BJTs versus (MOS) FET untuk mengalihkan beban dari mikrokontroler

Saya ingin tahu apa alasan untuk memilih transistor sambungan bipolar (BJT) versus transistor efek medan (FET) ( MOSFET atau JFET ) untuk mengalihkan beban dari mikrokontroler. Dalam situasi hipotetis kami, asumsikan bahwa beban membutuhkan lebih banyak arus daripada yang dapat diberikan oleh mikrokontroler, dan pertanyaannya adalah pertimbangan apa yang bias mendukung atau menentang BJT dan desain sakelar FET, dengan asumsi bahwa "kemudahan penggunaan" bukan merupakan pertimbangan.

Pertanyaan ini adalah versi yang lebih spesifik kapan menggunakan pertanyaan transistor apa .

Jawaban sebagian - bisa sangat lama - dapat ditambahkan lagi nanti:

Pilihan dalam konteks ini biasanya bipolar atau MOSFET. Begitu Anda sampai di JFET, Anda mungkin juga ingin memikirkan SCR / TRIAC, IGBT, .... Anda mungkin ingin memasukkan bipolar-Darlington ke dalam campuran.

Pendek: Terjadi seperti -

• Bipolar kecil hingga 500 mA dan tegangan 30 Volt adalah biaya rendah, dapat didorong oleh 1V dari tegangan drive, membutuhkan arus drive yang tersedia dari sebagian besar prosesor dan tersedia secara luas.

  • Heat sinking ketika dijalankan dalam mode on / off biasanya tidak diperlukan atau sedang (tembaga PCB sederhana biasanya cukup) dan paket ukuran SOT23 atau TO92 biasanya memadai. Ketika beban linier digerakkan dan disipasi meningkat produk VI yang lebih rendah dan / atau heatsinking yang lebih baik dan / atau paket yang lebih besar diperlukan.

  • Frekuensi 10's dari kHz tersedia dengan drive resistor tunggal, 100's dari kHz dengan drive RC yang sedikit lebih kompleks dan MHz rendah dengan lebih hati-hati. Lebih tinggi lagi mendapat spesialis

  • Kemudahan penggunaan dalam kisaran ini biasanya sama baiknya atau lebih baik dari MOSFET dan biaya lebih rendah.

• Untuk arus dari sekitar 500 mA hingga 10's dari amp pada 10 sampai 100+ Volts, sebuah MOSFET seringkali lebih mudah digunakan secara keseluruhan. Untuk DC atau pengalihan frekuensi rendah (katakan <1 kHz) penggerak gerbang DC langsung pada level mikrokontroler biasa dimungkinkan dengan bagian-bagian tertentu.
  Ketika frekuensi meningkat, driver yang agak lebih kompleks diperlukan untuk mengisi dan mengeluarkan kapasitansi gerbang (biasanya di sekitar NF) pada waktu yang cukup singkat untuk terus mengganti kerugian selama transisi yang cukup rendah agar dapat diterima. Dalam kisaran 10 kHz - 100 kHz driver sederhana biasanya cukup 2 atau 3 BJT jellybean. (JADI, Anda perlu 2 atau 3 BJTS ditambahkan jika Anda menggunakan MOSFET). IC driver spesialis tersedia tetapi biasanya tidak perlu atau biaya dibenarkan

• Untuk tegangan yang lebih tinggi dan / atau frekuensi yang lebih tinggi, bipolar mulai menang lagi.
  Ada bipolar spesialis seperti perangkat keluaran saluran TV (apa itu? :-)) yang beroperasi pada sekitar 1 kV dengan Beta sekitar 3 (!!!). Sebagai kekuatan dasar ~ = Vdrive x Idrive dan Vload >>> Vbase itu tidak terlalu penting bahwa Ibas ~ = Iload.

• IGBT adalah upaya (biasanya berhasil) untuk berjalan dengan kelinci dan berburu dengan anjing - menggunakan tahap input MOSFET untuk mendapatkan daya drive rendah dan tahap keluaran bipolar untuk mendapatkan tegangan tinggi pada kinerja frekuensi tinggi.

• Transistor Darlington (dua bipolar "dalam seri") (benar, mungkin, 'pasangan Darlington') memiliki betas yang sangat tinggi (1000+ umum) dengan penalti Vdrive = 2 x Vbe (sebagai lawan dari 1 x Vbe untuk satu BJT) dan Vsat> Vbe dari output transistor dan keengganan untuk mematikan jika didorong keras menjadi saturasi. Membatasi base drive untuk menghentikan saturasi melambat semakin meningkatkan Vast_minimum.

  • Waktu tua favorit saya tetapi regulator switching yang bermanfaat, MC34063 mencakup driver output yang luar biasa yang merupakan pasangan Darlington. Ini bisa berguna tetapi saturasi harus dihindari pada [tm] besar-besaran ~ 100 kHz kecepatan penuh, sehingga efisiensi akan berkurang pada Vsupply rendah ketika Volt + saturasi output secara signifikan mengurangi tegangan drive load.

  • Transistor darlington kecil dapat didorong dari katakanlah 1.5V (lebih baik) pada biasanya <= 1 mA per Amp beban. Jika saturasi output dapat diterima mereka bisa sangat berguna.

  • IC driver hex dan octal ULN200x dan ULN280x yang bermanfaat dan populer menggunakan darlingtons collector terbuka, dengan 500 mA per peringkat saluran (tidak semuanya sekaligus, idealnya). Ada berbagai versi tegangan input dan beberapa cocok untuk drive prosesor langsung tanpa resistor. ULM2003 dan ULN2803 adalah yang paling terkenal tetapi belum tentu yang paling berguna dalam aplikasi penggerak prosesor.

Pertimbangan termasuk tetapi tentu tidak terbatas pada tingkat daya, tegangan drive, tegangan beban, tingkat drive yang tersedia, kecepatan switching, kesederhanaan yang diperlukan, pendingin, efisiensi, volume produksi & komersial / hobi, biaya, ....

Pada tingkat daya rendah dan voltase sedang - misalnya 10 volt dan di bawah 500 mA (dan mungkin hingga beberapa amp) bipolar kecil mungkin merupakan pilihan yang baik. Drive saat ini adalah tentang Iload / Beta (Beta = gain saat ini) dan Beta 0f 100 hingga 250 pada 500 mA tersedia dengan bagian kinerja yang lebih baik dan 500+ dengan yang spesialis. Misalnya BC337-400 (Tipple TO92 BJT favorit saya) memiliki Beta 250-600 yang memiliki sqrt (250 x 600) ~~ = 400 karenanya nama bagian. Beta "dijamin" 250 (periksa lembar data) memungkinkan Iload 250 mA per mA drive. Dengan drive 2 mA - tersedia dari sebagian besar tetapi tidak semua prosesor - Anda bisa mendapatkan arus beban 500 mA, meskipun lebih banyak drive tidak akan tersesat. Ini dapat dicapai dengan voltase drive katakanlah 1V atau lebih sehingga prosesor yang berjalan pada 3V3 atau bahkan 2V mungkin akan mengaturnya dengan baik. MOSFET dengan Vgsth cukup rendah (ambang gerbang tegangan) dapat berjalan pada tegangan drive ini tetapi mereka menjadi lebih jarang dan lebih spesialis di bawah drive beberapa volt. Tegangan drive minimum yang diperlukan biasanya volt atau sedikit di atas Vgsth (lihat lembar data dalam SETIAP kasus).

Bipolar memiliki penurunan voltase keadaan (Vsat) tergantung pada arus beban, arus drive & jenis perangkat tertentu. Sebuah Vsat dari beberapa persepuluh Volt pada nilai arus akan sangat baik, 500 mV mungkin tipikal dan lebih tinggi sama sekali tidak diketahui. Sebuah MOSFET memiliki pada resistansi Rdson daripada Vsat. Rdson tergantung pada tegangan drive, arus beban, dan perangkat (setidaknya). Rdson meningkat dengan suhu dan dapat menggandakan nilai suhu sekitar. Berhati-hatilah - lembar data BIASANYA curang dan berikan Rdson dengan beban berdenyut dan katakanlah 1% siklus kerja dan frekuensi yang cukup rendah untuk memungkinkan pendinginan mati antara pulsa. Sangat nakal. Nilai ganda yang diterbitkan sebagai patokan ketika digunakan 'dalam kemarahan', meskipun beberapa bagian mengelola mengatakan hanya peningkatan 20% dari suhu lingkungan hingga maks - lihat lembar data dalam setiap kasus.

Bipolar dengan katakanlah 100 mV Vsat pada 500 mA memiliki resistansi setara dengan R = V / I = 0,1 / 0,5 = 200 miliohm. Angka ini sangat mudah diperbaiki oleh MOSFET, dengan Rdson mengatakan 50 miliOhms menjadi umum, di bawah 5 miliOhms tersedia secara wajar dan di bawah 1 miliOhm tersedia untuk orang-orang dengan kebutuhan khusus dan dompet yang lebih besar.

Ditambahkan: Ini adalah panjang lebar dan berguna ketika Anda membutuhkannya ekspansi pada 2 poin dari jawaban Andy Aka.

@Andy alias dalam jawabannya membuat dua poin yang sangat bagus yang hilang dari jawaban saya di atas. Saya lebih berkonsentrasi pada switching dan memuat aspek mengemudi.

Andy menunjukkan (tidak cukup dalam kata-kata ini) bahwa:

(1) Tegangan antara input dan output pada "pengikut sumber" MOSFET kurang jelas dan lebih tergantung pada perangkat dibandingkan dengan BJT. Ketika digunakan sebagai pengikut emitor di mana tegangan "referensi" diterapkan pada basis dan tegangan keluaran yang diambil dari emitor, BJT menjatuhkan "sekitar" 0,6V dc dari basis ke kolektor dalam operasi tipikal. Tegangan mulai dari sekitar 0,4V dan setinggi 0,8V dapat diharapkan dalam desain ekstrem (arus sangat rendah atau sangat tinggi). Pengikut sumber MOSFET dengan referensi di gerbang dan keluaran dari sumber akan turun setidaknya Vgsth dari gerbang ke sumber + tegangan gerbang tambahan apa pun yang diperlukan untuk mendukung arus yang ditarik - biasanya 0,1 hingga 1 volt lebih tetapi bisa 2V + dalam beban tinggi atau contoh perangkat spec rendah. Vgsth tergantung pada perangkat dan bervariasi mulai dari 0. 5V untuk mengatakan 6V + dan biasanya 2 hingga 6V. Jadi sumber drop pengikut bisa apa saja dari sekitar 0,5V (jarang) hingga 7V + (jarang).

(2) Transistor adalah perangkat kuadran 1 (misalnya NPN = Gerbang + ve, kolektor + ve, keduanya wrt emitor untuk menghidupkan NAMUN, lokus sumbu Y negatif "tidak terdefinisi" (basis NOL, kolektor negatif, cenderung tidak konduktif untuk tegangan perangkat tergantung tetapi "beberapa volt" adalah biasa. MOSFET bias terbalik menyajikan dioda substrat dioda maju di seluruh terminal sumber pembuangan ketika MOSFET mati dan pendekatan yang baik untuk kapasitor kecil ketika MOSFET tidak aktif tetapi bias maju. , sinyal AC lebih dari sekitar 0.8V puncak-puncak semakin terpotong pada setengah siklus bias terbalik karena tegangan meningkat.Efek ini dapat diatasi dengan menghubungkan dua MOSFET dari jenis yang sama di seri oposisi.Gerbang terhubung sebagai Vin, sumber terhubung sebagai titik tengah mengambang, saluran air sebagai vin dan vout baik polaritas.Pengaturan ini membuat saklar yang benar-benar luar biasa dan berguna dan juga mengarah ke beberapa goresan kepala dari mereka yang tidak menganggap MOSFET aktif di kuadran 1 dan 3 (Untuk Saluran N FET Kuadran 1 = DS +, SG +. Kuadran 3 = DS - SG +).

Dalam aplikasi pengikut emitor pada sirkuit logika tegangan rendah, BJT mungkin akan mengirimkan barang di emitor sedangkan sirkuit FET yang setara akan memiliki lebih banyak variasi dalam tegangan sumber gerbang dan ini akan menyebabkan hasil yang kurang konsisten.

Saya kira contoh adalah menerapkan tegangan ke BJT untuk mengatur tegangan melintasi resistor emitor sehingga arus dalam beban kolektor adalah "konstan". Saya mencoba untuk memikirkan contoh praktis yang layak tetapi tidak ada yang terlintas dalam pikiran - OK, ya mengendalikan titik bias dioda laser !!

Generalisasi, saya pikir apa pun yang memerlukan konfigurasi tipe pengikut tegangan lebih cocok untuk BJT terutama jika pasokan logika cukup rendah yaitu 3V3 atau kurang.

Mungkin juga, jika sinyal AC (seperti dari mikrofon amplifer) perlu diredam dengan menggunakan transistor penjepit, sebuah bipolar dapat "menderita" beberapa volt bias balik dari AC pada kolektor (ketika tidak mematikan) sedangkan FET mungkin akan klip sedikit sinyal tidak bersuara pada satu setengah siklus.

JFET akan lebih baik dalam aplikasi ini.

Saya telah menemukan artikel ini yang menjelaskan pro dan kontra dari BJT dan MOSFET untuk digunakan dengan mikrokontroler.

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