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

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

Die Auswahlmöglichkeiten in diesem Zusammenhang sind normalerweise bipolar oder MOSFET. Sobald 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 bis zu sagen wir 500 mA und 30 Volt Lastspannung sind kostengünstig, können mit einer Ansteuerspannung von 1 V nach oben angesteuert werden, benötigen Ansteuerströme, die von den meisten Prozessoren verfügbar und weit verbreitet sind.

  • Ein Kühlkörper beim Betrieb im Ein-/Ausschaltmodus ist normalerweise nicht erforderlich oder ist bescheiden (bescheidenes PCB-Kupfer reicht normalerweise aus), und Gehäuse der Größe SOT23 oder TO92 sind normalerweise ausreichend. Wenn lineare Lasten angetrieben werden und die Verlustleistung ansteigt, sind Produkte mit niedrigerem VI und/oder besserer Wärmeableitung und/oder größeren Gehäusen erforderlich.

  • Frequenzen von 10 kHz sind mit einem einzelnen Widerstandsantrieb verfügbar, 100 kHz mit einem etwas komplexeren RC-Antrieb und niedrige MHz mit mehr 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 zu 10 Ampere bei 10 bis 100+ Volt ist ein MOSFET insgesamt oft einfacher zu verwenden. Für DC- oder Niederfrequenzschaltungen (z. B. < 1 kHz) ist mit ausgewählten Teilen eine direkte DC-Gate-Ansteuerung auf typischen Mikrocontroller-Pegeln möglich.
  Wenn die Frequenzen ansteigen, sind etwas komplexere Treiber erforderlich, um die Gate-Kapazität (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 - 100 kHz genügen einfache Treiber von typischerweise 2 oder 3 Jellybean BJTs. (Sie müssen also 2 oder 3 BJTS hinzufügen, wenn Sie einen MOSFET verwenden). Spezielle Treiber-ICs sind verfügbar, aber normalerweise nicht erforderlich oder kostengerecht

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

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

• Darlington-Transistoren (zwei Bipolare „in Reihe“) (eigentlich wahrscheinlich „Darlington-Paar“) haben sehr hohe Betas (über 1000 üblich) 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 Abschalten, wenn er hart in die Sättigung getrieben wird. Das Begrenzen des Basisantriebs zum Stoppen der Sättigungsverlangsamung erhöht Vast_minimum weiter.

  • Der MC34063, mein Lieblings-Schaltregler aus der alten Zeit, aber nützlich, enthält einen erstaunlich leistungsfähigen Ausgangstreiber, der ein Darlington-Paar ist. Es kann nützlich sein, aber eine Sättigung muss bei seiner massiven [tm] ~ 100 kHz Vollgeschwindigkeit vermieden werden, so dass die Effizienz bei niedriger Vsupply leidet, wenn das Volt + der Ausgangssättigung die Lasttreiberspannung erheblich beeinträchtigt.

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

  • Die nützlichen und beliebten ULN200x- und ULN280x-Hex- und Oktal-Treiber-ICs verwenden Open-Collector-Darlingtons mit einer Nennleistung von 500 mA pro Kanal (idealerweise nicht alle auf einmal). Es gibt eine Reihe von Eingangsspannungsversionen und einige eignen sich für die direkte Prozessoransteuerung ohne sogar einen Widerstand. ULM2003 und ULN2803 sind die bekanntesten, aber nicht unbedingt die nützlichsten in Prozessorantriebsanwendungen.

Zu den Überlegungen gehören unter anderem Leistungspegel, Treiberspannung, Lastspannung, verfügbarer Treiberpegel, 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) - können kleine Bipolare eine gute Wahl sein. Der Antriebsstrom liegt bei etwa Iload/Beta (Beta = Stromverstärkung) und ein Beta 0f von 100 bis 250 bei 500 mA ist mit leistungsstärkeren Teilen und 500+ mit Spezialteilen erhältlich. Ein zB BC337-400 (mein Lieblings-TO92-BJT-Tipple) hat Beta von 250-600, was sqrt (250 x 600) ~~= 400 hat, daher der Teilename. Das "garantierte" Beta von 250 (überprüfen Sie das Datenblatt) ermöglicht eine Iload von 250 mA pro mA des Laufwerks. Mit einem 2-mA-Treiber – der von den meisten, aber nicht allen Prozessoren erhältlich ist – können Sie einen Laststrom von 500 mA erhalten, obwohl mehr Treiber nicht verloren gehen. Dies ist mit Ansteuerspannungen von beispielsweise 1 V oder mehr erreichbar, sodass ein Prozessor, der mit 3 V3 oder sogar 2 V läuft, wahrscheinlich damit zurechtkommt. MOSFETs mit ausreichend niedriger Vgsth (Gate-Schwellenspannung) können mit diesen Ansteuerspannungen betrieben werden, aber sie werden seltener und spezialisierter unter einigen Volt Ansteuerung. Die erforderliche Mindestantriebsspannung liegt in der Regel bei Volt oder wenigen über Vgsth (siehe Datenblatt in jedem Fall).

Bipolare Spannungsabfälle (Vsat) im eingeschalteten Zustand sind abhängig von Laststrom, Treiberstrom und spezifischem Gerätetyp. Eine Vsat von einigen Zehntel Volt bei Nennstrom wäre sehr gut, 500 mV wahrscheinlich typisch und höher keinesfalls unbekannt. Ein MOSFET hat eher einen Einschaltwiderstand Rdson als Vsat. Rdson ist abhängig von Ansteuerspannung, Laststrom und Gerät (mindestens). Rdson steigt mit der Temperatur und kann sich gegenüber Umgebungstemperaturwerten verdoppeln. Seien Sie vorsichtig - Datenblätter betrügen normalerweise und geben Rdson mit gepulsten Lasten an und sagen 1% Arbeitszyklus und eine Frequenz, die niedrig genug ist, um die Kühlung zwischen den Impulsen zu ermöglichen. Sehr frech. Doppelter veröffentlichter Wert als Faustregel bei Verwendung „im Zorn“, obwohl einige Teile sagen wir, dass sie nur 20 % über der Umgebungstemperatur bis zur maximalen Temperatur ansteigen – siehe Datenblatt in jedem Fall.

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 von MOSFETs sehr leicht übertroffen, wobei Rdson von beispielsweise 50 MilliOhm üblich ist, unter 5 MilliOhm einigermaßen verfügbar ist und unter 1 MilliOhm für Menschen mit besonderen Bedürfnissen und größeren Brieftaschen verfügbar ist.

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

@Andy aka macht in seiner Antwort zwei sehr gute Punkte, die in meiner obigen Antwort fehlen. Ich habe mich mehr auf Schalt- und Lastfahraspekte konzentriert.

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

(1) Die Spannung zwischen Eingang und Ausgang eines MOSFET-"Source-Folgers" ist weniger definiert und viel stärker geräteabhängig als bei einem BJT. Bei Verwendung als Emitterfolger, bei dem die „Referenz“-Spannung an die Basis angelegt wird und die Ausgangsspannung vom Emitter abgenommen wird, fällt ein BJT im typischen Betrieb „ungefähr“ 0,6 V DC von der Basis zum Kollektor ab. Bei extremen Designs (sehr niedriger Strom oder sehr hoher Strom) können Spannungen von so niedrig wie etwa 0,4 V und so hoch wie beispielsweise 0,8 V erwartet werden. Ein MOSFET-Source-Folger mit Referenz am Gate und Ausgang von der Source lässt mindestens Vgsth von Gate zu Source fallen + was auch immer zusätzliche Gate-Spannung benötigt wird, um den gezogenen Strom zu unterstützen - typischerweise 0,1 bis 1 Volt mehr, könnte aber bei hoher Last 2 V + sein oder Beispiele für Low-Spec-Geräte. Vgsth ist geräteabhängig und variiert von etwa 0. 5V zu sagen 6V+ und ist typischerweise 2 bis 6V. Der Source-Follower-Abfall kann also zwischen etwa 0,5 V (selten) und 7 V+ (selten) liegen.

(2) Ein Transistor ist ein 1-Quadranten-Gerät (z. B. NPN = Gate + ve, Kollektor + ve, beide Emitter zum Einschalten, ABER der "undefinierte" negative Y-Achsen-Ort (Basis NULL, Kollektor negativ, neigt dazu, nicht leitend zu sein). eine geräteabhängige Spannung, aber "einige Volt" sind üblich.Ein in Sperrrichtung vorgespannter MOSFET stellt eine Vorwärtsdioden-Substratdiode über den Drain-Source-Anschlüssen dar, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, und eine gute Annäherung an einen kleinen Kondensator, wenn der MOSFET ausgeschaltet, aber in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist wird ein AC-Signal von mehr als etwa 0,8 V Spitze-Spitze zunehmend auf den Sperrvorspannungs-Halbzyklen abgeschnitten, wenn die Spannung erhöht wird. Dieser Effekt kann überwunden werden, indem zwei MOSFETS des gleichen Typs in Reihe geschaltet werden. Gates als Vin verbunden, Sources verbunden als schwebender Mittelpunkt, Drains als vin und vout jeder Polarität.Diese Anordnung sorgt für einen wirklich großartigen und nützlichen Schalter und führt auch zu einigen Kopfzerbrechen bei denen, die nicht erkennen, dass ein MOSFET in den Quadranten 1 und 3 eingeschaltet ist (für einen N-Kanal-FET Quadrant 1 = DS +, SG +. Quadrant 3 = DS -SG+).

In Emitterfolgeranwendungen auf Niederspannungslogikschaltungen liefert ein BJT wahrscheinlich die Ware am Emitter, während die äquivalente FET-Schaltung eine deutlich größere Variation der Gate-Source-Spannung aufweist, was 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, den Vorspannungspunkt einer Laserdiode zu steuern !!

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

Vielleicht auch, wenn ein Wechselstromsignal (wie von einem Mikrofonverstärker) mithilfe eines Klemmtransistors stummgeschaltet werden muss, kann ein Bipolar ein paar Volt Sperrvorspannung vom Wechselstrom am Kollektor "erleiden" (wenn er nicht stummgeschaltet ist), während ein FET würde wahrscheinlich das nicht stummgeschaltete Signal bei einem halben Zyklus ein wenig begrenzen.

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 erläutert.

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