Me gustaría saber cuáles son las razones para elegir un transistor de unión bipolar (BJT) versus un transistor de efecto de campo (FET) ( MOSFET o JFET ) para cambiar una carga de un microcontrolador. En nuestra situación hipotética, suponga que la carga requiere más corriente de la que puede proporcionar el microcontrolador, y la pregunta es qué consideraciones sesgarían a favor o en contra del BJT y el diseño de un interruptor FET, suponiendo que la "facilidad de uso" no sea una consideración.
Esta pregunta es una versión más específica de cuándo usar qué transistor .
Respuesta parcial - podría ser muy larga - puede agregar más más adelante:
Las opciones en este contexto suelen ser bipolares o MOSFET. Una vez que llegue a JFET, es posible que también desee pensar en SCR/TRIAC, IGBT, ... . Es posible que desee incluir bipolar-Darlington en la mezcla.
Corto: Va algo como -
Los pequeños bipolares de hasta 500 mA y 30 voltios de voltaje de carga son de bajo costo, pueden ser impulsados por 1 V de voltaje de accionamiento, necesitan corrientes de accionamiento que están disponibles en la mayoría de los procesadores y están ampliamente disponibles.
El disipador de calor cuando se ejecuta en modo de encendido/apagado generalmente no es necesario o es modesto (el cobre de PCB modesto suele ser suficiente) y los paquetes de tamaño SOT23 o TO92 suelen ser adecuados. Cuando se impulsan cargas lineales y la disipación aumenta, se requieren productos de VI más bajos y/o un mejor disipador de calor y/o paquetes más grandes.
Las frecuencias de 10 de kHz están disponibles con un solo controlador de resistencia, 100 de kHz con un controlador RC un poco más complejo y MHz bajo con más cuidado. Superior de nuevo obtiene especialista
La facilidad de uso en este rango suele ser tan buena o mejor que la de los MOSFET y el costo es menor.
Para corrientes de aproximadamente 500 mA a 10 de amperios a 10 a más de 100 voltios, un MOSFET suele ser más fácil de usar en general. Para CC o conmutación de baja frecuencia (por ejemplo, < 1 kHz), es posible un accionamiento de compuerta de CC directo a niveles de microcontrolador típicos con piezas seleccionadas.
A medida que las frecuencias aumentan, se requieren controladores algo más complejos para cargar y descargar la capacitancia de la puerta (normalmente alrededor de NF) en tiempos lo suficientemente cortos como para mantener las pérdidas de conmutación durante la transición lo suficientemente bajas como para ser aceptables. En el rango de 10 kHz - 100 kHz, los controladores simples de típicamente 2 o 3 BJT de gelatina son suficientes. (Entonces, necesita agregar 2 o 3 BJTS si usa un MOSFET). Los circuitos integrados de controladores especializados están disponibles, pero generalmente no son necesarios o no se justifican por su costo
Para voltajes más altos y/o frecuencias más altas, los bipolares comienzan a ganar nuevamente.
Existen bipolares especializados, como dispositivos de salida de línea de TV (¿qué es eso? :-)) que funcionan a alrededor de 1 kV con una Beta de alrededor de 3 (!!!). Como potencia base ~= Vdrive x Idrive y Vload >>> Vbase no importa demasiado que Ibas ~= Iload.
Un IGBT es un intento (generalmente exitoso) de correr con las liebres y cazar con los sabuesos: utiliza una etapa de entrada MOSFET para obtener una potencia de accionamiento baja y una etapa de salida bipolar para obtener un rendimiento de alto voltaje a alta frecuencia.
Los transistores Darlington (dos bipolares "en serie") (correctamente, probablemente, 'par Darlington') tienen Betas muy altos (más de 1000 en común) con la penalización de Vdrive = 2 x Vbe (en oposición a 1 x Vbe para un solo BJT) y Vsat > Vbe del transistor de salida y una renuencia pronunciada a apagarse si se satura con fuerza. Limitar la unidad base para detener la saturación ralentiza aún más Vast_minimum.
Mi antiguo pero útil regulador de conmutación favorito, el MC34063, incluye un controlador de salida increíblemente capaz que es un par Darlington. Puede ser útil, pero se debe evitar la saturación a su enorme [tm] ~ 100 kHz de velocidad máxima, por lo que la eficiencia se ve afectada con un suministro de V bajo cuando el Volt + de la saturación de salida resta valor significativamente al voltaje de accionamiento de la carga.
Un pequeño transistor darlington puede ser accionado desde, digamos, 1,5 V (más mejor) normalmente a <= 1 mA por amperio de carga. Si la saturación de salida es aceptable, pueden ser muy útiles.
Los útiles y populares circuitos integrados de controladores octales y hexadecimales ULN200x y ULN280x utilizan Darlington de colector abierto, con una clasificación de 500 mA por canal (no todos a la vez, idealmente). Hay una variedad de versiones de voltaje de entrada y algunas son adecuadas para el control directo del procesador sin siquiera una resistencia. El ULM2003 y el ULN2803 son los más conocidos pero no necesariamente los más útiles en aplicaciones de unidades de procesador.
Las consideraciones incluyen, entre otras, el nivel de potencia, el voltaje de accionamiento, el voltaje de carga, el nivel de accionamiento disponible, la velocidad de conmutación, la simplicidad requerida, el disipador de calor, la eficiencia, el volumen de fabricación y comercial/aficionado, costo, ....
A bajos niveles de potencia y voltajes modestos, digamos 10 de voltios y menos de 500 mA (y posiblemente hasta unos pocos amperios), los bipolares pequeños pueden ser una buena opción. La corriente de la unidad es de Icarga/Beta (Beta = ganancia de corriente) y una Beta de 100 a 250 a 500 mA está disponible con piezas de mejor rendimiento y 500+ con piezas especializadas. Por ejemplo, un BC337-400 (mi bebida favorita TO92 BJT) tiene Beta de 250-600 que tiene sqrt (250 x 600) ~~= 400, de ahí el nombre de la pieza. La Beta "garantizada" de 250 (consulte la hoja de datos) permite una carga de 250 mA por mA de unidad. Con una unidad de 2 mA, disponible en la mayoría de los procesadores, pero no en todos, puede obtener una corriente de carga de 500 mA, aunque una mayor cantidad de unidad no se perderá. Esto se puede lograr con voltajes de accionamiento de, digamos, 1 V o más, por lo que un procesador que se ejecuta en 3V3 o incluso 2V probablemente lo manejará bien. Los MOSFET con Vgsth (voltaje de umbral de puerta) lo suficientemente bajo pueden funcionar con estos voltajes de accionamiento, pero se vuelven más raros y más especializados por debajo de unos pocos voltios de accionamiento. El voltaje de accionamiento mínimo requerido suele ser de voltios o unos pocos por encima de Vgsth (consulte la hoja de datos en CADA caso).
El bipolar tiene caídas de tensión de estado (Vsat) que dependen de la corriente de carga, la corriente de accionamiento y el tipo de dispositivo específico. Un Vsat de unas pocas décimas de voltio a la corriente nominal sería muy bueno, 500 mV probablemente típico y más alto de ninguna manera desconocido. Un MOSFET tiene una resistencia Rdson en lugar de Vsat. Rdson depende del voltaje del variador, la corriente de carga y el dispositivo (al menos). Rdson aumenta con la temperatura y puede duplicar los valores de temperatura ambiente. Tenga el debido cuidado: las hojas de datos USUALMENTE hacen trampa y le dan a Rdson cargas pulsadas y, por ejemplo, un ciclo de trabajo del 1% y una frecuencia lo suficientemente baja como para permitir el enfriamiento de la matriz entre pulsos. Muy travieso. El doble del valor publicado como regla general cuando se usa 'con ira', aunque algunas partes logran, digamos, solo un aumento del 20% sobre la temperatura ambiente a la temperatura máxima; consulte la hoja de datos en cada caso.
Un bipolar con digamos 100 mV Vsat a 500 mA tiene una resistencia equivalente de R = V/I = 0,1/0,5 = 200 miliohmios. Los MOSFETS mejoran fácilmente esta cifra, siendo común un Rdson de, digamos, 50 miliohmios, menos de 5 miliohmios está razonablemente disponible y menos de 1 miliohmio está disponible para personas con necesidades especiales y billeteras más grandes.
Agregado: esta es una expansión larga y útil cuando la necesita en 2 puntos de la respuesta de Andy Aka.
@Andy alias en su respuesta hace dos puntos muy buenos que faltan en mi respuesta anterior. Me concentré más en cambiar y cargar aspectos de conducción.
Andy señala (no del todo con estas palabras) que:
(1) El voltaje entre la entrada y la salida en un "seguidor de fuente" MOSFET está menos definido y depende mucho más del dispositivo que con un BJT. Cuando se usa como un seguidor de emisor donde el voltaje de "referencia" se aplica a la base y el voltaje de salida se toma del emisor, un BJT deja caer "aproximadamente" 0,6 V CC desde la base al colector en una operación típica. Se pueden esperar voltajes tan bajos como aproximadamente 0,4 V y tan altos como 0,8 V en diseños extremos (corriente muy baja o muy alta). Un seguidor de fuente MOSFET con referencia en la compuerta y la salida de la fuente caerá al menos Vgsth de compuerta a fuente + cualquier voltaje de compuerta adicional que se necesite para soportar la corriente extraída, generalmente de 0,1 a 1 voltio más, pero podría ser de 2 V+ en carga alta o ejemplos de dispositivos de baja especificación. Vgsth depende del dispositivo y varía desde aproximadamente 0. 5V para decir 6V+ y normalmente es de 2 a 6V. Por lo tanto, la caída del seguidor de la fuente puede ser desde aproximadamente 0,5 V (raro) hasta 7 V+ (raro).
(2) Un transistor es un dispositivo de 1 cuadrante (por ejemplo, NPN = Puerta +ve, colector +ve, ambos con el emisor para encender PERO el lugar geométrico negativo "indefinido" del eje Y (base CERO, colector negativo, tiende a ser no conductor para un voltaje dependiente del dispositivo, pero "algunos voltios" es habitual. Un MOSFET con polarización inversa presenta un diodo de sustrato de diodo directo a través de los terminales de la fuente de drenaje cuando el MOSFET está apagado y una buena aproximación a un pequeño capacitor cuando el MOSFET está apagado pero con polarización directa. Entonces , una señal de CA de más de aproximadamente 0,8 V pico a pico se recorta cada vez más en los semiciclos de polarización inversa a medida que aumenta el voltaje. Este efecto se puede superar conectando dos MOSFET del mismo tipo en oposición en serie. Puertas conectadas como Vin, fuentes conectadas como punto medio flotante, drena como vin y vout en cualquier polaridad.Este arreglo lo convierte en un interruptor verdaderamente increíble y útil y también lleva a que aquellos que no se dan cuenta de que un MOSFET está encendido en los cuadrantes 1 y 3 (para un FET de canal N) se rasquen la cabeza. Cuadrante 1 = DS+, SG+. Cuadrante 3 = DS - SG+).
En aplicaciones de seguidor de emisor en circuitos lógicos de bajo voltaje, un BJT probablemente entregará los productos en el emisor, mientras que el circuito FET equivalente tendrá una variación significativamente mayor en el voltaje de la fuente de compuerta y esto conducirá a resultados menos consistentes.
Supongo que un ejemplo es aplicar un voltaje a un BJT para establecer el voltaje a través de una resistencia de emisor para que la corriente en la carga del colector sea "constante". Estoy tratando de pensar en un ejemplo práctico decente, pero no se me ocurre nada. ¡Está bien, sí, controlando el punto de polarización de un diodo láser!
En general, creo que cualquier cosa que requiera una configuración de tipo seguidor de voltaje se adapta mejor a un BJT, especialmente si los suministros lógicos son bastante bajos, es decir, 3V3 o menos.
Tal vez también, si una señal de CA (como la de un amplificador de micrófono) necesita silenciarse mediante el uso de un transistor de abrazadera, un bipolar puede "sufrir" un par de voltios de polarización inversa de la CA en el colector (cuando no está silenciado) mientras que un FET probablemente recortaría un poco la señal no silenciada en medio ciclo.
Sin embargo, los JFET serían mejores en esta aplicación.
Encontré este artículo que explica los pros y los contras de BJT y MOSFET para usar con microcontroladores.
leon heller
angelagrande
Transeúnte
yippie