¿Cuándo es un MOSFET más apropiado como interruptor que un BJT?

Los BJT son mucho más adecuados que los MOSFET para controlar LED de bajo consumo y dispositivos similares de MCU. Los MOSFET son mejores para aplicaciones de alta potencia porque pueden cambiar más rápido que los BJT, lo que les permite usar inductores más pequeños en suministros de modo de conmutación, lo que aumenta la eficiencia.

¿Cuándo es un MOSFET más apropiado como interruptor que un BJT?

Respuesta: 1) un MOSFET es mejor que un BJT cuando:

1. Cuando necesita muy poca potencia.
   1. Los MOSFET están controlados por voltaje. Entonces, puede cargar su Portal una vez y ahora no tiene más consumo actual, y se quedan encendidos. Los transistores BJT, por otro lado, están controlados por corriente, por lo que para mantenerlos encendidos, debe seguir suministrando (para NPN) o hundiendo (para PNP) la corriente a través de su canal de base a emisor. Esto hace que los MOSFET sean ideales para aplicaciones de bajo consumo, ya que puede hacer que consuman mucha menos energía, especialmente en escenarios de estado estable (por ejemplo, siempre encendidos).
2. Cuando sus frecuencias de conmutación no son demasiado altas.
   1. Los MOSFET comienzan a perder sus ganancias de eficiencia cuanto más rápido los cambia , porque:
      1. Cargar y descargar sus capacitancias Gate repetidamente es como cargar y descargar una pequeña batería repetidamente, y eso requiere energía y corriente, especialmente porque probablemente esté descargando esa pequeña carga a GND, que simplemente la está descargando y convirtiendo en calor en lugar de recuperándolo.
      2. Las capacitancias de puerta altas pueden implicar corrientes de entrada y salida momentáneas bastante grandes (hasta cientos de mA, por ejemplo, para una pieza de tamaño TO-220), y las pérdidas de potencia son proporcionales al cuadrado de la corriente ( P = I^2 * R). Esto significa que cada vez que duplica la corriente, cuadruplica las pérdidas de energía y la generación de calor en una pieza. Altas capacitancias de puerta en MOSFET con conmutación de alta velocidad significa que debe tener controladores de puerta grandes y corrientes de accionamiento muy altas para un MOSFET (por ejemplo, +/- 500 mA), a diferencia de las corrientes de accionamiento bajas para un BJT (por ejemplo, 50 mA). Por lo tanto, frecuencias de conmutación más rápidas significan más pérdidas al controlar la puerta de un MOSFET, en lugar de controlar la base de un BJT.
      3. La conmutación rápida de la puerta también aumenta significativamente las pérdidas a través del canal primario de drenaje a fuente porque cuanto más rápida es la frecuencia de conmutación, más tiempo (o veces por segundo, como quiera pensarlo) pasa en la región óhmica del transistor. que es la región entre completamente ENCENDIDO y completamente APAGADO, donde R_DS(la resistencia del drenaje a la fuente) es alta y, por lo tanto, también lo son las pérdidas y la producción de calor.
      4. Entonces, en resumen: cuanto más rápida sea su frecuencia de conmutación, más transistores MOSFET perderán sus ganancias de eficiencia que de otro modo tendrían naturalmente sobre los transistores BJT, y más transistores BJT comenzarán a ser atractivos desde un punto de vista de "baja potencia".
   2. Además (consulte la referencia del libro, las citas y el problema de ejemplo a continuación). Los transistores BJT pueden cambiar un poco más rápido que los MOSFET (por ejemplo, 15,3 GHz frente a 9,7 GHz en el "Ejemplo G.3" a continuación).
3. Cuando sus requisitos de potencia y corriente SON un factor dominante.
   1. Para cualquier tamaño de paquete de componente dado, mi experiencia personal en la búsqueda de piezas indica que los mejores transistores BJT solo pueden conducir aproximadamente 1/10 de la corriente que los mejores transistores MOSFET. Por lo tanto, los MOSFET se destacan en la conducción de altas corrientes y altas potencias.
   2. Ejemplo: un transistor TIP120 NPN BJT Darlington solo puede conducir alrededor de 5A de corriente continua, mientras que el MOSFET de nivel lógico de canal N IRLB8721 , en el mismo paquete físico TO-220, puede manejar hasta 62A .
   3. Además, ¡y esto es muy importante! : Los MOSFET se pueden colocar en paralelo para aumentar la capacidad de corriente de un circuito . Por ejemplo: si un MOSFET determinado puede controlar 10 A, poner 10 de ellos en paralelo puede controlar 10 A/MOSFET x 10 MOSFET = 100 A. Sin embargo, NO se recomienda poner transistores BJT en paralelo a menos que tenga balanceo de carga activo o pasivo (por ejemplo, usando resistencias de potencia) para cada transistor BJT en paralelo, ya que los transistores BJT son diodicosen la naturaleza, y por lo tanto actúan más como diodos cuando se colocan en paralelo: el que tiene la caída de voltaje diodica más pequeña, VCE, del colector al emisor, terminará pasando la corriente más grande, posiblemente destruyéndolo. Por lo tanto, tendría que agregar un mecanismo de equilibrio de carga: por ejemplo, una resistencia de potencia de resistencia pequeña, pero de gran potencia, en serie con cada par de transistores/resistencias BJT en paralelo. Nuevamente, los MOSFET NO tienen esta limitación y, por lo tanto, son ideales para colocarlos en paralelo para aumentar los límites de corriente de cualquier diseño dado.
4. Cuando necesite grabar transistores en circuitos integrados.
   1. Aparentemente, según la cita a continuación, así como muchas otras fuentes, los MOSFET son más fáciles de miniaturizar y grabar en circuitos integrados (chips), por lo que la mayoría de los chips de computadora están basados ​​en MOSFET.
5. [Necesito encontrar una fuente para esto; publique un comentario si tiene uno] Cuando la robustez del pico de voltaje no es su principal preocupación.
   1. Si no recuerdo mal, los transistores BJT son más resistentes a que se excedan momentáneamente sus valores nominales de voltaje que los MOSFET.
6. ¡Cuando necesite un diodo gigante (de alta potencia)!
   1. Los MOSFET tienen un diodo de cuerpo natural incorporado, que a veces incluso se especifica y califica en la hoja de datos de un MOSFET. Este diodo puede manejar frecuentemente corrientes muy grandes y puede ser muy útil. Para un MOSFET de canal N (NMOS), por ejemplo, que puede cambiar la corriente de drenaje a fuente, el diodo del cuerpo va en la dirección opuesta, apuntando de fuente a drenaje. Por lo tanto, siéntase libre de aprovechar este diodo de cuerpo cuando sea necesario, o simplemente use el MOSFET como diodo directamente.
   2. Aquí hay una búsqueda rápida en Google de "diodo de cuerpo mosfet" y "diodo mosfet" , y un breve artículo: DigiKey: La importancia de los diodos de cuerpo intrínseco dentro de los MOSFET .
   3. Tenga cuidado, sin embargo, debido a este diodo de cuerpo, los MOSFET NO pueden bloquear, cambiar o controlar naturalmente las corrientes en la dirección opuesta (de la fuente al drenaje para un canal N, o del drenaje a la fuente para un canal P), así que para cambie la corriente CA con un MOSFET, necesitaría colocar dos MOSFET uno al lado del otro para que sus diodos trabajen juntos para bloquear o permitir la corriente, según corresponda, junto con cualquier cambio activo que pueda hacer para controlar el MOSFET.

2) Entonces, aquí hay algunos casos en los que aún puede elegir un BJT en lugar de un MOSFET:

(Razones más pertinentes en negrita; esto es algo subjetivo).

1. Necesita frecuencias de conmutación más altas.
   1. Véase más arriba.
   2. (Aunque creo que esto rara vez es un problema, ya que los MOSFET se pueden cambiar tan rápido en estos días de todos modos). Alguien con mucha experiencia en diseño de alta frecuencia del mundo real puede participar, pero según el libro de texto a continuación, los BJT son más rápidos:
      1. Ejemplo: un determinado transistor NPN BJT alcanzó 15,3 GHz con una corriente de colector, I_C, de 1 mA, a diferencia de un transistor NMOS comparable (MOSFET de canal N) que solo alcanzó una frecuencia de transición de 9,7 GHz con una corriente de drenaje, I_D, de 1 mA.
2. Necesitas hacer un amplificador operacional.
   1. El libro de texto que cito más abajo dice que los BJT son buenos para esto (que se usan para hacer amplificadores operacionales) aquí (énfasis agregado):

      Por lo tanto, se puede ver que cada uno de los dos tipos de transistores tiene sus propias ventajas distintas y únicas: La tecnología bipolar ha sido extremadamente útil en el diseño de bloques de construcción de circuitos de uso general de muy alta calidad, como los amplificadores operacionales .

3. [Los resultados pueden variar] Le importa mucho el costo y la disponibilidad.
   1. Al elegir piezas, a veces muchas piezas funcionan para un objetivo de diseño determinado y, en ocasiones, los BJT pueden ser más baratos. Si lo son, úsalos. Dado que los BJT han existido por mucho más tiempo que los MOSFET, mi experiencia subjetiva algo limitada en la compra de piezas muestra que los BJT son realmente baratos y tienen más opciones excedentes y económicas para elegir, especialmente cuando se buscan piezas de orificio pasante (THT) para una fácil manipulación. soldadura _
   2. Sin embargo, su experiencia puede variar, tal vez incluso según el lugar del mundo en el que se encuentre (no estoy seguro). Las búsquedas modernas de proveedores acreditados de la actualidad, como DigiKey, muestran lo contrario, y los MOSFET ganan nuevamente. Una búsqueda en DigiKey en octubre de 2020 muestra 37808 resultados para MOSFET , de los cuales 11537 son THT , y solo 18974 resultados para BJT , de los cuales 8849 son THT .
   3. [Mucho más relevante] los circuitos integrados y los circuitos del controlador Gate que se requieren con frecuencia para controlar los MOSFET (ver más abajo) pueden agregar costos a su diseño basado en MOSFET.
4. Quiere simplicidad en el diseño.
   1. Todos los BJT son efectivamente de "nivel lógico" (este no es realmente un concepto para los BJT, pero tengan paciencia conmigo), porque son impulsados ​​​​por corriente, NO por voltaje. Compare esto con los MOSFET, donde la mayoría requiere un V_GSvoltaje de puerta a fuente de 10 V ~ 12 V para encenderse completamente. Crear el circuito para impulsar una compuerta MOSFET con estos altos voltajes cuando se usa un microcontrolador de 3,3 V o 5 V es una molestia , especialmente para los recién llegados. Es posible que necesite más transistores, circuitos push-pull/puentes de media H, bombas de carga, circuitos integrados de controlador de puerta costosos, etc., solo para encender la cosa apestosa. Compare esto con un BJT donde todo lo que necesita es una resistencia y su microcontrolador de 3.3V puede encenderlo bien, especialmente si es un transistor Darlington BJT, por lo que tiene una gran Hfeganancia .(de alrededor de 500~1000 o más) y se puede encender con corrientes súper bajas (<1~10 mA).
   2. Por lo tanto, los diseños pueden volverse mucho más complicados para controlar correctamente un transistor MOSFET como interruptor en lugar de un simple transistor BJT como interruptor. Entonces, la solución es usar MOSFET de "nivel lógico", lo que significa que están diseñados para controlar sus puertas con "niveles lógicos" de microcontroladores, como 3.3V o 5V. Sin embargo, el problema es que los MOSFET de nivel lógico son aún más raros y tienen menos opciones para elegir, son mucho más caros, en términos relativos, y aún pueden tener altas capacidades de puerta para superar cuando se trata de hacer alta velocidad. traspuesta. Esto significa que, incluso con los MOSFET de nivel lógico, es posible que deba volver a un diseño más complicado para obtener un circuito de controlador de compuerta push-pull/medio puente en H, o un IC de controlador de compuerta costoso y de alta corriente en para permitir la conmutación de alta velocidad del MOSFET de nivel lógico.

Este libro (ISBN-13: 978-0199339136) Microelectronic Circuits (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering) , 7.ª edición, de Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith, en "Apéndice G: COMPARACIÓN DEL MOSFET Y EL BJT " ( ver en línea aquí ), proporciona información adicional (énfasis añadido):

G.4 Combinación de MOS y transistores bipolares: circuitos BiCMOS

De la discusión anterior, debería ser evidente que el BJT tiene la ventaja sobre el MOSFET de una transconductancia (gm) mucho mayor al mismo valor de corriente de polarización de CC. Por lo tanto, además de obtener mayores ganancias de voltaje por etapa de amplificación, los amplificadores de transistores bipolares tienen un rendimiento de alta frecuencia superior en comparación con sus contrapartes MOS.

Por otro lado, la resistencia de entrada prácticamente infinita en la puerta de un MOSFET hace posible diseñar amplificadores con resistencias de entrada extremadamente altas y una corriente de polarización de entrada casi nula. Además, como se mencionó anteriormente, el MOSFET proporciona una excelente implementación de un interruptor, un hecho que ha hecho que la tecnología CMOS sea capaz de realizar una gran cantidad de funciones de circuitos analógicos que no son posibles con los transistores bipolares.

Por lo tanto, se puede ver que cada uno de los dos tipos de transistores tiene sus propias ventajas distintas y únicas: la tecnología bipolar ha sido extremadamente útil en el diseño de bloques de construcción de circuitos de propósito general de muy alta calidad, como los amplificadores operacionales. Por otro lado, CMOS, con su densidad de empaquetamiento muy alta y su idoneidad para circuitos tanto digitales como analógicos, se ha convertido en la tecnología de elección para la implementación de circuitos integrados a muy gran escala. No obstante, el rendimiento de los circuitos CMOS se puede mejorar si el diseñador tiene disponibles (en el mismo chip) transistores bipolares que se pueden emplear en funciones que requieren su alta gm y una excelente capacidad de conducción de corriente. Una tecnología que permite la fabricación de transistores bipolares de alta calidad en el mismo chip que los circuitos CMOS se llama acertadamente BiCMOS . En lugares apropiados a lo largo de este libro presentamos bloques de circuitos BiCMOS interesantes y útiles.

Esta respuesta repite esto: ¿Se usan los BJT en los circuitos integrados modernos en la misma medida que los MOSFET? .

En el "Apéndice G" del libro de texto citado anteriormente, también puede consultar el " Ejemplo G.3 ". En este ejemplo, muestran un transistor NPN BJT que alcanza una frecuencia de transiciónf_T de hasta 15,3 GHz con una corriente de colector I_Cde 1 mA. Esto contrasta con el transistor NMOS (MOSFET de canal N) que alcanza una frecuencia de transición de solo 9,7 GHz con una corriente de drenaje I_Dde 1 mA.

Estudio adicional y ayuda para el uso de transistores, ya sean BJT o MOSFET

1. [mi respuesta] ¿ Cambiar un solenoide usando la salida de 5V de Arduino? - aquí presento un tutorial completo y detallado sobre cómo leer una hoja de datos de un transistor NPN BJT, extraer los valores necesarios y calcular ganancias, corrientes y resistencias requeridas y otros componentes para impulsar un solenoide o relé u otra carga inductiva, incluso con diodo amortiguador necesario para eliminar los voltajes y corrientes de EMF nocivos y el "timbre".

Los BJT desperdician algo de corriente cada vez que se encienden, independientemente de si la carga está consumiendo algo. En un dispositivo alimentado por batería, usar un BJT para alimentar algo cuya carga es muy variable pero a menudo baja terminará desperdiciando mucha energía. Sin embargo, si se usa un BJT para alimentar algo con un consumo de corriente predecible (como un LED), este problema no es tan malo; uno puede simplemente configurar la corriente del emisor base para que sea una pequeña fracción de la corriente del LED.

Un buen MOSFET de canal N tendrá una muy baja$R_{ds(on)}$(resistencia equivalente a la fuente de drenaje) cuando se polariza correctamente, lo que significa que se comporta de manera muy similar a un interruptor real cuando se enciende. Encontrará que el voltaje a través del MOSFET cuando está encendido será más bajo que el$V_{ce(sat)}$(voltaje de saturación colector-emisor) de un BJT.

Un 2N2222 tiene$V_{ce(sat)}$desde$0.4V - 1V$dependiendo de la corriente de polarización.

Un MOSFET VN2222 tiene un máximo$R_{ds(on)}$de$1.25 \Omega$.

Puede ver que el VN2222 se disipará mucho menos a través de la fuente de drenaje.

Además, como se explicó anteriormente, el MOSFET es un dispositivo de transconductancia: el voltaje en la puerta permite que la corriente atraviese el dispositivo. Dado que la puerta es de alta impedancia a la fuente, no necesita una corriente de puerta constante para polarizar el dispositivo; solo necesita superar la capacitancia inherente para cargar la puerta y luego el consumo de la puerta se vuelve minúsculo.

Los BJT son más adecuados en algunas situaciones porque suelen ser más baratos. Puedo comprar TO92 BJT por 0.8p cada uno, pero los MOSFET no comienzan hasta 2p cada uno; puede que no parezca mucho, pero puede marcar una gran diferencia si se trata de un producto sensible al costo con muchos de estos.

Los dispositivos FET que casi no tienen corriente de entrada (corriente de puerta) son la mejor opción para los LED controlados por el microcontrolador, ya que el microcontrolador no necesita proporcionar mucha corriente a través de su dado, manteniéndose fresco (menos disipación de calor en el chip) mientras que la corriente del LED se conduce casi en su totalidad a través del canal FET externo. Sí, también es cierto que el Ron de los dispositivos FET típicos es muy bajo y mantiene una caída de voltaje baja en FET, lo que es ventajoso para aplicaciones de baja potencia.

Sin embargo, existe alguna desventaja en lo que respecta a la inmunidad al ruido en la puerta del MOSFET, lo que puede no ser el caso de los BJT. Cualquier potencial (ruido) aplicado en la puerta del MOSFET hará que el canal conduzca hasta cierto punto. No es muy (pero sigue siendo adecuado) usar el Mosfet para controlar las bobinas del relé con bajo Vt (umbral). En ese caso, si su microcontrolador está impulsando el FET, es posible que desee obtener un FET con un Vt (umbral) más alto.

Los MOSFET son más robustos para requisitos de alta corriente. Por ejemplo, un Mosfet clasificado de 15 A puede pasar 60 A (por ejemplo, IRL530) de corriente durante un período corto. El BJT de 15 A solo puede pasar pulsos de 20 A. Además, los Mosfets tienen una mejor unión térmica para la resistencia de la carcasa, incluso si tiene un troquel más pequeño.

Cuál es mejor depende de la aplicación. Aquí hay algunas consideraciones, pero de ninguna manera es exhaustiva.

Un MOSFET tampoco requiere una resistencia en serie con la puerta, pero generalmente SÍ requiere una resistencia desplegable para que la puerta no flote cuando se reinicia la MCU (¿verdad?). Entonces, no hay reducción en el número de piezas.

Bueno eso depende. Si está de acuerdo con que el LED se encienda durante unos ms cuando se inicia el micro, entonces puede omitir la resistencia a veces y ahorrar espacio/costo.

Otros factores...

• Para impulsar cargas inductivas, el diodo integrado en el cuerpo de un MOSFET le permite ahorrar en el número de piezas. Mientras que un BJT probablemente requeriría un diodo en paralelo.

• Muchos BJT de potencia que tienen tiempos de apagado muy largos (como varios de nosotros), por lo que ni siquiera podría cambiarlos rápidamente si lo intentara. Para la conmutación de alta velocidad, los MOSFET pueden ser mejores en ese caso.
  
  Si tuviera que ir a uno de los sitios web de los principales fabricantes (como Analog Devices) y mirar sus chips de controlador de convertidor CC-CC, casi todos usan MOSFET en lugar de BJT. Por lo general, no es práctico hacer un convertidor que ejecute BJT a varios cientos de kHz.

• Los BJT pueden tener menos disipación de energía en aplicaciones de alto voltaje.
  
  La fuente de drenaje en resistencia para un tamaño y tecnología MOSFET en particular es proporcional al voltaje de bloqueo. A voltajes bajos, los MOSFET pueden tener resistencias de fuente de drenaje incluso por debajo de 1 mOhm. Pero a voltajes más altos (como > 1000 V), la mayoría de los MOSFET tienen resistencias de fuente de drenaje de varios cientos de mOhms, si no de varios ohms.
  
  Para los transistores bipolares (e IGBT), VCE-sat generalmente comienza como una buena fracción de voltio, pero aumenta más lentamente que linealmente con la clasificación de voltaje (hasta cierto punto de todos modos).
  
  Si considera una corriente constante y observa partes similares con clasificaciones de voltaje cada vez más altas, llega un punto en el que la caída de voltaje en un MOSFET se vuelve mayor que la caída en un transistor bipolar. En esas aplicaciones de mayor voltaje, un BJT o IGBT puede ser más eficiente.

• Los BJT pueden tener menos disipación de energía para aplicaciones de alta corriente.
  
  El canal de fuente de drenaje en un MOSFET se comporta como una resistencia y la disipación de potencia aumenta como I^2 * R. Además, R aumenta con la temperatura, lo que hace que la disipación de potencia empeore aún más a medida que la pieza se calienta.
  
  Para un BJT, VCE-sat aumenta con el aumento de la corriente del colector, pero a menudo puede tener una pendiente bastante plana. Además, VCE-sat generalmente disminuye con la temperatura, por lo que a medida que la pieza se calienta, en realidad comienza a disipar menos energía.