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?
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.
Wann ist ein MOSFET als Schalter besser geeignet als ein BJT?
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.R_DS
(Widerstand von Drain zu Source) hoch ist, und daher auch Verluste und Wärmeerzeugung.(Einschlägigere Gründe in Fettdruck – dies ist etwas subjektiv).
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 .
V_GS
Gate-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 Hfe
Verstärkung aufweist(von etwa 500~1000 oder mehr) und kann mit sehr niedrigen Strömen (<1~10 mA) eingeschaltet werden.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_C
von 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
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 (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 (Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung) eines BJT.
Ein 2N2222 hat von abhängig vom Vorstrom.
Ein VN2222 MOSFET hat ein Maximum von .
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.
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.
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.
Gallamin
John R. Strohm