Wann ist ein MOSFET als Schalter geeigneter als ein BJT?

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In meinen Experimenten habe ich nur BJTs als Schalter (zum Ein- und Ausschalten von Dingen wie LEDs und dergleichen) für meine MCU-Ausgänge verwendet. Ich habe jedoch wiederholt erfahren, dass N-Kanal-Enhancement-Mode-MOSFETs eine bessere Wahl für Schalter sind (siehe hier und hier , Beispiele), bin mir aber nicht sicher, warum. Ich weiß, dass ein MOSFET keinen Strom am Gate verschwendet, was bei einer BJT-Basis der Fall ist, aber das ist für mich kein Problem, da ich nicht mit Batterien laufe. Ein MOSFET benötigt auch keinen Widerstand in Reihe mit dem Gate, erfordert jedoch im Allgemeinen einen Pulldown-Widerstand, damit das Gate nicht schwebt, wenn die MCU neu gestartet wird (richtig?). Keine Reduzierung der Teilezahl.

Es scheint keinen großen Überschuss an MOSFETs auf Logikebene zu geben, die den Strom umschalten können, den billige BJTs (z. B. ~ 600-800 mA für einen 2N2222) können, und den existierenden (z. B. TN0702) schwer zu finden und deutlich teurer.

Wann ist ein MOSFET geeigneter als ein BJT? Warum wird mir ständig gesagt, dass ich MOSFETs verwenden soll?

Kennzeichen
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Batterieeinschränkungen sind nicht der einzige Grund, Energie zu sparen. Was ist mit der Wärmeableitung? Was ist mit den Betriebskosten? Was ist mit der Produktlebensdauer (die durch Hitze begrenzt werden kann)?
Gallamine
Vor Jahrzehnten, als MOSFETs noch neue Geräte waren, erinnere ich mich an einen Artikel, in dem ein MOSFET-Hersteller darauf hinwies, dass sie eine echte Leistung erbracht hatten, um zu zeigen, dass die Teile wirklich auf dem Markt waren: Sie hatten den VN10KM gebaut und ausgeliefert. das wurde speziell entworfen und soll in die übliche ökologische Nische passen, die der ehrwürdige 2N2222 derzeit einnimmt.
John R. Strohm

Antworten:

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BJTs eignen sich viel besser als MOSFETs zum Ansteuern von LEDs mit geringem Stromverbrauch und ähnlichen Bauteilen von MCUs. MOSFETs eignen sich besser für Hochleistungsanwendungen, da sie schneller schalten können als BJTs. Dadurch können sie kleinere Induktivitäten in Schaltnetzteilen verwenden, was den Wirkungsgrad erhöht.

Leon Heller
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Was genau macht einen BJT „viel besser geeignet“ für das LED-Fahren? Es gibt Unmengen von LED-Treibern, die MOSFET-Schalter verwenden.
Mark
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Schnelleres Schalten hat nicht unbedingt etwas mit Hochleistungsanwendungen zu tun. Darlington-Paare (BJTs) usw. können zum Schalten hoher Leistung verwendet werden. Ihre Antwort bringt das Problem nicht auf den Punkt.
Gallamine
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Power Darlingtons sind im Vergleich zu MOSFETs langsam! Schnelles Schalten ist wünschenswert, um die Induktorgröße zu minimieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Leon Heller
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@Mark: Eine der Hauptbeschränkungen von BJTs besteht darin, dass sie einen Basisstrom benötigen, der proportional zum maximal möglichen Kollektorstrom ist. Wenn Sie etwas steuern, dessen maximaler Strom viel größer ist als der erwartete Strom (z. B. ein Motor), kann dies sehr verschwenderisch sein. Beim Ansteuern einer LED kann der Strom jedoch ziemlich gut vorhergesagt werden; 2,5% der eigenen Kraft in der Basis zu verschwenden ist keine große Sache.
Supercat
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@Mark: In einigen Anwendungen können 2,5% eine große Rolle spielen, aber in vielen Anwendungen sind die von einer LED verbrauchten 10 mA weitaus besorgter als die 250 uA, die in der Basis des sie steuernden Transistors verbraucht werden. Ich selbst hätte den Begriff "viel" nicht passender verwendet, aber BJTs sind oftmals etwas billiger als MOSFETs, und das macht sie an sich "passender", wenn alle anderen gleich sind. In einigen Anwendungen kann es auch einfacher sein, BJTs für eine Konstantstromschaltung zu verdrahten als MOSFETs.
Supercat
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BJTs verschwenden bei jedem Einschalten Strom, unabhängig davon, ob die Last etwas zieht. Wenn Sie in einem batteriebetriebenen Gerät einen BJT verwenden, um etwas anzutreiben, dessen Last stark variiert, aber häufig niedrig ist, wird viel Energie verschwendet. Wenn ein BJT verwendet wird, um etwas mit einer vorhersehbaren Stromaufnahme zu versorgen (wie eine LED), ist dieses Problem nicht so schlimm. Man kann einfach den Basis-Emitter-Strom auf einen kleinen Bruchteil des LED-Stroms einstellen.

Superkatze
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Ein guter N-Kanal-MOSFET hat bei richtiger Vorspannung einen sehr niedrigen (Drain-Source-Äquivalentwiderstand), was bedeutet, dass er sich beim Einschalten sehr ähnlich wie ein tatsächlicher Schalter verhält. Sie werden feststellen, dass die Spannung am MOSFET im eingeschalteten niedriger ist als die (Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung) eines BJT.Rds(on)Vce(sat)

Ein 2N2222 hat von Abhängigkeit vom Vorspannungsstrom.Vce(sat)0.4V1V

Ein VN2222-MOSFET hat ein Maximum von .Rds(on)1.25Ω

Sie können sehen, dass der VN2222 viel weniger über die Drain-Source dissipiert.

Wie zuvor erläutert, ist der MOSFET auch eine Transkonduktanzvorrichtung - Spannung am Gate ermöglicht Strom durch die Vorrichtung. Da das Gate gegenüber der Source hochohmig ist, benötigen Sie keinen konstanten Gate-Strom, um das Gerät voranzutreiben - Sie müssen nur die inhärente Kapazität überwinden, um das Gate aufzuladen, dann wird der Gate-Verbrauch winzig.

Adam Lawrence
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Es ist jedoch schwierig, einen VN2222 mit einer 3,3-V-MCU zu betreiben, und sie sind nicht ohne weiteres verfügbar.
Mark
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RDS(ON) für den VN2222 ist , nicht 1,25. Selbst wäre nicht spektakulär, Sie können Dutzende von logischen FETs mit weniger als7.5Ω1.25ΩRDS(ON)100mΩ
Stevenvh
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@Mark - Supertex ist möglicherweise kein Fairchild oder NXP, der VN2222 ist jedoch bei DigiKey und Mouser erhältlich.
Stevenvh
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BJTs sind in manchen Situationen besser geeignet, da sie oft billiger sind. Ich kann TO92-BJTs für jeweils 0,8 p kaufen, aber MOSFETs starten erst mit jeweils 2 p - es klingt vielleicht nicht nach viel, aber es kann einen großen Unterschied machen, wenn Sie mit einem kostensensitiven Produkt mit vielen von diesen arbeiten.

Thomas O.
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FET-Bauelemente mit fast keinem Eingangsstrom (Gate-Strom) sind die beste Wahl für die vom Mikrocontroller angesteuerten LEDs, da der Mikrocontroller nicht viel Strom durch seinen Chip liefern muss, um sich selbst zu kühlen (geringere Wärmeabgabe auf dem Chip). Während LED-Strom fast ausschließlich über den externen FET-Kanal fließt. Ja, es ist auch wahr, dass der Ron der typischen FET-Bauelemente sehr niedrig ist und einen geringen Spannungsabfall über dem FET beibehält, was für eine Anwendung mit geringer Leistung vorteilhaft ist.

Es gibt jedoch einige Nachteile hinsichtlich der Störfestigkeit am Gate des MOSFET, was bei den BJTs möglicherweise nicht der Fall ist. Jedes Potential (Rauschen), das am Gate des MOSFET angelegt wird, lässt den Kanal bis zu einem gewissen Grad leiten. Es ist nicht sehr (aber immer noch ausreichend), den Mosfet zu verwenden, um die Relaisspulen mit niedriger Vt (Schwelle) anzusteuern. In diesem Fall möchten Sie möglicherweise einen FET mit einer höheren Vt (Schwelle) erhalten, wenn Ihr Mikrocontroller den FET ansteuert.

dr3patel
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MOSFETs sind robuster für hohe Stromanforderungen. Zum Beispiel kann ein Mosfet mit einer Nennleistung von 15 A kurzzeitig einen Strom von 60 A (z. B. IRL530) durchlassen. BJT mit einer Nennleistung von 15 A kann nur 20 A-Impulse durchlassen. Auch Mosfets haben eine bessere Wärmeübergangsfestigkeit zum Gehäuse, selbst wenn sie einen kleineren Chip haben.

Andrius Guitarmod
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Können Sie eine Quelle angeben, warum dies eine allgemeine Regel sein sollte?
Jonas Stein