Fevereiro 2, 2021
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Quando um MOSFET é mais apropriado como switch do que um BJT?

Em meus experimentos, usei apenas BJTs como interruptores (para ligar e desligar coisas como LEDs e outros) para minhas saídas MCU. Eu “tenho foi dito repetidamente, no entanto, que MOSFETs de modo de aprimoramento de canal N são a melhor escolha para switches (consulte aqui e aqui , para exemplos), mas não tenho certeza se entendi por quê. Eu sei que um MOSFET não desperdiça corrente no portão, onde uma base de BJT faz, mas isso não é um problema eu, como não estou funcionando com baterias. Um MOSFET também não requer nenhum resistor em série com o portão, mas geralmente requer um resistor pull-down para que o portão não flutue quando o MCU é reiniciado (certo?). Sem redução na contagem de peças, então.

Não parece haver um grande excedente de MOSFETs de nível lógico que podem alternar a corrente que BJTs baratos podem (~ 600-800mA para um 2N2222, por exemplo ), e os que existem (TN0702, por exemplo) são difíceis de encontrar e significativamente mais caros.

Quando um MOSFET é mais apropriado do que um BJT? Por que estou continuamente sendo informado de que deveria ser usando MOSFETs?

Comentários

  • As limitações da bateria não são ‘ a única razão para economizar energia. sobre a dissipação de calor? E o custo de operação? E a vida útil do produto (que pode ser limitada pelo calor)?
  • Voltando décadas, quando os MOSFETs ainda eram dispositivos novos, lembro-me de ter visto um artigo onde um fabricante de MOSFETs apontou que eles ‘ d fizeram uma verdadeira conquista, para mostrar que as peças estavam realmente chegando: Eles ‘ d construíram e estavam enviando o VN10KM, que foi especificamente des incendiado e destinado a se encaixar no nicho ecológico usual atualmente ocupado pelo venerável 2N2222.

Resposta

BJTs são muito mais adequado do que MOSFETs para acionar LEDs de baixa potência e dispositivos semelhantes de MCUs. Os MOSFETs são melhores para aplicações de alta potência porque podem alternar mais rápido do que os BJTs, permitindo que usem indutores menores em fontes comutadas, o que aumenta a eficiência.

Comentários

  • o que exatamente torna um BJT ‘ muito mais adequado ‘ para a direção de LED? Existem muitos drivers de LED que usam interruptores MOSFET.
  • A troca mais rápida não ‘ necessariamente tem a ver com aplicativos de alta potência. Os pares Darlington (BJTs), etc. podem ser usados para alternar para alta potência. Você ‘ re resposta não ‘ não vai ao cerne do problema.
  • @Mark: um dos as principais limitações do BJT ‘ s é que eles exigem uma corrente de base proporcional à corrente de coletor máxima possível. Ao controlar algo cuja corrente máxima é muito maior do que a corrente esperada (por exemplo, um motor), isso pode ser muito desperdício. Ao acionar um LED, porém, a corrente pode ser muito bem prevista; desperdiçar 2,5% de uma ‘ s de energia na base não é ‘ um grande negócio.
  • @supercat como funciona isso os torna ” muito mais adequados “? 2,5% é um negócio ENORME em muitas aplicações.
  • @Mark: Em algumas aplicações, 2,5% pode ser um grande negócio, mas em muitas aplicações a pessoa estará muito mais preocupado com os 10mA consumidos por um LED do que os 250uA consumidos na base do transistor que o controla. Eu mesmo não ‘ usaria o termo ” muito ” mais adequado, mas BJT ‘ s são geralmente um pouco mais baratos do que MOSFETs, e isso por si só os torna ” mais adequados “, todo o resto sendo igual. Além disso, em alguns aplicativos, pode ser mais fácil conectar BJT ‘ s para um circuito de corrente constante do que MOSFETs.

Resposta

Os BJT “s gastam alguma corrente sempre que são ligados, independentemente de a carga estar puxando alguma coisa. Em um dispositivo alimentado por bateria, usar um BJT para alimentar algo cuja carga é altamente variável, mas frequentemente baixa, acabará desperdiçando muita energia. Se um BJT for usado para alimentar algo com um consumo de corrente previsível, porém (como um LED), esse problema não é tão ruim; pode-se simplesmente definir a corrente do emissor de base como uma pequena fração da corrente do LED.

Resposta

Um bom MOSFET de canal N terá um valor muito baixo \ $ R_ {ds (on)} \ $ (drenar- resistência equivalente da fonte) quando polarizada corretamente, o que significa que se comporta de forma muito semelhante a uma chave real quando ligada. Você verá que a tensão no MOSFET quando ligado será inferior a \ $ V_ {ce (sat)} \ $ (tensão de saturação do coletor-emissor) de um BJT.

Um 2N2222 tem \ $ V_ {ce (sat)} \ $ de \ $ 0.4V – 1V \ $ dependendo da corrente de polarização.

Um MOSFET VN2222 tem um máximo de \ $ R_ {ds (on)} \ $ of \ $ 1.25 \ Omega \ $.

Você pode ver que o VN2222 se dissipará muito menos pela fonte de drenagem.

Além disso, conforme explicado anteriormente, o MOSFET é um dispositivo de transcondutância – a tensão na porta permite a corrente através do dispositivo. Uma vez que a porta é de alta impedância para a fonte, você não precisa de corrente de porta constante para ativar o dispositivo – você só precisa superar a capacitância inerente para carregar a porta, então o consumo da porta se torna minúsculo.

Comentários

  • É difícil dirigir um VN2222 a partir de um MCU 3.3v e eles ‘ não estão exatamente disponíveis.
  • \ $ R_ {DS (LIGADO)} \ $ para o VN2222 é \ $ 7.5 \ Omega \ $, não 1,25. Mesmo \ $ 1.25 \ Omega \ $ wouldn ‘ t ser espetacular, você pode encontrar dezenas de FETs lógicos com \ $ R_ {DS (ON)} \ $ menos que \ $ 100 m \ Omega \ $
  • @Mark – Supertex pode não ser Fairchild ou NXP, mas o VN2222 está prontamente disponível na DigiKey e Mouser.

Resposta

BJT “s são mais adequados em algumas situações porque costumam ser mais baratos. Posso comprar TO92 BJT” s por 0,8p cada, mas os MOSFET “s não começam até 2p cada – pode não parecer muito, mas pode fazer uma grande diferença se você estiver lidando com um produto sensível ao custo com muitos deles.

Resposta

Quando um MOSFET é mais apropriado como switch do que um BJT?

Resposta: 1) um MOSFET é melhor do que um BJT quando:

  1. Quando você precisa de energia realmente baixa.
    1. MOSFETs são controlados por voltagem. Então, você pode apenas carregar e o Portal deles uma vez e agora você não tem mais empate atual, e eles permanecem. Os transistores BJT, por outro lado, são controlados por corrente, portanto, para mantê-los ligados, você deve continuar fornecendo (para NPN) ou drenando (para PNP) a corrente através de seu canal de base para o emissor. Isso torna os MOSFETs ideais para aplicativos de baixo consumo de energia, porque você pode fazer com que consumam muito menos energia, especialmente em cenários de estado estacionário (ex: sempre LIGADO).
  2. Quando as frequências de comutação não são “muito altas.
    1. Os MOSFETs começam a perder seus ganhos de eficiência quanto mais rápido você os troca , porque:
      1. Carregar e descarregar suas capacitâncias de Gate repetidamente é como carregar e descarregar uma pequena bateria repetidamente, e isso consome energia e corrente, especialmente porque você provavelmente está descarregando essa pequena carga no GND, que é apenas despejá-la e convertê-la em calor em vez de recuperá-la.
      2. As capacitâncias de porta altas podem envolver correntes de entrada e saída bastante grandes (até centenas de mA, por exemplo, para uma parte de tamanho TO-220), e as perdas de energia são proporcionais ao quadrado do atual (

). Isso significa que cada vez que você dobra a corrente, você quadruplica as perdas de energia e geração de calor em uma peça. Capacitâncias de porta altas em MOSFETs com comutação de alta velocidade significa que você deve ter grandes drivers de Gate e correntes de acionamento muito altas para um MOSFET (ex: +/- 500mA), ao contrário das correntes de acionamento baixas para um BJT (ex: 50mA). Portanto, frequências de comutação mais rápidas significam mais perdas no acionamento do Gate de um MOSFET, em oposição ao acionamento da Base de um BJT.

  • A troca rápida do Gate também aumenta significativamente as perdas através do canal principal de Drenagem para Fonte porque quanto mais rápida a frequência de chaveamento, mais tempo (ou vezes por segundo, como quiser) você gasta na região ôhmica do transistor, que é a região entre totalmente LIGADO e totalmente DESLIGADO, onde R_DS (resistência do Dreno à Fonte) é alta e, portanto, as perdas e a produção de calor também.
  • Então, em resumo : quanto mais rápida sua frequência de chaveamento, mais os transistores MOSFET perdem seus ganhos de eficiência que de outra forma teriam naturalmente em relação aos transistores BJT, e mais transistores BJT começam a ser atraentes de ” baixa potência ” ponto de vista.
  • Também (consulte a referência do livro, citações, e o exemplo do problema abaixo!) Os transistores BJT podem alternar um toque mais rápido do que os MOSFETs (ex: 15,3 GHz vs 9,7 GHz em ” Exemplo G.3 ” abaixo).
  • Quando seus requisitos de energia e corrente SÃO um fator dominante.
    1. Para qualquer tamanho de pacote de componente, minha experiência pessoal em busca de peças indica que os melhores transistores BJT só podem conduzir cerca de 1/10 da corrente dos melhores Transistores MOSFET. Portanto, os MOSFETs são excelentes para impulsionar altas correntes e altas potências.
    2. Exemplo: um transistor TIP120 NPN BJT Darlington pode dirigir apenas cerca de 5A corrente contínua, enquanto o IRLB8721 MOSFET de nível lógico de canal N , no mesmo pacote físico TO-220, pode conduzir até 62A .
    3. Além disso , e isso é realmente importante! : MOSFETs podem ser colocados em paralelo para aumentar a capacidade de corrente de um circuito . Ex: se um determinado MOSFET pode conduzir 10A, então colocar 10 deles em paralelo pode conduzir 10A / MOSFET x 10 MOSFETs = 100A. Colocar transistores BJT em paralelo, no entanto, NÃO é recomendado a menos que você tenha um ativo ou passivo (ex: usando resistores de potência) balanceamento de carga para cada transistor BJT em paralelo, já que os transistores BJT são diódicos por natureza, e ce atuam mais como diodos quando colocados em paralelo: aquele com a menor queda de tensão diódica, o VCE, do Coletor ao Emissor, vai acabar passando a maior corrente, possivelmente destruindo-o. Então, você teria que adicionar um mecanismo de balanceamento de carga: Ex: uma pequena resistência, mas grande potência, resistor de potência em série com cada par de transistor / resistor BJT em paralelo. Novamente, os MOSFETs NÃO têm essa limitação e, portanto, são ideais para colocar em paralelo para aumentar os limites de corrente de qualquer design.

  • Quando você precisa gravar transistores em circuitos integrados.
    1. Aparentemente, com base na citação abaixo, assim como em várias outras fontes, os MOSFETs são mais fáceis de miniaturizar e gravar em ICs (chips), então a maioria dos chips de computador são baseados em MOSFET.
  • [Preciso encontrar uma fonte para isso – por favor, poste um comentário se você tiver um] Quando a robustez do pico de tensão não é sua principal preocupação.
    1. Se bem me lembro , Os transistores BJT são mais resistentes a terem suas classificações de tensão momentaneamente excedidas do que os MOSFETs.
  • Quando você precisa de um diodo gigante (alta potência)!
    1. MOSFETs têm um em um diodo natural do corpo, que às vezes é até mesmo especificado e classificado em uma folha de dados do MOSFET. Este diodo pode freqüentemente lidar com correntes muito grandes e pode ser muito útil. Para um MOSFET de canal N (NMOS), por exemplo, que pode alternar a corrente de Dreno para Fonte, o diodo do corpo vai na direção oposta, apontando da Fonte para Dreno. Portanto, sinta-se à vontade para aproveitar as vantagens desse diodo corporal quando necessário ou apenas use o MOSFET como um diodo diretamente.
    2. Aqui está uma rápida pesquisa no Google por ” diodo mosfet corpo ” e ” mosfet diode ” , e um breve artigo: DigiKey: o significado do corpo intrínseco Diodos dentro dos MOSFETs .
    3. Cuidado, entretanto, devido a este diodo do corpo, os MOSFETs NÃO podem bloquear, alternar ou controlar naturalmente as correntes na direção oposta (da Fonte para Drenagem para um Canal N , ou de Dreno para Fonte para um Canal P), então para alternar a corrente CA com um MOSFET você “precisaria colocar dois MOSFETs costas com costas para que seus diodos trabalhem juntos para bloquear ou permitir a corrente, conforme apropriado, em em conjunto com qualquer alternância ativa que você possa fazer para controlar o MOSFET.

    • 2) Então, aqui estão alguns casos que você mig ht ainda escolher um BJT em vez de um MOSFET:

    (razões mais pertinentes em negrito – isso é um tanto subjetivo).

    1. Você precisa de frequências de comutação mais altas.
      1. Veja acima.
      2. (Embora isso raramente seja um problema, eu acho, já que os MOSFETs podem ser trocados tão rápido atualmente). Alguém com muita experiência em design de alta frequência do mundo real sinta-se à vontade para intervir, mas com base no livro abaixo, os BJTs são mais rápidos.
    2. Você precisa fazer um op-amp.
      1. O livro que cito mais adiante diz que os BJTs são bons para isso (sendo usados para fazer amplificadores operacionais) aqui (ênfase adicionada):

        Portanto, pode-se ver que cada um dos dois tipos de transistor tem suas próprias vantagens distintas e exclusivas: Tecnologia bipolar tem sido extremamente útil no projeto de blocos de construção de circuitos de uso geral de alta qualidade, como amplificadores operacionais .

    3. [Os resultados podem variar] Você se preocupa muito com custo e disponibilidade.
      1. Ao escolher as peças, às vezes muitas delas funcionam para um determinado objetivo do projeto e os BJTs podem ser mais baratos às vezes. Se estiverem, use-os. Como os BJTs existem há muito mais tempo do que os MOSFETs, minha experiência um tanto limitada e subjetiva de compra de peças mostra que os BJTs são realmente baratos e têm mais opções excedentes e baratas para escolher, especialmente ao pesquisar peças com furos (THT) para facilitar a soldagem manual .
      2. No entanto, sua experiência pode variar, talvez até mesmo com base em onde você está localizado no mundo (não sei ao certo) . Pesquisas modernas de fornecedores renomados modernos, como DigiKey, mostram que o oposto é verdadeiro, e os MOSFETs vencem novamente. Uma pesquisa no DigiKey em outubro de 2020 mostra 37808 resultados para MOSFETs , com 11537 deles sendo THT , e apenas 18974 resultados para BJTs , com 8849 deles sendo THT .
      3. [Muito mais- relevante] os ICs e circuitos do driver Gate frequentemente necessários para conduzir MOSFETs (veja apenas ser baixo) pode adicionar custo ao seu design baseado em MOSFET.
    4. Você deseja simplicidade no design.
      1. Todos os BJTs são efetivamente ” nível lógico ” (isso não é realmente um conceito para BJTs, mas tenha paciência comigo), porque eles são movidos por corrente, NÃO por tensão. Compare isso com os MOSFETs, onde a maioria exige uma V_GS, ou Gate to Source Voltage, de 10V ~ 12V para ligar totalmente. Criar o circuito para acionar uma porta MOSFET com essas altas tensões ao usar um microcontrolador de 3,3 V ou 5 V é uma dor de cabeça , especialmente para os novatos. Você pode precisar de mais transistores, circuitos push-pull / half-H-bridges, bombas de carga, CIs de driver de Gate caros, etc., apenas para ligar essa coisa fedorenta. Compare isso com um BJT onde tudo que você precisa é um resistor e seu microcontrolador de 3,3 V pode ligá-lo perfeitamente, especialmente se for um “transistor Darlington BJT, então ele tem um enorme Hfe ganho (de cerca de 500 ~ 1000 ou mais) e pode ser ativado com correntes super baixas (< 1 ~ 10 mA).
      2. Portanto, os projetos podem ser muito mais complicados para conduzir adequadamente um transistor MOSFET como uma chave em vez de um transistor BJT simples como uma chave. A solução então é usar ” nível lógico ” MOSFETs, o que significa que são projetados para ter seus Gates controlados com microcontrolador ” níveis lógicos “, como 3,3 V ou 5 V. O problema, no entanto, é: MOSFETs de nível lógico são ainda mais raros e têm menos opções de escolha, são muito mais caros, relativamente falando, e ainda podem ter altas capacitâncias de Gate superar ao tentar fazer s de alta velocidade bruxaria. Isso significa que mesmo com MOSFETs de nível lógico, você ainda pode precisar voltar a um design mais complicado para obter um circuito de driver push-pull de Gate / meia-ponte H ou um IC de driver de Gate de alta corrente e caro para permitir a comutação de alta velocidade do MOSFET de nível lógico.

    Isso livro (ISBN-13: 978-0199339136) Circuitos microeletrônicos (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering) , 7ª Edição, por Adel S. Sedra e Kenneth C. Smith, em ” Apêndice G: COMPARAÇÃO DO MOSFET E DO BJT ” ( veja online aqui ), fornece algumas informações adicionais (ênfase adicionada):

    G.4 Combinando MOS e Transistores Bipolares – Circuitos BiCMOS

    A partir da discussão acima, deve ser evidente que o BJT tem a vantagem sobre o MOSFET de uma transcondutância muito maior (gm) com o mesmo valor da corrente de polarização CC. Assim, além de obter ganhos de tensão mais altos por estágio de amplificador, amplificadores de transistor bipolares têm desempenho de alta frequência superior em comparação com seus equivalentes MOS.

    Por outro lado, a resistência de entrada praticamente infinita na porta de um MOSFET torna possível projetar amplificadores com resistências de entrada extremamente altas e corrente de polarização de entrada quase zero. Além disso, como mencionado anteriormente, o MOSFET fornece uma excelente implementação de um switch, um fato que tornou a tecnologia CMOS capaz de realizar uma série de funções de circuito analógico que não são possíveis com transistores bipolares.

    Portanto, pode-se ver que cada um dos dois tipos de transistor tem suas próprias vantagens distintas e exclusivas: A tecnologia bipolar tem sido extremamente útil no projeto de blocos de construção de circuitos de uso geral de alta qualidade, como como amplificadores operacionais. Por outro lado, CMOS, com sua densidade de empacotamento muito alta e sua adequação para circuitos digitais e analógicos, tornou-se a tecnologia preferida para a implementação de circuitos integrados de grande escala. No entanto, o desempenho dos circuitos CMOS pode ser melhorado se o projetista tiver disponíveis (no mesmo chip) transistores bipolares que podem ser empregados em funções que requerem alta gm e excelente capacidade de condução de corrente. A a tecnologia que permite a fabricação de transistores bipolares de alta qualidade no mesmo chip dos circuitos CMOS é apropriadamente chamada de BiCMOS . Em locais apropriados ao longo deste livro, apresentamos blocos de circuitos BiCMOS interessantes e úteis.

    Esta resposta repete o seguinte: BJTs são usados em circuitos integrados modernos ts na mesma medida que MOSFETs? .

    No ” Apêndice G ” do livro citado acima, você também pode consultar ” Exemplo G.3 “. Neste exemplo, eles mostram um transistor NPN BJT atingindo uma frequência de transição , f_T tão alta quanto 15.3 GHz com uma corrente de coletor, I_C, de 1 mA. Isso é contrastado com o transistor NMOS (MOSFET de canal N) atingindo uma frequência de transição de apenas 9,7 GHz em uma corrente de drenagem, I_D, de 1 mA.

    Comentários

    • Por que não usar MOSFETs o tempo todo e esquecer sobre os BJTs?
    • Eu ‘ adicionei uma nova seção à minha resposta. Principalmente, eu penso: 1) facilidade de uso: os BJTs são muito mais fáceis de dirigir em geral e não ‘ não exigem quaisquer controladores de portão especiais ou circuitos push-pull sofisticados, 2) custo (não totalmente certo sobre este, mas pode ser um fator), 3) disponibilidade (no Digikey hoje, mais MOSFETs estão disponíveis do que BJTs, mas em algumas partes do mundo o oposto ainda pode ser verdadeiro, já que BJTs existem há mais tempo? – não totalmente certo). Então, para mim, principalmente o # 1: BJTs ainda são mais fáceis de dirigir na maior parte.
    • @ Quantum0xE7, além do que eu ‘ postei aqui, Suponho que ‘ não tenha certeza. Eu ‘ gostaria de saber mais.
    • Eu pensei que, como os FETs exigem menos corrente e estamos apenas tentando criar um switch, os FETs seriam mais fácil e rápido de trocar do que BJTs. Isso não é verdade?
    • @ Quantum0xE7, para estado estacionário, definitivamente é verdadeiro. Basta carregar o MOSFET Gate uma vez e mantê-lo lá, e você ‘ estará pronto (e resistências lentas pull-up / pull-down estão OK)! Para comutação de alta velocidade, definitivamente NÃO é verdade. Consulte essas duas seções acima: 1) na seção MOSFET: ” Os MOSFETs começam a perder seus ganhos de eficiência quanto mais rápido você os troca ” e 2) na seção BJT: ” Você deseja simplicidade no design ” . Observação: eu ‘ m interpretando ” switch ” neste caso para permitir também comutação PWM de alta velocidade, que é usada para acionar motores, LEDs, conversores de tensão e fontes de alimentação comutadas.

    Resposta

    Dispositivos FET com quase nenhuma corrente de entrada (corrente de porta) são a melhor escolha para os LEDs acionados pelo microcontrolador, pois o microcontrolador não precisa fornecer muita corrente através de sua matriz, mantendo-se resfriado (menos dissipação de calor no chip) enquanto a corrente do LED é quase toda conduzida através do canal FET externo. Sim, também é verdade que o Ron dos dispositivos FET típicos são muito baixos, mantendo baixa queda de tensão no FET, o que é vantajoso para aplicações de baixa potência.

    No entanto, há alguma desvantagem quando se trata de imunidade a ruído na porta do MOSFET, o que pode não ser o caso dos BJTs. Qualquer potencial (ruído) aplicado na porta do MOSFET fará com que O canal conduz até certo ponto. Não é altamente (mas ainda adequado) usar o Mosfet para acionar as bobinas do relé com baixo Vt (limite). Nesse caso, se o seu microcontrolador está conduzindo o FET, você pode querer obter um FET com Vt (limite) mais alto.

    Resposta

    Os MOSFETs são mais robustos para requisitos de alta corrente. Por exemplo, Mosfet com classificação 15A pode passar de 60A (por exemplo, IRL530) de corrente por um curto período. O BJT com classificação 15A pode passar apenas pulsos de 20A. Além disso, os Mosfets têm melhor junção térmica para resistência da caixa, mesmo se tiver matriz menor.

    Comentários

    • Você pode fornecer uma fonte de porque isso deve ser geral regra?

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