BJTs versus (MOS) FET zum Schalten einer Last von einem Mikrocontroller

Ich würde gerne wissen, was die Gründe für die Wahl eines Bipolartransistors (BJT) gegenüber einem Feldeffekttransistor (FET) ( MOSFET oder JFET ) sind, um eine Last von einem Mikrocontroller zu schalten. Nehmen wir in unserer hypothetischen Situation an, dass die Last mehr Strom benötigt, als der Mikrocontroller liefern kann, und die Frage ist, welche Überlegungen sich zugunsten oder gegen den BJT und ein FET-Schalterdesign auswirken würden, vorausgesetzt, dass "Benutzerfreundlichkeit" keine Überlegung ist.

Diese Frage ist eine spezifischere Version der Frage, wann welche Transistorfrage zu verwenden ist .

Teilantwort - könnte sehr lang werden - kann später mehr hinzufügen:

Entscheidungen in diesem Zusammenhang sind normalerweise bipolar oder MOSFET. Wenn Sie bei JFET angekommen sind, möchten Sie vielleicht auch über SCR / TRIAC, IGBT, .... nachdenken. Vielleicht möchten Sie Bipolar-Darlington in die Mischung werfen.

Kurz: Geht so etwas wie -

• Kleine Bipolare mit einer Lastspannung von bis zu 500 mA und 30 Volt sind kostengünstig, können mit einer Ansteuerspannung von 1 V betrieben werden, benötigen Ansteuerströme, die von den meisten Prozessoren verfügbar und weit verbreitet sind.

  • Eine Wärmeableitung im Ein- / Ausschaltmodus ist normalerweise nicht erforderlich oder bescheiden (bescheidenes PCB-Kupfer reicht normalerweise aus), und Pakete der Größe SOT23 oder TO92 sind normalerweise ausreichend. Wenn lineare Lasten angetrieben werden und die Verlustleistung steigt, sind Produkte mit niedrigerem VI und / oder bessere Kühlkörper und / oder größere Gehäuse erforderlich.

  • Frequenzen von 10 kHz sind mit einem einzelnen Widerstandsantrieb verfügbar, 100 kHz mit einem etwas komplexeren RC-Antrieb und niedrige MHz mit größerer Sorgfalt. Höher wird wieder Spezialist

  • Die Benutzerfreundlichkeit in diesem Bereich ist normalerweise genauso gut oder besser als bei MOSFETs und die Kosten sind niedriger.

• Für Ströme von etwa 500 mA bis 10 Ampere bei 10 bis 100 Volt ist ein MOSFET insgesamt oft einfacher zu verwenden. Für Gleichstrom- oder Niederfrequenzschaltung (z. B. <1 kHz) ist mit ausgewählten Teilen eine direkte Gleichstrom-Gate-Ansteuerung auf typischen Mikrocontroller-Pegeln möglich.
  Wenn die Frequenzen zunehmen, sind etwas komplexere Treiber erforderlich, um die Gatekapazität (typischerweise um NF) in Zeiten zu laden und zu entladen, die kurz genug sind, um die Schaltverluste während des Übergangs niedrig genug zu halten, um akzeptabel zu sein. Im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz reichen einfache Treiber von typischerweise 2 oder 3 Jellybean-BJTs aus. (SO müssen 2 oder 3 BJTS hinzugefügt werden, wenn Sie einen MOSFET verwenden). Spezielle Treiber-ICs sind verfügbar, aber normalerweise nicht erforderlich oder kostengerecht

• Bei höheren Spannungen und / oder höheren Frequenzen beginnen die Bipolaren wieder zu gewinnen.
  Es gibt spezialisierte Bipolare wie TV-Line-Ausgabegeräte (was ist das? :-)), die mit einer Beta von etwa 3 (!!!) bei etwa 1 kV betrieben werden. Als Basisleistung ~ = Vdrive x Idrive und Vload >>> Vbase spielt es keine große Rolle, dass Ibas ~ = Iload.

• Ein IGBT ist ein Versuch (normalerweise erfolgreich), mit den Hasen zu laufen und mit den Hunden zu jagen. Er verwendet eine MOSFET-Eingangsstufe, um eine niedrige Antriebsleistung zu erhalten, und eine bipolare Ausgangsstufe, um eine hohe Spannung bei Hochfrequenzleistung zu erhalten.

• Darlington-Transistoren (zwei Bipolare "in Reihe") (eigentlich wahrscheinlich "Darlington-Paar") haben sehr hohe Betas (1000+ gemeinsam) mit der Strafe von Vdrive = 2 x Vbe (im Gegensatz zu 1 x Vbe für einen einzelnen BJT). und Vsat> Vbe des Ausgangstransistors und eine ausgeprägte Zurückhaltung beim Ausschalten, wenn es hart in die Sättigung getrieben wird. Durch die Begrenzung des Basislaufwerks, um die Sättigung zu stoppen, wird Vast_minimum weiter erhöht.

  • Mein Lieblings-Olde-Zeit-, aber nützlicher Schaltregler, der MC34063, enthält einen erstaunlich leistungsfähigen Ausgangstreiber, der ein Darlington-Paar ist. Es kann nützlich sein, aber die Sättigung muss bei einer massiven [tm] ~ 100 kHz-Volldrehzahl vermieden werden, so dass die Effizienz bei niedriger V-Versorgung leidet, wenn das Volt + der Ausgangssättigung die Lastantriebsspannung erheblich beeinträchtigt.

  • Ein kleiner Darlington-Transistor kann von beispielsweise 1,5 V (besser) mit normalerweise <= 1 mA pro Ampere Last betrieben werden. Wenn die Ausgangssättigung akzeptabel ist, können sie sehr nützlich sein.

  • Die nützlichen und beliebten Hex- und Oktaltreiber-ICs ULN200x und ULN280x verwenden Darlingtons mit offenem Kollektor und einer Nennleistung von 500 mA pro Kanal (idealerweise nicht alle auf einmal). Es gibt eine Reihe von Eingangsspannungsversionen und einige eignen sich für direkte Prozessorantriebe ohne Widerstand. Der ULM2003 und der ULN2803 sind die bekanntesten, aber nicht unbedingt die nützlichsten in Prozessorantriebsanwendungen.

Zu den Überlegungen gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Leistungspegel, Antriebsspannung, Lastspannung, verfügbarer Antriebspegel, Schaltgeschwindigkeit, erforderliche Einfachheit, Kühlkörper, Effizienz, Herstellungsvolumen und Gewerbe- / Bastler, Kosten, ....

Bei niedrigen Leistungspegeln und bescheidenen Spannungen - beispielsweise 10 Volt und unter 500 mA (und möglicherweise bis zu einigen Ampere) - sind kleine Bipolare möglicherweise eine gute Wahl. Der Antriebsstrom beträgt ungefähr Iload / Beta (Beta = Stromverstärkung) und eine Beta von 100 bis 250 bei 500 mA ist mit Teilen mit besserer Leistung und 500+ mit speziellen Teilen erhältlich. Ein zB BC337-400 (mein Lieblings-TO92-BJT-Tipple) hat eine Beta von 250-600, die sqrt (250 x 600) ~~ = 400 hat, daher der Teilename. Die "garantierte" Beta von 250 (siehe Datenblatt) ermöglicht eine Last von 250 mA pro mA Laufwerk. Mit einem 2-mA-Laufwerk, das von den meisten, aber nicht allen Prozessoren erhältlich ist, können Sie einen Laststrom von 500 mA erhalten, obwohl mehr Laufwerke nicht in die Irre gehen. Dies ist mit Antriebsspannungen von beispielsweise 1 V oder mehr erreichbar, sodass ein Prozessor, der mit 3 V3 oder sogar 2 V betrieben wird, dies wahrscheinlich in Ordnung schafft. MOSFETs mit ausreichend niedriger Vgsth (Gate-Schwellenspannung) können bei diesen Ansteuerspannungen betrieben werden, werden jedoch seltener und spezialisierter, wenn sie nur wenige Volt ansteuern. Die erforderliche minimale Ansteuerspannung beträgt normalerweise Volt oder wenige über Vgsth (siehe Datenblatt in JEDEM Fall).

Bipolare Spannungsabfälle im eingeschalteten Zustand (Vsat) hängen vom Laststrom, dem Ansteuerstrom und dem spezifischen Gerätetyp ab. Ein Vsat von einigen Zehntel Volt bei Nennstrom wäre sehr gut, 500 mV wahrscheinlich typisch und höher, keineswegs unbekannt. Ein MOSFET hat eher einen Einschaltwiderstand Rdson als Vsat. Rdson ist (zumindest) abhängig von Antriebsspannung, Laststrom und Gerät. Rdson steigt mit der Temperatur an und kann sich gegenüber den Umgebungstemperaturwerten verdoppeln. Seien Sie vorsichtig - Datenblätter betrügen normalerweise und geben Rdson mit gepulsten Lasten und sagen 1% Einschaltdauer und niedrig genug Frequenz, um die Kühlung zwischen den Impulsen zu ermöglichen. Sehr frech. Doppelte veröffentlichte Werte als Faustregel, wenn sie "im Zorn" verwendet werden, obwohl einige Teile sagen, dass sie nur um 20% gegenüber der Umgebungstemperatur auf die maximale Temperatur ansteigen - siehe jeweils Datenblatt.

Ein Bipolar mit beispielsweise 100 mV Vsat bei 500 mA hat einen äquivalenten Widerstand von R = V / I = 0,1 / 0,5 = 200 Milliohm. Diese Zahl wird durch MOSFETs sehr leicht verbessert, wobei Rdson von beispielsweise 50 Milliohm üblich ist, unter 5 Milliohm vernünftigerweise verfügbar ist und unter 1 Milliohm für Menschen mit besonderen Bedürfnissen und größeren Geldbörsen verfügbar ist.

Hinzugefügt: Dies ist langwierig und nützlich, wenn Sie eine Erweiterung um 2 Punkte aus Andy Akas Antwort benötigen.

@Andy aka in seiner Antwort macht zwei sehr gute Punkte, die in meiner Antwort oben fehlen. Ich habe mich mehr auf das Schalten und das Fahren von Lasten konzentriert.

Andy weist (nicht ganz in diesen Worten) darauf hin, dass:

(1) Die Spannung zwischen Eingang und Ausgang an einem MOSFET "Source Follower" ist weniger definiert und viel stärker geräteabhängig als bei einem BJT. Bei Verwendung als Emitterfolger, bei dem die "Referenz" -Spannung an die Basis und die vom Emitter entnommene Ausgangsspannung angelegt werden, fällt ein BJT im typischen Betrieb von der Basis zum Kollektor um etwa 0,6 V Gleichstrom ab. Bei extremen Konstruktionen (sehr niedriger Strom oder sehr hoch) sind Spannungen von nur etwa 0,4 V bis etwa 0,8 V zu erwarten. Ein MOSFET-Source-Follower mit Bezug auf das Gate und Ausgang von der Source fällt mindestens Vgsth von Gate zu Source ab + jede zusätzliche Gate-Spannung, die zur Unterstützung des aufgenommenen Stroms benötigt wird - typischerweise 0,1 bis 1 Volt mehr, könnte aber bei hoher Last oder 2 V + sein Beispiele für Geräte mit niedrigen Spezifikationen. Vgsth ist geräteabhängig und variiert von etwa 0. 5V um 6V + zu sagen und ist typischerweise 2 bis 6V. Der Source Follower Drop kann also zwischen 0,5 V (selten) und 7 V + (selten) liegen.

(2) Ein Transistor ist eine 1-Quadranten-Vorrichtung (z. B. NPN = Gate + ve, Kollektor + ve, beide mit Emitter zum Einschalten, ABER der "undefinierte" Ort der negativen Y-Achse (Basis NULL, Kollektor negativ, neigt dazu, nicht leitend zu sein) Eine geräteabhängige Spannung, aber "einige Volt" sind üblich. Ein in Sperrrichtung vorgespannter MOSFET präsentiert eine Vorwärtsdioden-Substratdiode über den Drain-Source-Anschlüssen, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, und eine gute Annäherung an einen kleinen Kondensator, wenn der MOSFET ausgeschaltet, aber in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist Wenn die Spannung erhöht wird, wird ein Wechselstromsignal mit mehr als etwa 0,8 V Spitze-Spitze zunehmend in den Halbzyklen mit Sperrvorspannung abgeschnitten. Dieser Effekt kann überwunden werden, indem zwei MOSFETs des gleichen Typs in Reihe geschaltet werden. Gates als Vin angeschlossene Quellen, angeschlossene Quellen als schwebender Mittelpunkt, Abflüsse als vin und ohne Polarität.Diese Anordnung sorgt für einen wirklich fantastischen und nützlichen Schalter und führt auch zu Kopfkratzern bei denen, die nicht erkennen, dass ein MOSFET in den Quadranten 1 und 3 eingeschaltet ist (für einen N-Kanal-FET-Quadranten 1 = DS +, SG +. Quadrant 3 = DS - SG +).

In Emitterfolgeranwendungen auf Niederspannungslogikschaltungen wird wahrscheinlich ein BJT die Waren am Emitter liefern, während die äquivalente FET-Schaltung eine signifikant größere Variation der Gate-Source-Spannung aufweist und dies zu weniger konsistenten Ergebnissen führt.

Ich denke, ein Beispiel ist das Anlegen einer Spannung an einen BJT, um die Spannung über einem Emitterwiderstand so einzustellen, dass der Strom in der Kollektorlast "konstant" ist. Ich versuche mir ein anständiges praktisches Beispiel auszudenken, aber mir fällt nichts ein - OK, ja, die Steuerung des Vorspannungspunkts einer Laserdiode !!

Verallgemeinernd denke ich, dass alles, was eine Konfiguration vom Typ Spannungsfolger erfordert, besser für einen BJT geeignet ist, insbesondere wenn die Logikversorgungen ziemlich niedrig sind, dh 3V3 oder weniger.

Wenn ein Wechselstromsignal (wie von einem Mikrofonverstärker) unter Verwendung eines Klemmtransistors stummgeschaltet werden muss, kann ein Bipolar möglicherweise ein paar Volt Sperrspannung vom Wechselstrom am Kollektor "erleiden" (wenn er nicht stummgeschaltet ist), während ein FET würde wahrscheinlich das nicht stummgeschaltete Signal ein wenig in einem halben Zyklus abschneiden.

JFETs wären in dieser Anwendung jedoch besser.

Ich habe diesen Artikel gefunden, der die Vor- und Nachteile von BJTs und MOSFETs für die Verwendung mit Mikrocontrollern erklärt.

https://oscarliang.com/bjt-vs-mosfet/