BJTs против (MOS) FET для переключения нагрузки с микроконтроллера

Я хотел бы знать, каковы причины выбора биполярного транзистора (BJT) в сравнении с полевым транзистором (FET) ( MOSFET или JFET ) для переключения нагрузки с микроконтроллера. В нашей гипотетической ситуации предположим, что нагрузка требует большего тока, чем может обеспечить микроконтроллер, и вопрос заключается в том, какие соображения будут смещать в пользу или против конструкции переключателя BJT и FET, предполагая, что «простота использования» не является соображением.

Этот вопрос является более конкретной версией вопроса о том, когда использовать какой транзистор .

Частичный ответ - может быть очень длинным - может добавить больше позже:

Выбор в этом контексте, как правило, биполярный или MOSFET. Как только вы доберетесь до JFET, вы также можете подумать о SCR / TRIAC, IGBT, .... Вы можете добавить биполярный Дарлингтон в смесь.

Коротко: идет что-то вроде -

• Небольшие биполяры, скажем, до 500 мА и напряжение нагрузки 30 В, имеют низкую стоимость, могут приводиться в действие при повышении напряжения на 1 В, требуются токи возбуждения, которые доступны в большинстве процессоров и широко доступны.

  • Отвод тепла при работе в режиме включения / выключения обычно не требуется или является скромным (обычно достаточно скромной меди на печатной плате), и обычно подходят пакеты размеров SOT23 или TO92. Когда приводятся в действие линейные нагрузки и рассеивание увеличивается, требуются более низкие продукты ВИ и / или лучшее теплоотвод и / или более крупные упаковки.

  • Частоты 10 кГц доступны с одним резисторным приводом, 100 кГц с немного более сложным RC-приводом и низкими МГц с большей осторожностью. Выше снова получит специалист

  • Простота использования в этом диапазоне обычно так же хороша или лучше, чем у MOSFETS, а стоимость ниже.

• Для токов от 500 мА до 10 ампер при напряжении от 10 до 100+ МОП-транзистор часто проще использовать в целом. Для постоянного или низкочастотного переключения (скажем, <1 кГц) прямой привод затвора постоянного тока на типичных уровнях микроконтроллера возможен с выбранными частями.
  Поскольку частоты увеличиваются, требуются более сложные драйверы для зарядки и разрядки емкости затвора (обычно около NF) в моменты времени, которые достаточно коротки, чтобы поддерживать потери на переключение во время перехода достаточно низкими, чтобы быть приемлемыми. В диапазоне от 10 кГц до 100 кГц достаточно простых драйверов, обычно с 2 или 3 BJT для желе. (Так что вам нужно 2 или 3 BJTS, если вы используете MOSFET). Микросхемы для специализированных драйверов доступны, но обычно не нужны или не оправдывают затраты

• Для более высоких напряжений и / или более высоких частот биполярные импульсы снова начинают выигрывать.
  Существуют специализированные биполяры, такие как устройства вывода телевизионной линии (что это? :-)), которые работают при напряжении около 1 кВ с бета-значением около 3 (!!!). Так как базовая мощность ~ = Vdrive x Idrive и Vload >>> Vbase, не слишком важно, что Ibas ~ = Iload.

• IGBT - это попытка (обычно успешная) бегать с зайцами и охотиться с гончими - он использует входной каскад MOSFET для получения низкой мощности привода и биполярный выходной каскад для получения высокого напряжения при работе на высоких частотах.

• Транзисторы Дарлингтона (два биполяра «последовательно») (собственно, вероятно, «пара Дарлингтона») имеют очень высокие беты (1000+ общих) со штрафом Vdrive = 2 x Vbe (в отличие от 1 x Vbe для одного BJT) и Vsat> Vbe выходного транзистора и выраженное нежелание выключаться при сильном насыщении. Ограничение базового диска для остановки замедления насыщения еще больше увеличивает Vast_minimum.

  • Мой любимый старый, но полезный импульсный регулятор MC34063 включает в себя удивительно мощный выходной драйвер, который представляет собой пару Дарлингтона. Это может быть полезно, но следует избегать насыщения при его полной [tm] ~ 100 кГц полной скорости, поэтому эффективность снижается при низком значении Vsupply, когда напряжение + выходного насыщения значительно снижает напряжение привода нагрузки.

  • Небольшой транзистор Дарлингтона может работать от, скажем, 1,5 В (лучше) при обычно <= 1 мА на ампер нагрузки. Если выходное насыщение приемлемо, они могут быть очень полезны.

  • В полезных и популярных микросхемах шестнадцатеричных и восьмеричных драйверов ULN200x и ULN280x используются дарлингтоны с открытым коллектором с номинальной мощностью 500 мА на канал (не все сразу, в идеале). Существует несколько версий входного напряжения, и некоторые из них подходят для прямого привода процессора даже без резистора. ULM2003 и ULN2803 являются самыми известными, но не обязательно самыми полезными в приложениях с процессорами.

Соображения включают, но не ограничиваются, уровнем мощности, напряжением привода, напряжением нагрузки, доступным уровнем привода, скоростью переключения, требуемой простотой, теплоотводом, эффективностью, производственным объемом и коммерческим / хобби, стоимостью, ....

При низких уровнях мощности и умеренных напряжениях - скажем, 10 вольт и ниже 500 мА (и, возможно, до нескольких ампер), небольшие биполярные могут быть хорошим выбором. Ток привода составляет примерно I / бета (бета = усиление тока), а бета 0f 100–250 при 500 мА доступен с деталями с лучшими характеристиками и 500+ со специализированными. Например, BC337-400 (мой любимый напиток TO92 BJT) имеет бета 250-600, у которой sqrt (250 x 600) ~~ = 400, отсюда и название детали. «Гарантированная» бета-версия 250 (проверьте таблицу данных) допускает нагрузку 250 мА на мА накопителя. Привод на 2 мА, доступный на большинстве, но не на всех процессорах, позволяет получить ток нагрузки 500 мА, хотя большее количество накопителей не сбивается. Это достижимо при напряжениях привода, скажем, 1 В или более, поэтому процессор, работающий на 3 В 3 или даже 2 В, вероятно, справится с этим нормально. МОП-транзисторы с достаточно низким Vgsth (пороговым напряжением затвора) могут работать при этих напряжениях привода, но они становятся более редкими и более специализированными при напряжении ниже нескольких вольт. Требуемое минимальное напряжение привода обычно составляет вольт или несколько выше Vgsth (см. Таблицу данных в КАЖДОМ случае).

Биполярные падения напряжения в состоянии (Vsat) зависят от тока нагрузки, тока привода и конкретного типа устройства. Vsat в несколько десятых вольта при номинальном токе было бы очень хорошим, 500 мВ, вероятно, типичным и выше, ни в коем случае неизвестным. МОП-транзистор имеет сопротивление Rdson, а не Vsat. Rdson зависит от напряжения привода, тока нагрузки и устройства (как минимум). Rdson увеличивается с температурой и может удвоиться по сравнению с температурой окружающей среды. Будьте внимательны - листы данных ОБЫЧНО обманывают и дают Rdson с импульсными нагрузками и говорят, что рабочий цикл 1% и достаточно низкая частота обеспечивают охлаждение матрицы между импульсами. Очень непослушный. Двойное публикуемое значение, как правило, при использовании «в гневе», хотя некоторые части справляются, скажем, только на 20% больше, чем температура окружающей среды до максимальной - см. Таблицу данных в каждом случае.

Биполярное излучение, скажем, 100 мВ Vsat при 500 мА, имеет эквивалентное сопротивление R = V / I = 0,1 / 0,5 = 200 мОм. Цифра Tjis очень легко улучшается с помощью MOSFETS, причем Rdson, скажем, 50 мОм, является обычным, менее 5 мОм, доступным и менее 1 мОм, доступным для людей с особыми потребностями и большими кошельками.

Добавлено: Это длинное и полезное, когда вам нужно расширение на 2 пункта из ответа Энди Аки.

@Анди в своем ответе делает два очень хороших замечания, которые отсутствуют в моем ответе выше. Я больше сосредоточился на переключении и управлении нагрузкой.

Энди указывает (не совсем в этих словах), что:

(1) Напряжение между входом и выходом на «повторителе источника» MOSFET менее определено и в большей степени зависит от устройства, чем с BJT. При использовании в качестве эмиттерного повторителя, где напряжение «ссылка» применяется к базовому и выходного напряжения, взятого из эмиттера, БЮТ капли «о» 0.6В постоянного тока от основания до коллектора в обычном режиме работы. В экстремальных конструкциях можно ожидать напряжения от 0,4 В и до 0,8 В (очень низкий ток или очень высокий). Последователь источника MOSFET со ссылкой на затвор и выходной сигнал от источника будет падать как минимум на Vgsth от затвора к источнику + любое дополнительное напряжение затвора, необходимое для поддержки потребляемого тока - обычно от 0,1 до 1 Вольт больше, но может быть 2 В + при высокой нагрузке или примеры устройств с низкой спецификацией. Vgsth зависит от устройства и варьируется от 0. 5 В, чтобы сказать 6 В + и, как правило, от 2 до 6 В. Таким образом, падение источника сигнала может составлять примерно от 0,5 В (редко) до 7 В + (редко).

(2) Транзистор - это устройство с 1 квадрантом (например, NPN = Gate + ve, коллектор + ve, оба с излучателем для включения, НО «неопределенный» отрицательный локус оси Y (базовый НОЛЬ, отрицательный коллектор, имеет тенденцию быть непроводящим для напряжение, зависящее от устройства, но обычно "несколько вольт". MOSFET с обратным смещением представляет диод с прямой диодной подложкой на клеммах источника стока, когда MOSFET выключен, и хорошее приближение к маленькому конденсатору, когда MOSFET выключен, но смещен вперед. сигнал переменного тока с пиковым пиком более 0,8 В все больше срезается на полупериодах обратного смещения при увеличении напряжения.Этот эффект можно преодолеть, подключив два полевых МОП-транзистора одного типа в последовательную оппозицию. Вентили подключены как Vin, источники подключены как плавающая средняя точка, стекает как vin и vout любой полярности.Такое расположение делает по-настоящему удивительным и полезным переключение, а также приводит к некоторому головокружению от тех, кто не понимает, что MOSFET включен в квадрантах 1 и 3 (для квадранта FET в N-канале 1 = DS +, SG +. Квадрант 3 = DS - СГ +).

В приложениях с эмиттерным повторителем на логических схемах низкого напряжения BJT, вероятно, будет доставлять товары на эмиттер, тогда как эквивалентная схема FET будет иметь значительно большее изменение напряжения затвор-источник, и это приведет к менее согласованным результатам.

Я предполагаю, что примером является подача напряжения на BJT, чтобы установить напряжение на эмиттерном резисторе так, чтобы ток в нагрузке коллектора был «постоянным». Я пытаюсь придумать достойный практический пример, но ничего не приходит в голову - хорошо, да, контролируя точку смещения лазерного диода !!

Обобщая, я думаю, что все, что требует конфигурации типа повторителя напряжения, лучше подходит для BJT, особенно если логические источники достаточно малы, то есть 3V3 или меньше.

Возможно также, если сигнал переменного тока (например, от микрофонного усилителя) необходимо отключить с помощью зажимного транзистора, биполярный может «пострадать» от пары вольт обратного смещения от переменного тока на коллекторе (если он не заглушен), тогда как FET вероятно, обрежет немой сигнал немного за половину цикла.

JFETs будет лучше в этом приложении, хотя.

Я нашел эту статью, которая объясняет плюсы и минусы BJT и MOSFET для использования с микроконтроллерами.

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