy effekt) diode!
    1. MOSFETs har en innebygd i og naturlig kroppsdiode, som noen ganger til og med er spesifisert og vurdert i et MOSFETs datablad. Denne dioden kan ofte håndtere veldig store strømmer, og kan være veldig nyttig. For en N-kanal MOSFET (NMOS), for eksempel, som kan bytte strøm fra avløp til kilde, går kroppsdioden i motsatt retning og peker fra kilde til avløp. Så vær så snill å dra nytte av denne kroppsdioden når det er nødvendig, eller bare bruk MOSFET som en diode direkte.
    2. Her er et raskt Google-søk etter » mosfet kroppsdiode » og » mosfet-diode » , og en kort artikkel: DigiKey: Betydningen til det indre legemet Dioder inne i MOSFET .
    3. Vær imidlertid oppmerksom på at på grunn av denne kroppsdioden kan MOSFET IKKE naturlig blokkere, bytte eller kontrollere strømmer i motsatt retning (fra kilde til avløp for en N-kanal , eller fra Drain til Source for en P-kanal), så for å bytte vekselstrøm med en MOSFET, trenger du å plassere to MOSFETs back-to-back, slik at diodene deres fungerer sammen for å blokkere eller tillate strømmen, som det er passende, i sammen med aktiv veksling du kan gjøre for å kontrollere MOSFET.

    • 2) Så her er det noen få tilfeller du Han velger fremdeles en BJT fremfor en MOSFET:

    (Mer relevante grunner i fet skrift – dette er noe subjektivt).

    1. Du trenger høyere byttefrekvenser.
      1. Se ovenfor.
      2. (Selv om dette sjelden noen gang er et problem, tror jeg siden MOSFET kan byttes så raskt i disse dager uansett). Noen med mye ekte, høyfrekvent designopplevelse, ring gjerne inn, men basert på læreboka nedenfor er BJT raskere.
    2. Du må lage en op-amp.
      1. Læreboka jeg siterer lenger nedenfor sier BJT er bra for dette (blir brukt til å lage op-ampere) her (vekt lagt til):

        Det kan således sees at hver av de to transistortypene har sine egne distinkte og unike fordeler: Bipolar teknologi har vært ekstremt nyttig i utformingen av høykvalitets generelle kretsbyggesteiner, for eksempel op ampere .

    3. [Resultatene kan variere] Du bryr deg mye om pris og tilgjengelighet.
      1. Når du velger deler, fungerer mange deler noen ganger for et gitt designmål, og BJT-er kan være billigere til tider. Hvis de er det, bruk dem. Med BJT-er som har eksistert mye lenger enn MOSFET, viser min noe begrensede, subjektive opplevelse av å kjøpe deler at BJT-er er veldig billige og har mer overskudd og rimelige alternativer å velge mellom, spesielt når du søker etter -hull (THT) -deler for enkel lodding .
      2. Din erfaring kan imidlertid variere, kanskje til og med basert på hvor i verden du befinner deg (jeg vet ikke helt sikkert) Moderne søk fra moderne anerkjente leverandører, for eksempel DigiKey, viser at det motsatte er sant, og MOSFETs vinner igjen. Et søk på DigiKey i oktober 2020 viser 37808 resultater for MOSFETs , med 11537 av dem som THT , og bare 18974 resultater for BJTs , med 8849 av dem er THT .
      3. [Mye mer- relevant] Gate driver ICs og kretser som ofte kreves for å drive MOSFETs (se bare vær low) kan legge til kostnadene for ditt MOSFET-baserte design.
    4. Du vil ha enkelhet i design.
      1. Alle BJT er effektivt » logikknivå » (dette er egentlig ikke en konsept for BJT, men bær meg med meg), fordi de er strømdrevne, IKKE spenningsdrevne. Kontraster dette med MOSFETs, der de fleste krever en V_GS, eller Gate to Source Voltage, av 10V ~ 12V for å slå PÅ helt. Å lage kretsløp for å drive en MOSFET Gate med disse høye spenningene når du bruker en 3,3V eller 5V mikrokontroller er en smerte i rumpa , spesielt for nykommere. Du kan trenge flere transistorer, push-pull-kretser / halv-H-broer, ladepumper, dyre gate-driver-IC-er, etc., bare for å slå på den stinkende tingen. Kontraster dette med en BJT hvor alt du trenger er en motstand, og din 3,3 V-mikrokontroller kan slå den på helt fint, spesielt hvis den er en Darlington BJT-transistor, så den har en enorm Hfe gain (på rundt 500 ~ 1000 eller mer) og kan slås på med super lave (< 1 ~ 10 mA) strømmer.
      2. Så, design kan bli mye mer komplisert for å kjøre en MOSFET-transistor som en bryter i stedet for en enkel BJT-transistor som en bryter. Løsningen er da å bruke » logikknivå » MOSFETs, noe som betyr at de er designet for å få portene kontrollert med mikrokontroller » logiske nivåer «, for eksempel 3,3V eller 5V. Problemet er imidlertid: MOSFET-er på logikknivå er fortsatt sjeldnere, og har færre muligheter å velge mellom, de er mye dyrere, relativt sett, og de kan fremdeles ha høye portkapasitanser å overvinne når du prøver å gjøre høyhastighets s heksing. Dette betyr at selv med MOSFET-er på logisk nivå, kan du fremdeles trenge å gå tilbake til en mer komplisert design for å få en push-pull Gate-driverkrets / halv-H-bro, eller en høy strøm, dyr, Gate driver IC i for å aktivere høyhastighets bytte av MOSFET på logikknivå.

    Dette bok (ISBN-13: 978-0199339136) Microelectronic Circuits (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering) , 7. utgave, av Adel S. Sedra og Kenneth C. Smith, i » Vedlegg G: SAMMENLIGNING AV MOSFETEN OG BJT » ( se online her ), gir litt ekstra innsikt (vekt lagt til):

    G.4 Kombinere MOS og bipolare transistorer — BiCMOS-kretser

    Fra diskusjonen ovenfor bør det være tydelig at BJT har fordelen i forhold til MOSFET med en mye høyere transkonduktans (gm) med samme verdi av likestrømspenning. I tillegg til å realisere høyere spenningsgevinster per forsterkertrinn, har bipolare transistorforsterkere overlegen høyfrekvent ytelse sammenlignet med deres MOS-kolleger.

    På den annen side gjør den praktisk talt uendelige inngangsmotstanden ved porten til en MOSFET det mulig å designe forsterkere med ekstremt høy inngangsmotstand og en nesten null inngangsstrøm. Også, som nevnt tidligere, gir MOSFET en utmerket implementering av en bryter, et faktum som har gjort CMOS-teknologi i stand til å realisere en rekke analoge kretsfunksjoner som ikke er mulig med bipolare transistorer.

    Det kan således sees at hver av de to transistortypene har sine egne distinkte og unike fordeler: Bipolar teknologi har vært ekstremt nyttig i utformingen av meget høye byggeklosser for generell krets, slik som som forsterkere. På den annen side, CMOS, med sin meget høye tetthet og dens egnethet for både digitale og analoge kretser, har blitt den valgte teknologien for implementering av veldig store integrerte kretser. Likevel kan ytelsen til CMOS-kretser forbedres hvis designeren har tilgjengelige (på samme brikke) bipolare transistorer som kan brukes i funksjoner som krever høy GM og utmerket strømkjøringsevne. A teknologi som gjør det mulig å fremstille bipolare transistorer av høy kvalitet på samme brikke som CMOS-kretser, er passende kalt BiCMOS . På passende steder i denne boken presenterer vi interessante og nyttige BiCMOS kretsblokker.

    Dette svaret gjentar dette: Blir BJT-er brukt i moderne integrert sirkus ts i samme grad som MOSFETs? .

    I » Tillegg G » i læreboken sitert ovenfor, kan du også referere til » Eksempel G.3 «. I dette eksemplet viser de en NPN BJT-transistor som når en overgangsfrekvens , f_T så høyt 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 bare 9,7 GHz ved en dreneringsstrøm, I_D, på 1 mA.

    Kommentarer

    • Hvorfor ikke bare bruke MOSFETs hele tiden og glemme om BJTene?
    • Jeg ‘ har lagt til en ny seksjon i svaret mitt. For det meste tror jeg: 1) brukervennlighet: BJT-er er mye lettere å kjøre generelt og trenger ikke ‘ ikke spesielle portdrivere eller fancy push-pull-kretser, 2) kostnad (ikke helt sikker på denne, men det kan være en faktor), 3) tilgjengelighet (på Digikey i dag er det flere MOSFETs tilgjengelig enn BJT, men i noen deler av verden kan det motsatte fortsatt være sant siden BJT har eksistert i lenger? – ikke helt sikker). Så for meg, stort sett bare nr. 1: BJT er fremdeles enklere å kjøre for det meste.
    • @ Quantum0xE7, utover det jeg ‘ har lagt ut her, Jeg antar at jeg ‘ ikke er helt sikker. Jeg ‘ vil gjerne vite mer selv.
    • Jeg trodde at siden FET-ene krever mindre strøm, og vi egentlig bare prøver å lage en bryter, vil FET-er være enklere og raskere å bytte enn BJT. Er dette ikke sant?
    • @ Quantum0xE7, For steady-state er det definitivt sant. Bare lad MOSFET-porten en gang og hold den der, så er du ‘ ferdig (og sakte opptrekks- / nedtrekkingsmotstand er OK)! For høyhastighets bytte, definitivt IKKE sant. Se disse to seksjonene over: 1) i MOSFET-seksjonen: » MOSFETs begynner å miste effektiviteten, jo raskere du bytter dem » og 2) i BJT-seksjonen: » Du vil ha enkelhet i design » . Merk: Jeg ‘ m tolker » bytter » i dette tilfellet for også å tillate høy -hastighets PWM-svitsj, som brukes til å drive motorer, lysdioder, spenningsomformere og strømforsyninger i brytermodus.

    Svar

    FET-enheter som nesten ikke har noen inngangsstrøm (portstrøm) er det beste valget for lysdiodene som drives av mikrokontrolleren, da mikrocontrolleren ikke trenger å gi mye strøm gjennom formen, og holder seg kjølig (mindre varmespredning på brikken) mens LED-strømmen nesten alle drives gjennom den eksterne FET-kanalen. Ja, det er også sant at Ron fra de typiske FET-enhetene er veldig lave og holder lavt spenningsfall over FET, noe som er fordelaktig for laveffektapplikasjon. / p>

    Det er imidlertid noen ulemper når det gjelder støyimmunitet ved porten til MOSFET, noe som kanskje ikke er tilfelle for BJTene. Eventuelt potensial (støy) som brukes ved porten til MOSFET vil gjøre e kanaloppførsel til en viss grad. Det er ikke høyt (men fortsatt tilstrekkelig) å bruke Mosfet til å kjøre reléspolene med lav Vt (terskel). I så fall, hvis mikrokontrolleren din kjører FET, vil du kanskje få en FET med høyere Vt (terskel).

    Svar

    MOSFET er mer robuste for høye strømkrav. For eksempel kan 15A-klassifisert Mosfet passere 60A (f.eks. IRL530) strøm i en kort periode. 15A nominell BJT kan bare passere 20A pulser. Mosfets har også bedre termisk kryss til saksbestandighet, selv om den har mindre matrice.

    Kommentarer

    • Kan du gi en kilde til hvorfor dette skal være en generell regelen?

    Legg igjen en kommentar

    Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *