BJTs (MOS) FET, aby przełączyć obciążenie z mikrokontrolera

Chciałbym wiedzieć, jakie są powody wyboru tranzystora bipolarnego (BJT) w porównaniu do tranzystora polowego (FET) ( MOSFET lub JFET ) do przełączenia obciążenia z mikrokontrolera. W naszej hipotetycznej sytuacji, załóżmy, że obciążenie wymaga więcej prądu, niż może zapewnić mikrokontroler, a pytanie brzmi, jakie względy mogłyby wpłynąć na korzyść lub na BJT i ​​konstrukcję przełącznika FET, zakładając, że „łatwość użytkowania” nie jest brana pod uwagę.

To pytanie jest bardziej konkretną wersją tego, kiedy użyć pytania tranzystorowego .

Częściowa odpowiedź - może trwać bardzo długo - może dodać więcej później:

Wybory w tym kontekście są zwykle dwubiegunowe lub MOSFET. Po przejściu do JFET możesz również pomyśleć o SCR / TRIAC, IGBT, .... Możesz wrzucić bipolar-Darlington do miksu.

Krótko: idzie coś w stylu -

• Małe dwubiegunowe do 500 mA i napięcie obciążenia 30 woltów są tanie, mogą być napędzane wzrostem napięcia sterującego o 1V, potrzebują prądów sterujących, które są dostępne z większości procesorów i są powszechnie dostępne.

  • Radiator podczas pracy w trybie włączania / wyłączania zwykle nie jest wymagany lub jest skromny (zwykle wystarcza skromna ilość miedzi na płytce drukowanej), a pakiety wielkości SOT23 lub TO92 są zwykle wystarczające. Gdy obciążenia liniowe są napędzane, a rozpraszanie wzrasta, wymagane są niższe produkty VI i / lub lepsze chłodzenie i / lub większe opakowania.

  • Częstotliwości 10 kHz są dostępne z pojedynczym napędem rezystorowym, 100 kHz z nieco bardziej złożonym napędem RC i niskimi MHz z większą ostrożnością. Wyższy ponownie staje się specjalistą

  • Łatwość użycia w tym zakresie jest zwykle tak dobra lub lepsza niż MOSFETY, a koszt jest niższy.

• Dla prądów od około 500 mA do 10 amperów przy 10 do 100+ V MOSFET jest często łatwiejszy w użyciu. W przypadku przełączania prądu stałego lub niskiej częstotliwości (powiedzmy <1 kHz) możliwy jest bezpośredni napęd bramki prądu stałego przy typowych poziomach mikrokontrolera z wybranymi częściami.
  W miarę wzrostu częstotliwości konieczne są bardziej złożone sterowniki do ładowania i rozładowywania pojemności bramki (zwykle około NF) w czasach, które są wystarczająco krótkie, aby utrzymać straty przełączania podczas przejścia wystarczająco niskie, aby były do ​​przyjęcia. W zakresie 10 kHz - 100 kHz wystarczą proste sterowniki typowo 2 lub 3 żelowych BJT. (W takim razie potrzebujesz 2 lub 3 BJTS dodanych, jeśli używasz MOSFET). Specjalistyczne układy scalone sterowników są dostępne, ale zwykle nie są konieczne lub uzasadnione kosztami

• W przypadku wyższych napięć i / lub wyższych częstotliwości dwubiegunowe znów zaczynają wygrywać.
  Istnieją wyspecjalizowane dwubiegunowe urządzenia, takie jak wyjściowe urządzenia TV (co to jest? :-)), które działają przy około 1 kV z Beta około 3 (!!!). Ponieważ podstawowa moc ~ = Vdrive x Idrive i Vload >>> Vbase nie ma większego znaczenia, że ​​Ibas ~ = Iload.

• IGBT to próba (zwykle udana) biegania z zajęcami i polowania z psami - wykorzystuje stopień wejściowy MOSFET, aby uzyskać niską moc napędu, i dwubiegunowy stopień wyjściowy, aby uzyskać wysokie napięcie przy wysokiej częstotliwości.

• Tranzystory Darlington (dwa dwubiegunowe „szeregowo”) (właściwie prawdopodobnie „para Darlingtona”) mają bardzo wysokie wartości Betas (1000+ wspólnych) z karą Vdrive = 2 x Vbe (w przeciwieństwie do 1 x Vbe dla pojedynczego BJT) i Vsat> Vbe tranzystora wyjściowego i wyraźna niechęć do wyłączania, jeśli doprowadzi się do nasycenia. Ograniczenie napędu podstawowego, aby zatrzymać spowolnienie nasycenia, jeszcze bardziej zwiększa Vast_minimum.

  • Mój ulubiony czas Olde, ale użyteczny regulator przełączania MC34063 zawiera niesamowicie sprawny sterownik wyjściowy, którym jest para Darlington. Może to być użyteczne, ale należy unikać nasycenia przy jego ogromnej prędkości [tm] ~ 100 kHz, więc wydajność spada przy niskim napięciu V, gdy Volt + nasycenie wyjściowe znacznie szkodzi napięciu napędu obciążenia.

  • Mały tranzystor Darlingtona może być zasilany z powiedzmy 1,5 V (lepiej) przy zwykle <= 1 mA na Amp obciążenia. Jeśli nasycenie wyjściowe jest dopuszczalne, mogą być bardzo przydatne.

  • Przydatne i popularne układy szesnastkowe i ósemkowe ULN200x i ULN280x wykorzystują darlingtony z otwartym kolektorem o wartości znamionowej 500 mA na kanał (najlepiej nie od razu). Istnieje szereg wersji napięcia wejściowego, a niektóre nadają się do bezpośredniego napędu procesora bez rezystora. ULM2003 i ULN2803 są najlepiej znanymi, ale niekoniecznie najbardziej użytecznymi aplikacjami do obsługi procesorów.

Rozważania obejmują między innymi poziom mocy, napięcie napędu, napięcie obciążenia, dostępny poziom napędu, prędkość przełączania, wymaganą prostotę, radiator, wydajność, wielkość produkcji i komercję / hobbystę, koszty, ...

Przy niskich poziomach mocy i umiarkowanych napięciach - powiedzmy 10 woltów i poniżej 500 mA (i ewentualnie do kilku amperów) małe dwubiegunowe mogą być dobrym wyborem. Prąd napędowy wynosi około Iload / Beta (Beta = wzmocnienie prądu), a Beta 0f 100 do 250 przy 500 mA jest dostępny z częściami o lepszej wydajności i 500+ ze specjalistycznymi. Np. BC337-400 (moja ulubiona końcówka TO92 BJT) ma Beta 250-600, który ma sqrt (250 x 600) ~~ = 400 stąd nazwa części. „Gwarantowana” Beta 250 (sprawdź kartę danych) pozwala na obciążenie 250 mA na mA napędu. Dzięki napędowi 2 mA - dostępnemu w większości, ale nie we wszystkich procesorach - można uzyskać prąd obciążenia 500 mA, chociaż więcej napędów nie zepsuje się. Można to osiągnąć przy napięciach napędowych, powiedzmy 1V lub więcej, więc procesor działający na 3V3 lub nawet 2V prawdopodobnie poradzi sobie z tym OK. Tranzystory MOSFET o wystarczająco niskim Vgsth (napięcie progowe bramki) mogą pracować przy tych napięciach napędowych, ale stają się rzadsze i bardziej wyspecjalizowane poniżej napędu kilku woltów. Wymagane minimalne napięcie napędu wynosi zwykle wolt lub kilka powyżej Vgsth (patrz KAŻDY przypadek w karcie katalogowej).

Bipolar ma spadki napięcia w stanie (Vsat) zależne od prądu obciążenia, prądu napędu i określonego typu urządzenia. Vsat kilku dziesiątych wolta przy prądzie znamionowym byłby bardzo dobry, 500 mV prawdopodobnie typowy i wyższy w żadnym wypadku nie jest nieznany. MOSFET ma rezystancję Rdsona zamiast Vsata. Rdson zależy od napięcia napędu, prądu obciążenia i urządzenia (przynajmniej). Rdson rośnie wraz z temperaturą i może podwoić się w stosunku do wartości temperatury otoczenia. Zachowaj należytą ostrożność - karty danych ZWYKLE oszukują i dają Rdsonowi impulsowe obciążenia i mówią 1% cykl pracy i wystarczająco niską częstotliwość, aby umożliwić chłodzenie matrycy między impulsami. Bardzo niegrzeczny. Podwójna opublikowana wartość jako ogólna zasada, gdy używana jest „w gniewie”, chociaż niektóre części potrafią powiedzieć, że tylko 20% wzrost w stosunku do temperatury otoczenia do maksymalnej - patrz karta danych w każdym przypadku.

Dwubiegunowy o powiedzmy 100 mV Vsat przy 500 mA ma rezystancję równoważną R = V / I = 0,1 / 0,5 = 200 miliomów. MOSFETS bardzo łatwo poprawia tę wartość, przy czym Rdson, powiedzmy, 50 miliomów jest powszechny, mniej niż 5 miliomów jest rozsądnie dostępny, a mniej niż 1 miliomów jest dostępny dla osób o specjalnych potrzebach i większych portfelach.

Dodano: Jest to bardzo skomplikowane i przydatne, gdy potrzebujesz rozszerzenia o 2 punkty z odpowiedzi Andy'ego Aki.

@Andy aka w swojej odpowiedzi podaje dwa bardzo dobre punkty, których brakuje w mojej odpowiedzi powyżej. Skoncentrowałem się bardziej na aspektach przełączania i jazdy z obciążeniem.

Andy zwraca uwagę (nie całkiem tymi słowami), że:

(1) Napięcie między wejściem a wyjściem na „urządzeniu śledzącym źródło” MOSFET jest mniej określone i znacznie bardziej zależne od urządzenia niż w przypadku BJT. W przypadku zastosowania jako popychacza emitera, w którym napięcie „referencyjne” jest przykładane do bazy, a napięcie wyjściowe pobierane z emitera, BJT zrzuca „około” 0,6 V dc z bazy do kolektora w typowej pracy. Napięcia już od około 0,4 V i tak wysokie, jak powiedzmy 0,8 V, można oczekiwać w ekstremalnych konstrukcjach (bardzo niski prąd lub bardzo wysoki). Popychacz źródła MOSFET z odniesieniem do bramki i wyjście ze źródła spadnie co najmniej Vgsth z bramki do źródła + jakiekolwiek dodatkowe napięcie bramki potrzebne do podtrzymania pobieranego prądu - zwykle 0,1 do 1 wolta więcej, ale może być 2 V + przy dużym obciążeniu lub przykłady urządzeń o niskiej specyfikacji. Vgsth zależy od urządzenia i waha się od około 0. 5 V, powiedzmy 6 V + i zwykle wynosi 2 do 6 V. Tak więc spadek obserwatora źródła może wynosić od około 0,5 V (rzadko) do 7 V + (rzadko).

(2) Tranzystor jest urządzeniem 1-kwadrantowym (np. NPN = bramka + ve, kolektor + ve, oba emitują wrt do włączenia, ALE „niezdefiniowane” umiejscowienie ujemnej osi Y (podstawa ZERO, kolektor ujemny, zwykle nie przewodzi napięcie zależne od urządzenia, ale „niektóre wolty” są zwykle stosowane. MOSFET z odwróconym napięciem przedstawia diodę podłoża skierowaną do przodu przez zaciski źródła drenażu, gdy MOSFET jest wyłączony, i dobre przybliżenie do małego kondensatora, gdy MOSFET jest wyłączony, ale z przesunięciem do przodu. , sygnał szczytowy o wartości szczytowej powyżej około 0,8 V jest coraz częściej przycinany w półcyklach z odwróconym napięciem wyjściowym w miarę wzrostu napięcia. Efekt ten można przezwyciężyć, łącząc dwa MOSFETY tego samego typu w szeregach przeciwnych. Bramy połączone jak Vin, połączone źródła jako zmiennoprzecinkowy punkt środkowy, drenuje jako vin i vout dowolną polaryzację.Taki układ zapewnia naprawdę niesamowity i użyteczny przełącznik, a także prowadzi do drapania głowy od tych, którzy nie zdają sobie sprawy, że MOSFET jest włączony w ćwiartkach 1 i 3 (dla kanału FET N Channel Kwadrant 1 = DS +, SG +. Kwadrant 3 = DS - SG +).

W aplikacjach śledzących emiter w obwodach logicznych niskiego napięcia BJT prawdopodobnie dostarczy towary na emiter, podczas gdy równoważny obwód FET będzie miał znacznie większą zmienność napięcia źródło-bramka, co doprowadzi do mniej spójnych wyników.

Myślę, że przykładem jest przykładanie napięcia do BJT w celu ustawienia napięcia na rezystorze emitera, tak aby prąd w obciążeniu kolektora był „stały”. Próbuję wymyślić przyzwoity praktyczny przykład, ale nic nie przychodzi mi do głowy - OK, tak, kontrolując punkt polaryzacji diody laserowej !!

Uogólniając, myślę, że wszystko, co wymaga konfiguracji typu popychacza napięcia, lepiej nadaje się do BJT, szczególnie jeśli zasilanie logiczne jest dość niskie, tj. 3 V3 lub mniej.

Być może również, jeśli sygnał prądu przemiennego (np. Z wzmacniacza mikrofonowego) wymaga wyciszenia za pomocą tranzystora klamrowego, bipolar może „cierpieć” kilka woltów odchylenia zwrotnego od prądu przemiennego na kolektorze (gdy nie jest wyciszony), podczas gdy FET najprawdopodobniej zatrzymałby nieco wyciszony sygnał w połowie cyklu.

JFET byłyby jednak lepsze w tej aplikacji.

Znalazłem ten artykuł, który wyjaśnia zalety i wady BJT i ​​MOSFETów do użytku z mikrokontrolerami.

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