Wann ist ein MOSFET als Schalter besser geeignet als ein BJT?

Bei meinen Experimenten habe ich nur BJTs als Schalter (zum Ein- und Ausschalten von Dingen wie LEDs und dergleichen) für meine MCU-Ausgänge verwendet. Mir wurde jedoch wiederholt gesagt, dass N-Kanal-MOSFETs im Anreicherungsmodus eine bessere Wahl für Schalter sind (siehe Beispiele hier und hier ), aber ich bin mir nicht sicher, ob ich verstehe, warum. Ich weiß, dass ein MOSFET keinen Strom am Gate verschwendet, wo die Basis eines BJT dies tut, aber das ist kein Problem für mich, da ich nicht mit Batterien laufe. Ein MOSFET benötigt auch keinen Widerstand in Reihe mit dem Gate, benötigt jedoch im Allgemeinen einen Pulldown-Widerstand, damit das Gate beim Neustart der MCU nicht schwebt (richtig?). Also keine Reduzierung der Teileanzahl.

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

Wann ist ein MOSFET besser geeignet als ein BJT? Warum wird mir ständig gesagt, dass ich MOSFETs verwenden sollte?

Batteriebeschränkungen sind nicht der einzige Grund, Strom zu sparen. Was ist mit der Wärmeableitung? Was ist mit den Betriebskosten? Was ist mit der Produktlebensdauer (die durch Hitze begrenzt sein kann)?
Vor Jahrzehnten, als MOSFETs noch neue Geräte waren, erinnere ich mich an einen Artikel, in dem ein MOSFET-Hersteller darauf hinwies, dass er eine echte Leistung erbracht hatte, um zu zeigen, dass die Teile wirklich gut ankamen: Sie hatten den VN10KM gebaut und ausgeliefert. Das wurde speziell entwickelt und soll in die übliche ökologische Nische passen, die derzeit vom ehrwürdigen 2N2222 besetzt wird.

Antworten (8)

BJTs eignen sich viel besser als MOSFETs zum Ansteuern von Low-Power-LEDs und ähnlichen Geräten von MCUs. MOSFETs eignen sich besser für Hochleistungsanwendungen, da sie schneller schalten können als BJTs, wodurch sie kleinere Induktivitäten in Schaltnetzteilen verwenden können, was die Effizienz erhöht.

Würden Sie dann sagen, dass die Vorschläge, die ich bekommen habe, MOSFETs zu verwenden, einfach falsch sind? Insbesondere die Antwort auf meine Frage zu LEDs?
Ja. Sie sehen nicht viele LED-Treiber mit MOSFETs.
sie schalten schneller ein als sie ausschalten, nicht wahr?
Was genau macht einen BJT für LED-Antriebe „viel besser geeignet“? Es gibt Tonnen von LED-Treibern, die MOSFET-Schalter verwenden.
Ich meinte gewöhnliche Low-Current-LEDs und Displays. Sie sehen nicht oft, dass MOSFETs zum Ansteuern verwendet werden.
Schnelleres Schalten hat nicht unbedingt etwas mit High-Power-Anwendungen zu tun. Darlington-Paare (BJTs) usw. können zum Schalten hoher Leistung verwendet werden. Deine Antwort trifft den Kern des Problems nicht.
Power Darlingtons sind im Vergleich zu MOSFETs langsam! Schnelles Schalten ist wünschenswert, um die Induktorgröße zu minimieren und die Effizienz zu erhöhen.
"Schnelleres Schalten hat nicht unbedingt etwas mit High-Power-Anwendungen zu tun" Schon, wenn tausende Male pro Sekunde geschaltet wird. Nicht, wenn Sie einmal am Tag wechseln.
Diese Art von Anwendung ist im Vergleich zur Leistungsumwandlung und Motorsteuerung ziemlich selten.
@Mark: Eine der Hauptbeschränkungen von BJTs besteht darin, dass sie einen Basisstrom benötigen, der proportional zum maximal möglichen Kollektorstrom ist. Wenn etwas gesteuert wird, dessen Maximalstrom 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 Energie in der Basis zu verschwenden, ist keine große Sache.
@supercat wie macht sie das "viel geeigneter"? 2,5 % sind in vielen Anwendungen ein RIESIGER Deal.
@Mark: In einigen Anwendungen mögen 2,5% eine große Sache sein, aber in vielen Anwendungen wird man sich weit mehr Sorgen um die 10 mA machen, die von einer LED verbraucht werden, als um die 250 uA, die in der Basis des Transistors verbraucht werden, der sie steuert. Ich selbst hätte den Begriff "viel" nicht passender verwendet, aber BJTs sind oft etwas billiger als MOSFETs, und das macht sie an und für sich "geeigneter", wenn alle anderen gleich sind. Außerdem kann es bei einigen Anwendungen einfacher sein, BJTs für eine Konstantstromschaltung zu verdrahten als MOSFETs.

Wann ist ein MOSFET als Schalter besser geeignet als ein BJT?

Antwort: 1) Ein MOSFET ist besser als ein BJT, wenn:

  1. Wenn Sie wirklich wenig Strom benötigen.
    1. MOSFETs sind spannungsgesteuert. Sie können ihr Gate also nur einmal aufladen und jetzt haben Sie keinen Strom mehr und sie bleiben eingeschaltet. BJT-Transistoren hingegen sind stromgesteuert. Um sie also eingeschaltet zu halten, müssen Sie weiterhin Strom durch ihren Basis-Emitter-Kanal speisen (für NPN) oder senken (für PNP). Dadurch eignen sich MOSFETs ideal für Low-Power-Anwendungen, da sie viel weniger Strom verbrauchen können, insbesondere in Steady-State-Szenarien (z. B. immer eingeschaltet).
  2. Wenn Ihre Schaltfrequenzen nicht zu hoch sind.
    1. MOSFETs verlieren ihre Effizienzgewinne, je schneller Sie sie schalten , denn:
      1. Das wiederholte Laden und Entladen ihrer Gate-Kapazitäten ist wie das wiederholte Laden und Entladen einer winzig kleinen Batterie, und das verbraucht Strom und Strom, zumal Sie diese winzig kleine Ladung wahrscheinlich an GND entladen, wodurch sie nur entladen und in Wärme umgewandelt wird Wiederherstellung.
      2. Die hohen Gate-Kapazitäten können ziemlich große kurzzeitige Eingangs- und Ausgangsströme (bis zu Hunderte von mA beispielsweise für ein Bauteil der Größe TO-220) mit sich bringen, und Leistungsverluste sind proportional zum Quadrat des Stroms ( P = I^2 * R). Das bedeutet, jedes Mal, wenn Sie den Strom verdoppeln , vervierfachen Sie die Leistungsverluste und die Wärmeerzeugung in einem Teil. Hohe Gate-Kapazitäten bei MOSFETs mit Hochgeschwindigkeitsschaltung bedeuten, dass Sie große Gate-Treiber und sehr hohe Treiberströme für einen MOSFET (z. B.: +/-500 mA) benötigen, im Gegensatz zu den niedrigen Treiberströmen für einen BJT (z. B.: 50 mA). Schnellere Schaltfrequenzen bedeuten also mehr Verluste beim Ansteuern des Gates eines MOSFETs im Gegensatz zum Ansteuern der Basis eines BJTs.
      3. Schnelles Schalten des Gates erhöht auch die Verluste durch den primären Drain-zu-Source-Kanal erheblich, denn je schneller Ihre Schaltfrequenz ist, desto mehr Zeit (oder Male pro Sekunde, wie auch immer Sie darüber nachdenken möchten) verbringen Sie im ohmschen Bereich des Transistors. Dies ist der Bereich zwischen vollständig EIN und vollständig AUS, in dem R_DS(Widerstand von Drain zu Source) hoch ist, und daher auch Verluste und Wärmeerzeugung.
      4. Zusammenfassend gilt also: Je schneller Ihre Schaltfrequenz ist, desto mehr MOSFET-Transistoren verlieren ihre Effizienzgewinne, die sie sonst natürlich gegenüber BJT-Transistoren haben, und desto attraktiver werden BJT-Transistoren vom Standpunkt der "Niedrigleistung".
    2. Außerdem (siehe Buchreferenz, Zitate und Beispielproblem unten!) können BJT-Transistoren eine Berührung schneller schalten als MOSFETs (z. B. 15,3 GHz gegenüber 9,7 GHz in „Beispiel G.3“ unten).
  3. Wenn Ihr Leistungs- und Strombedarf ein dominierender Faktor SIND.
    1. Meine persönliche Erfahrung bei der Suche nach Teilen zeigt, dass die besten BJT-Transistoren für jede gegebene Bauteilgehäusegröße nur etwa 1/10 so viel Strom treiben können wie die besten MOSFET-Transistoren. MOSFETs zeichnen sich also dadurch aus, dass sie hohe Ströme und hohe Leistungen treiben.
    2. Beispiel: Ein TIP120 NPN BJT Darlington-Transistor kann nur etwa 5 A Dauerstrom treiben, während der IRLB8721 N-Kanal-Logic-Level-MOSFET im gleichen physikalischen TO-220-Gehäuse bis zu 62 A treiben kann .
    3. Außerdem, und das ist wirklich wichtig! : MOSFETs können parallel geschaltet werden, um die Strombelastbarkeit einer Schaltung zu erhöhen . Beispiel: Wenn ein bestimmter MOSFET 10 A treiben kann, kann das Parallelschalten von 10 davon 10 A / MOSFET x 10 MOSFETs = 100 A treiben. Es wird jedoch NICHT empfohlen, BJT-Transistoren parallel zu schalten, es sei denn, Sie haben einen aktiven oder passiven Lastausgleich (z. B. unter Verwendung von Leistungswiderständen) für jeden parallelen BJT-Transistor, da BJT-Transistoren diodisch sindin der Natur und verhalten sich daher eher wie Dioden, wenn sie parallel geschaltet werden: Diejenige mit dem kleinsten Diodenspannungsabfall, VCE, vom Kollektor zum Emitter, wird am Ende den größten Strom durchlassen und ihn möglicherweise zerstören. Sie müssten also einen Lastausgleichsmechanismus hinzufügen: Beispiel: Ein Leistungswiderstand mit winzigem Widerstand, aber großer Leistung, der in Reihe mit jedem BJT-Transistor / Widerstandspaar parallel geschaltet ist. Auch hier haben MOSFETs diese Einschränkung NICHT und sind daher ideal für die Parallelschaltung, um die Stromgrenzen eines bestimmten Designs zu erhöhen.
  4. Wenn Sie Transistoren in integrierte Schaltkreise ätzen müssen.
    1. Anscheinend lassen sich MOSFETs basierend auf dem folgenden Zitat sowie zahlreichen anderen Quellen leichter miniaturisieren und in ICs (Chips) ätzen, sodass die meisten Computerchips auf MOSFETs basieren.
  5. [Ich muss dafür eine Quelle finden - bitte posten Sie einen Kommentar, wenn Sie einen haben] Wenn die Robustheit von Spannungsspitzen nicht Ihr Hauptanliegen ist.
    1. Wenn ich mich richtig erinnere, sind BJT-Transistoren widerstandsfähiger gegen eine vorübergehende Überschreitung ihrer Nennspannung als MOSFETs.
  6. Wenn Sie eine riesige (Hochleistungs-) Diode brauchen!
    1. MOSFETs haben eine eingebaute und natürliche Body-Diode, die manchmal sogar im Datenblatt eines MOSFETs spezifiziert und bewertet wird. Diese Diode kann häufig sehr große Ströme handhaben und kann sehr nützlich sein. Bei einem N-Kanal-MOSFET (NMOS) beispielsweise, der Strom von Drain zu Source schalten kann, geht die Body-Diode in die entgegengesetzte Richtung und zeigt von Source zu Drain. Sie können diese Body-Diode also bei Bedarf nutzen oder den MOSFET einfach direkt als Diode verwenden.
    2. Hier ist eine schnelle Google-Suche nach „mosfet body diode“ und „mosfet diode“ und ein kurzer Artikel: DigiKey: The Significance of the Intrinsic Body Diodes Inside MOSFETs .
    3. Beachten Sie jedoch, dass MOSFETs aufgrund dieser Body-Diode Ströme in der entgegengesetzten Richtung (von Source zu Drain für einen N-Kanal oder von Drain zu Source für einen P-Kanal) NICHT natürlich blockieren, schalten oder steuern können Um Wechselstrom mit einem MOSFET zu schalten, müssten Sie zwei MOSFETs Rücken an Rücken platzieren, damit ihre Dioden zusammenarbeiten, um den Strom entsprechend zu blockieren oder zuzulassen, in Verbindung mit jedem aktiven Schalten, das Sie möglicherweise zur Steuerung des MOSFET vornehmen.

2) Hier sind einige Fälle, in denen Sie möglicherweise immer noch einen BJT einem MOSFET vorziehen:

(Einschlägigere Gründe in Fettdruck – dies ist etwas subjektiv).

  1. Sie benötigen höhere Schaltfrequenzen.
    1. Siehe oben.
    2. (Obwohl dies meiner Meinung nach selten ein Problem darstellt, da MOSFETs heutzutage ohnehin so schnell geschaltet werden können). Jemand mit viel praktischer Erfahrung im Hochfrequenzdesign kann sich gerne melden, aber basierend auf dem folgenden Lehrbuch sind BJTs schneller:
      1. Beispiel: Ein bestimmter NPN-BJT-Transistor erreichte 15,3 GHz bei einem Kollektorstrom, I_C, von 1 mA, im Gegensatz zu einem vergleichbaren NMOS-Transistor (N-Kanal-MOSFET), der nur eine Übergangsfrequenz von 9,7 GHz bei einem Drainstrom, I_D, erreichte. von 1mA.
  2. Sie müssen einen Operationsverstärker machen.
    1. Das Lehrbuch, das ich weiter unten zitiere, besagt, dass BJTs hier gut dafür sind (zur Herstellung von Operationsverstärkern verwendet) (Hervorhebung hinzugefügt):

      Daraus ist ersichtlich, dass jeder der beiden Transistortypen seine eigenen deutlichen und einzigartigen Vorteile hat: Bipolare Technologie war äußerst nützlich beim Design von sehr hochwertigen Allzweck-Schaltungsbausteinen, wie z. B. Operationsverstärkern .

  3. [Ergebnisse können variieren] Kosten und Verfügbarkeit sind Ihnen sehr wichtig.
    1. Bei der Auswahl von Teilen funktionieren manchmal viele Teile für ein bestimmtes Designziel, und BJTs können manchmal billiger sein. Wenn ja, verwenden Sie sie. Da es BJTs viel länger als MOSFETs gibt, zeigt meine etwas begrenzte, subjektive Erfahrung beim Kauf von Teilen, dass BJTs wirklich billig sind und mehr überschüssige und kostengünstige Optionen zur Auswahl haben, insbesondere bei der Suche nach Durchsteckteilen (THT) für einfache Hand- Löten .
    2. Ihre Erfahrung kann jedoch variieren, vielleicht sogar abhängig davon, wo auf der Welt Sie sich befinden (ich weiß es nicht genau). Moderne Recherchen von modernen seriösen Anbietern wie DigiKey zeigen das Gegenteil, und MOSFETs gewinnen erneut. Eine Suche auf DigiKey im Oktober 2020 zeigt 37808 Ergebnisse für MOSFETs , davon 11537 THT , und nur 18974 Ergebnisse für BJTs , davon 8849 THT .
    3. [Viel relevanter] Die Gate-Treiber-ICs und Schaltungen, die häufig zum Ansteuern von MOSFETs erforderlich sind (siehe unten), können die Kosten Ihres MOSFET-basierten Designs erhöhen.
  4. Sie wollen Einfachheit im Design.
    1. Alle BJTs sind effektiv "Logikpegel" (dies ist nicht wirklich ein Konzept für BJTs, aber ertrage es mit mir), weil sie stromgesteuert und NICHT spannungsgesteuert sind. Vergleichen Sie dies mit MOSFETs, bei denen die meisten eine V_GSGate-zu-Source-Spannung von 10 V bis 12 V benötigen, um vollständig eingeschaltet zu werden. Das Erstellen der Schaltung zum Ansteuern eines MOSFET-Gates mit diesen hohen Spannungen bei Verwendung eines 3,3-V- oder 5-V-Mikrocontrollers ist ein Problem , insbesondere für Neulinge. Möglicherweise benötigen Sie mehr Transistoren, Gegentaktschaltungen / Halb-H-Brücken, Ladungspumpen, teure Gate-Treiber-ICs usw., nur um das stinkende Ding einzuschalten. Vergleichen Sie dies mit einem BJT, bei dem Sie nur einen Widerstand benötigen und Ihr 3,3-V-Mikrocontroller ihn problemlos einschalten kann, insbesondere wenn es sich um einen Darlington-BJT-Transistor handelt, der eine enorme HfeVerstärkung aufweist(von etwa 500~1000 oder mehr) und kann mit sehr niedrigen Strömen (<1~10 mA) eingeschaltet werden.
    2. Daher können Designs viel komplizierter werden, um einen MOSFET-Transistor als Schalter anstelle eines einfachen BJT-Transistors als Schalter richtig anzusteuern. Die Lösung besteht dann darin, MOSFETs mit "Logikpegel" zu verwenden, was bedeutet, dass ihre Gates mit Mikrocontroller-"Logikpegeln" wie 3,3 V oder 5 V gesteuert werden. Das Problem ist jedoch: MOSFETs auf Logikebene sind noch seltener und haben weniger Optionen zur Auswahl, sie sind relativ gesehen viel teurer und müssen möglicherweise immer noch hohe Gate-Kapazitäten überwinden, wenn sie versuchen, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen schalten. Das bedeutet, dass Sie selbst bei MOSFETs auf Logikebene möglicherweise immer noch zu einem komplizierteren Design zurückkehren müssen, um eine Push-Pull-Gate-Treiberschaltung / Halb-H-Brücke oder einen teuren Hochstrom-Gate-Treiber-IC einzubauen um ein Hochgeschwindigkeitsschalten des Logikpegel-MOSFET zu ermöglichen.

Dieses Buch (ISBN-13: 978-0199339136) Microelectronic Circuits (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering) , 7. Auflage, von Adel S. Sedra und Kenneth C. Smith, in „Appendix G: COMPARISON OF THE MOSFET AND THE BJT " ( hier online ansehen ), bietet einige zusätzliche Einblicke (Hervorhebung hinzugefügt):

G.4 Kombination von MOS- und Bipolartransistoren – BiCMOS-Schaltungen

Aus der obigen Diskussion sollte ersichtlich sein, dass der BJT gegenüber dem MOSFET den Vorteil einer viel höheren Transkonduktanz (gm) bei demselben Wert des DC-Vorstroms hat. Bipolartransistor-Verstärker haben somit zusätzlich zur Realisierung höherer Spannungsverstärkungen pro Verstärkerstufe eine überlegene Hochfrequenzleistung im Vergleich zu ihren MOS-Gegenstücken.

Andererseits ermöglicht der praktisch unendliche Eingangswiderstand am Gate eines MOSFETs die Konstruktion von Verstärkern mit extrem hohen Eingangswiderständen und einem Eingangsruhestrom von nahezu null. Außerdem bietet der MOSFET, wie bereits erwähnt, eine hervorragende Implementierung eines Schalters, eine Tatsache, die die CMOS-Technologie in die Lage versetzt hat, eine Vielzahl analoger Schaltungsfunktionen zu realisieren, die mit Bipolartransistoren nicht möglich sind.

Daraus ist ersichtlich, dass jeder der beiden Transistortypen seine eigenen deutlichen und einzigartigen Vorteile hat: Bipolare Technologie war äußerst nützlich beim Design von sehr hochwertigen Allzweck-Schaltungsbausteinen, wie Operationsverstärkern. Andererseits ist CMOS mit seiner sehr hohen Packungsdichte und seiner Eignung sowohl für digitale als auch für analoge Schaltungen die Technologie der Wahl für die Implementierung von sehr hochintegrierten Schaltungen geworden. Nichtsdestotrotz kann die Leistung von CMOS-Schaltungen verbessert werden, wenn der Konstrukteur Bipolartransistoren (auf dem gleichen Chip) zur Verfügung hat, die in Funktionen eingesetzt werden können, die ihren hohen gm und ihre hervorragende Stromtreiberfähigkeit erfordern. Eine Technologie, die die Herstellung hochwertiger Bipolartransistoren auf demselben Chip wie CMOS-Schaltungen ermöglicht, wird treffend als BiCMOS bezeichnet . An geeigneten Stellen in diesem Buch stellen wir interessante und nützliche BiCMOS-Schaltungsblöcke vor.

Diese Antwort wiederholt dies: Werden BJTs in modernen integrierten Schaltungen im gleichen Maße wie MOSFETs verwendet? .

Im „Anhang G“ des oben zitierten Lehrbuchs kann auch auf „ Beispiel G.3 “ verwiesen werden. In diesem Beispiel zeigen sie einen NPN-BJT-Transistor, der eine Übergangsfrequenzf_T von bis zu 15,3 GHz mit einem Kollektorstrom I_Cvon 1 mA erreicht . Dies steht im Gegensatz zum NMOS-Transistor (N-Kanal-MOSFET), der bei einem Drain-Strom von 1 mA eine Übergangsfrequenz von nur 9,7 GHz erreicht.I_D

Zusätzliche Studie und Hilfe für die Verwendung von Transistoren, ob BJTs oder MOSFETs

  1. [meine Antwort] Schalten eines Solenoids mit dem 5-V-Ausgang von Arduino? - hier präsentiere ich ein vollständiges, detailliertes Tutorial zum Lesen eines NPN-BJT-Transistordatenblatts, zum Herausziehen der erforderlichen Werte und zum Berechnen von Verstärkungen, Strömen und erforderlichen Widerständen und anderen Komponenten zum Ansteuern eines Solenoids oder Relais oder einer anderen induktiven Last, einschließlich mit notwendige Snubber-Diode, um schädliche Back-EMF-Spannungen und -Ströme und "Klingeln" zu eliminieren.
Warum nicht immer nur MOSFETs verwenden und die BJTs vergessen?
Ich habe meiner Antwort einen neuen Abschnitt hinzugefügt. Meistens denke ich: 1) Benutzerfreundlichkeit: BJTs sind im Allgemeinen viel einfacher zu fahren und erfordern keine speziellen Gate-Treiber oder ausgefallenen Gegentaktschaltungen, 2) Kosten (bei diesem hier nicht ganz sicher, aber es kann sein ein Faktor sein), 3) Verfügbarkeit (bei Digikey sind heute mehr MOSFETs als BJTs verfügbar, aber in einigen Teilen der Welt kann immer noch das Gegenteil der Fall sein, da es BJTs schon länger gibt? - nicht ganz sicher). Also für mich meistens nur Nr. 1: BJTs sind zum größten Teil immer noch einfacher zu fahren.
@ Quantum0xE7, abgesehen von dem, was ich hier gepostet habe, bin ich mir nicht wirklich sicher. Ich möchte selbst mehr wissen.
Ich dachte, da die FETs weniger Strom benötigen und wir wirklich nur versuchen, einen Schalter zu erstellen, wären FETs einfacher und schneller zu schalten als BJTs. Ist das nicht wahr?
@ Quantum0xE7, Für den stationären Zustand ist es definitiv wahr . Laden Sie einfach das MOSFET-Gate einmal auf und halten Sie es dort, und Sie sind fertig (und langsame Pull-up- / Pull-down-Widerstände sind in Ordnung)! Für Hochgeschwindigkeitsschaltungen definitiv NICHT wahr. Siehe diese beiden Abschnitte oben: 1) im MOSFET-Abschnitt: "MOSFETs beginnen, ihre Effizienzgewinne zu verlieren, je schneller Sie sie schalten" und 2) im BJT-Abschnitt: "Sie wollen Einfachheit im Design" . Hinweis: Ich interpretiere „Schalter“ in diesem Fall so, dass auch ein Hochgeschwindigkeits-PWM-Schalten möglich ist, das zum Ansteuern von Motoren, LEDs, Spannungswandlern und Schaltnetzteilen verwendet wird.
Da Sie es ansprechen, können moderne FETs tatsächlich viel schneller schalten als BJTs. BJTs, die als Schalter verwendet werden, haben ein Problem: Die gespeicherte Ladung in der Basis bedeutet, dass sie Zeit brauchen, um sich auszuschalten! FETs können schneller ausgeschaltet werden, und moderne SiC-FETs haben eine viel geringere Gate-Kapazität als ältere Si-FETs mit ähnlichen Nennwerten.
@Hearth, ich möchte bitte einige Quellen sehen. Dieser Punkt wird konsequent argumentiert, aber ich muss noch überzeugende Quellen (überhaupt Quellen) sehen, die belegen, dass MOSFETS schneller als BJTs sind. Meine Forschung hat durchweg das Gegenteil gezeigt, wobei das obige Lehrbuch beispielsweise BJTs mit bis zu 15,3 GHz und einen vergleichbaren NMOS-MOSFET mit 9,7 GHz zeigt. Offensichtlich ändert sich die Technologie, also wenn MOSFETs wirklich schneller sind, muss es irgendwo dokumentiert werden, damit wir es zitieren können. Datenblätter sind natürlich akzeptabel, wenn Sie diesen Nachweis in vergleichbaren Teilen (gleiches Paket, ähnliche Spezifikationen) finden können.
@GabrielStaples Alles, was mit mehr als ein paar GHz läuft, wird nicht umschalten; Es wird im aktiven (BJT) / Sättigungsmodus (FET) betrieben. Dies vermeidet das Problem der gespeicherten Ladung, da sich diese nur aufbaut, wenn der BJT in Sättigung ist. HF-Geräte sind nicht mein Fachgebiet; Ich arbeite mit Leistungselektronik, bin also mit HF-Sachen nicht vertraut; genau die Art von Schaltung, die Sie für Leistungselektronik verwenden würden.
@GabrielStaples Aber wenn Sie versucht haben, 15,3-GHz-PWM aus einem BJT herauszuholen, der für eine Bandbreite von 15,3 GHz ausgelegt ist, werden Sie nichts annäherndes schaffen. Der BJT kann möglicherweise 15-GHz-Signale verstärken, aber er wird nicht 15 Milliarden Mal pro Sekunde schalten.
@Hearth, der wichtigste Punkt, auf den wir uns beide einigen können, ist folgender: Wenn es um Hochleistungs- und Hochstrom-Leistungselektronik geht, liegt die beste Antwort fast immer in der Verwendung von MOSFETs, denn 1) sie schalten viel schnell genug für virtuell die gesamte Leistungselektronik, einschließlich Schaltnetzteile, PWM usw., auch bei hohen Leistungen und Strömen im dutzenden KHz-Bereich und bei Bedarf im MHz-Frequenzbereich für niedrigere Ströme, und 2) insbesondere aus den von mir genannten Gründen in meinem oben genannten Abschnitt: Wenn Ihre Leistung und Ihr Strombedarf ein dominierender Faktor sind.
@GabrielStaples Fairer Punkt, aber die Frage stellt sich speziell nach Schaltern. Ich habe noch nie einen BJT gesehen , der so schnell schalten kann wie FETs mit ähnlicher Nennleistung.
Es stimmt zwar, dass das Schalten eines MOSFET bei höherer Frequenz die Schaltverluste erhöht. Es gibt viele Leistungs-BJTs, die sehr lange Abschaltzeiten haben (wie einige von uns), sodass Sie sie nicht einmal schnell wechseln könnten, wenn Sie es versuchen würden. In dieser Hinsicht können MOSFETs tatsächlich besser sein als BJTs.

BJTs verschwenden bei jedem Einschalten etwas Strom, unabhängig davon, ob die Last etwas zieht. In einem batteriebetriebenen Gerät verschwendet die Verwendung eines BJT zur Stromversorgung von etwas, dessen Last sehr variabel, aber oft niedrig ist, am Ende viel Energie. Wenn ein BJT verwendet wird, um etwas mit einer vorhersehbaren Stromaufnahme zu versorgen (wie eine LED), ist dieses Problem nicht so schlimm; man kann den Basis-Emitter-Strom einfach auf einen kleinen Bruchteil des LED-Stroms einstellen.

Ein guter N-Kanal-MOSFET hat einen sehr niedrigen Wert R d s ( Ö n ) (Drain-Source-Äquivalentwiderstand), wenn er richtig vorgespannt ist, was bedeutet, dass er sich beim Einschalten sehr ähnlich wie ein tatsächlicher Schalter verhält. Sie werden feststellen, dass die Spannung am MOSFET im eingeschalteten Zustand niedriger ist als die v c e ( s a t ) (Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung) eines BJT.

Ein 2N2222 hat v c e ( s a t ) von 0,4 v 1 v abhängig vom Vorstrom.

Ein VN2222 MOSFET hat ein Maximum R d s ( Ö n ) von 1.25 Ω .

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

Außerdem ist der MOSFET, wie zuvor erläutert, ein Transkonduktanz-Bauelement – ​​die Spannung am Gate lässt Strom durch das Bauelement zu. Da das Gate hochohmig zur Source ist, benötigen Sie keinen konstanten Gate-Strom, um das Gerät vorzuspannen - Sie müssen nur die Eigenkapazität überwinden, um das Gate aufzuladen, dann wird der Gate-Verbrauch minimal.

Es ist jedoch schwierig, einen VN2222 von einer 3,3-V-MCU aus zu betreiben, und sie sind nicht gerade leicht verfügbar.
R D S ( Ö N ) für das VN2222 ist 7.5 Ω , nicht 1,25. Auch 1.25 Ω wäre nicht spektakulär, finden Sie Dutzende von Logik-FETs mit R D S ( Ö N ) weniger als 100 m Ω
@Mark - Supertex ist möglicherweise kein Fairchild oder NXP, aber der VN2222 ist bei DigiKey und Mouser erhältlich.

BJTs sind in manchen Situationen besser geeignet, weil sie oft billiger sind. Ich kann TO92 BJTs für jeweils 0,8 Pence kaufen, aber MOSFETs starten erst für jeweils 2 Pence - es klingt vielleicht nicht nach viel, kann aber einen großen Unterschied machen, wenn Sie es mit einem kostensensiblen Produkt mit vielen davon zu tun haben.

FET-Geräte 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 und sich selbst kühl hält (weniger Wärmeableitung auf dem Chip). während der LED-Strom fast vollständig durch den externen FET-Kanal getrieben wird. Ja, es ist auch wahr, dass der Ron der typischen FET-Vorrichtungen sehr niedrig ist, um einen niedrigen Spannungsabfall über dem FET zu halten, was für Anwendungen mit geringer Leistung vorteilhaft ist.

Es gibt jedoch einen gewissen Nachteil, wenn es um die Störfestigkeit am Gate des MOSFET geht, was bei den BJTs möglicherweise nicht der Fall ist. Jedes an das Gate des MOSFET angelegte Potential (Rauschen) führt dazu, dass der Kanal bis zu einem gewissen Grad leitend wird. Es ist nicht hoch (aber immer noch ausreichend), den Mosfet zu verwenden, um die Relaisspulen mit niedrigem Vt (Schwellenwert) anzusteuern. Wenn Ihr Mikrocontroller den FET ansteuert, möchten Sie in diesem Fall möglicherweise einen FET mit höherem Vt (Schwellenwert) erhalten.

MOSFETs sind robuster für hohe Stromanforderungen. Beispielsweise kann ein Mosfet mit 15 A Nennstrom für kurze Zeit 60 A (z. B. IRL530) durchlassen. BJT mit 15 A Nennleistung können nur 20 A-Impulse weitergeben. Auch Mosfets haben einen besseren thermischen Übergang zum Gehäusewiderstand, selbst wenn sie einen kleineren Chip haben.

Können Sie eine Quelle angeben, warum dies eine allgemeine Regel sein sollte?

Welche besser ist, hängt von der Anwendung ab. Hier sind einige Überlegungen, die jedoch keineswegs vollständig sind.

Ein MOSFET benötigt auch keinen Widerstand in Reihe mit dem Gate, benötigt jedoch im Allgemeinen einen Pulldown-Widerstand, damit das Gate beim Neustart der MCU nicht schwebt (richtig?). Also keine Reduzierung der Teileanzahl.

Nun, das kommt darauf an. Wenn Sie damit einverstanden sind, dass die LED beim Starten des Mikros für einige ms eingeschaltet wird, können Sie den Widerstand manchmal weglassen und Platz / Kosten sparen.

Andere Faktoren...

  • Zum Ansteuern induktiver Lasten ermöglicht Ihnen die eingebaute Body-Diode eines MOSFET, Teile einzusparen. Während ein BJT wahrscheinlich eine Diode parallel benötigen würde.

  • Viele Power-BJTs haben sehr lange Abschaltzeiten (wie einige von uns), sodass Sie sie nicht einmal schnell schalten könnten, wenn Sie es versuchen würden. Für Hochgeschwindigkeitsschaltungen können MOSFETs in diesem Fall besser sein.

    Wenn Sie zu einer der großen Hersteller-Websites (wie Analog Devices) gehen und sich ihre DC-DC-Wandler-Controller-Chips ansehen, verwenden fast alle MOSFETs anstelle von BJTs. Die Herstellung eines Konverters, der BJTs mit mehreren hundert kHz betreibt, ist normalerweise nicht praktikabel.

  • BJTs können in Hochspannungsanwendungen eine geringere Verlustleistung aufweisen.

    Der Drain-Source-On-Widerstand für eine bestimmte MOSFET-Größe und -Technologie ist proportional zur Sperrspannung. Bei niedrigen Spannungen können MOSFETs Drain-Source-Widerstände sogar unter 1 mOhm haben. Aber bei höheren Spannungen (wie > 1000 V) haben die meisten MOSFETs Drain-Source-Widerstände von mehreren hundert mOhm, wenn nicht mehreren Ohm.

    Bei Bipolartransistoren (und IGBTs) beginnt VCE-sat typischerweise mit einem guten Bruchteil eines Volts, steigt aber langsamer als linear mit der Nennspannung (jedenfalls bis zu einem gewissen Punkt).

    Wenn Sie einen konstanten Strom betrachten und ähnliche Teile mit immer höheren Nennspannungen betrachten, kommt ein Punkt, an dem der Spannungsabfall über einem MOSFET größer wird als der Abfall über einem Bipolartransistor. Bei diesen Hochspannungsanwendungen kann ein BJT oder IGBT effizienter sein.

  • BJTs können für Hochstromanwendungen eine geringere Verlustleistung aufweisen.

    Der Drain-Source-Kanal in einem MOSFET verhält sich wie ein Widerstand, und die Verlustleistung steigt wie I ^ 2 * R. Zusätzlich steigt R mit der Temperatur, wodurch die Verlustleistung noch schlimmer wird, wenn das Teil heiß wird.

    Bei einem BJT steigt VCE-sat zwar mit zunehmendem Kollektorstrom an, kann aber oft eine ziemlich flache Steigung haben. Außerdem nimmt VCE-sat normalerweise mit der Temperatur ab, so dass das Teil, wenn es heiß wird, tatsächlich anfängt, weniger Energie zu verbrauchen.

"Für die Ansteuerung induktiver Lasten ermöglicht Ihnen die eingebaute Body-Diode eines MOSFET, Teile einzusparen." - Dies gilt nur in einer Halbbrückenschaltung, bei der ein FET über die Last verdrahtet ist. Wenn ein einzelner FET zum Schalten einer induktiven Last verwendet wird, benötigen Sie immer noch eine Flyback-Diode über der Last.