BJT contre (MOS) FET pour commuter une charge à partir d'un microcontrôleur

Je voudrais savoir quelles sont les raisons de choisir un transistor à jonction bipolaire (BJT) par rapport à un transistor à effet de champ (FET) ( MOSFET ou JFET ) pour commuter une charge à partir d'un microcontrôleur. Dans notre situation hypothétique, supposons que la charge nécessite plus de courant que ce que le microcontrôleur peut fournir, et la question est de savoir quelles considérations fausseraient en faveur ou contre le BJT et une conception de commutateur FET, en supposant que la "facilité d'utilisation" n'est pas une considération.

Cette question est une version plus spécifique de la question de savoir quand utiliser quel transistor .

Réponse partielle - pourrait devenir très longue - peut ajouter plus tard:

Dans ce contexte, les choix sont généralement bipolaires ou MOSFET. Une fois arrivé à JFET, vous pouvez également penser à SCR / TRIAC, IGBT, .... Vous voudrez peut-être jeter bipolaire-Darlington dans le mélange.

Court: Va quelque chose comme -

• Les petits bipolaires jusqu'à une tension de charge de 500 mA et 30 Volts sont peu coûteux, peuvent être entraînés par une tension de commande de 1 V, nécessitent des courants de commande disponibles dans la plupart des processeurs et sont largement disponibles.

  • Un dissipateur thermique lorsqu'il est exécuté en mode marche / arrêt n'est généralement pas requis ou est modeste (un cuivre PCB modeste suffit généralement) et les boîtiers de taille SOT23 ou TO92 sont généralement adéquats. Lorsque des charges linéaires sont entraînées et que la dissipation augmente, des produits à VI plus faibles et / ou de meilleurs dissipateurs thermiques et / ou des boîtiers plus grands sont nécessaires.

  • Des fréquences de 10 kHz sont disponibles avec un seul variateur de résistance, des centaines de kHz avec un variateur RC légèrement plus complexe et des MHz bas avec plus de soin. Plus haut devient spécialiste

  • La facilité d'utilisation dans cette gamme est généralement aussi bonne ou meilleure que les MOSFETS et le coût est inférieur.

• Pour des courants d'environ 500 mA à 10 ampères à 10 à 100+ volts, un MOSFET est souvent plus facile à utiliser dans l'ensemble. Pour la commutation CC ou basse fréquence (disons <1 kHz), une commande directe de grille CC à des niveaux de microcontrôleur typiques est possible avec des pièces sélectionnées.
  Au fur et à mesure que les fréquences augmentent, des pilotes plus complexes sont nécessaires pour charger et décharger la capacité de la grille (généralement autour de NF) dans des délais suffisamment courts pour maintenir les pertes de commutation pendant la transition suffisamment faibles pour être acceptables. Dans la gamme 10 kHz - 100 kHz, de simples pilotes de 2 ou 3 BJT Jellybean suffisent. (Vous devez donc ajouter 2 ou 3 BJTS si vous utilisez un MOSFET). Des circuits intégrés de pilotes spécialisés sont disponibles mais ne sont généralement pas nécessaires ni justifiés par les coûts

• Pour des tensions et / ou des fréquences plus élevées, les bipolaires recommencent à gagner.
  Il existe des bipolaires spécialisés tels que des périphériques de sortie de ligne TV (qu'est-ce que c'est? :-)) qui fonctionnent à environ 1 kV avec une Beta d'environ 3 (!!!). Comme la puissance de base ~ = Vdrive x Idrive et Vload >>> Vbase, peu importe qu'Ibas ~ = Iload.

• Un IGBT est une tentative (généralement réussie) de courir avec les lièvres et de chasser avec les chiens - il utilise un étage d'entrée MOSFET pour obtenir une faible puissance d'entraînement et un étage de sortie bipolaire pour obtenir une haute tension à haute fréquence.

• Les transistors Darlington (deux bipolaires "en série") (correctement, probablement, "paire Darlington") ont des Betas très élevés (1000+ communs) avec la pénalité de Vdrive = 2 x Vbe (par opposition à 1 x Vbe pour un seul BJT) et Vsat> Vbe du transistor de sortie et une réticence prononcée à s'éteindre s'il est fortement sollicité en saturation. Limiter le lecteur de base pour arrêter le ralentissement de la saturation augmente encore Vast_minimum.

  • Mon régulateur Olde Time préféré mais utile, le MC34063 comprend un pilote de sortie incroyablement capable qui est une paire Darlington. Cela peut être utile, mais la saturation doit être évitée à sa vitesse maximale [tm] ~ 100 kHz, donc l'efficacité souffre à faible Vsupply lorsque le Volt + de saturation de sortie diminue considérablement la tension de commande de la charge.

  • Un petit transistor Darlington peut être commandé à partir de 1,5 V (mieux) à généralement <= 1 mA par ampère de charge. Si la saturation de sortie est acceptable, elle peut être très utile.

  • Les circuits intégrés pilotes et octaux utiles et populaires ULN200x et ULN280x utilisent des darlingtons à collecteur ouvert, avec une intensité nominale de 500 mA par canal (pas tous en même temps, idéalement). Il existe une gamme de versions de tension d'entrée et certaines conviennent pour un entraînement direct du processeur sans même une résistance. Les ULM2003 et ULN2803 sont les plus connus mais pas nécessairement les plus utiles dans les applications de lecteur de processeur.

Les considérations incluent, mais ne sont certainement pas limitées au niveau de puissance, à la tension du variateur, à la tension de charge, au niveau du variateur disponible, à la vitesse de commutation, à la simplicité requise, au dissipateur thermique, à l'efficacité, au volume de fabrication et au commercial / amateur, au coût, ....

À de faibles niveaux de puissance et à des tensions modestes - disons 10 volts et moins de 500 mA (et peut-être jusqu'à quelques ampères), les petites bipolaires peuvent être un bon choix. Le courant d'attaque est d'environ Iload / Beta (Beta = gain de courant) et un Beta 0f 100 à 250 à 500 mA est disponible avec de meilleures pièces de performance et 500+ avec des pièces spécialisées. Par exemple, BC337-400 (mon tipple TO92 BJT préféré) a une bêta de 250-600 qui a sqrt (250 x 600) ~~ = 400 d'où le nom de la pièce. La bêta "garantie" de 250 (vérifiez la fiche technique) permet une charge de 250 mA par mA de variateur. Avec un variateur de 2 mA - disponible sur la plupart des processeurs, mais pas sur tous - vous pouvez obtenir un courant de charge de 500 mA, bien que davantage de variateurs ne s'égarent pas. Ceci est réalisable avec des tensions de commande de disons 1V ou plus, donc un processeur fonctionnant sur 3V3 ou même 2V le gérera probablement OK. Les MOSFET avec suffisamment de Vgsth (tension de seuil de grille) peuvent fonctionner à ces tensions de commande, mais ils deviennent plus rares et plus spécialisés en deçà de quelques volts. La tension minimale requise pour le variateur est généralement de quelques volts ou plus que Vgsth (voir la fiche technique dans CHAQUE cas).

Les baisses de tension à l'état bipolaire (Vsat) dépendent du courant de charge, du courant du variateur et du type d'appareil spécifique. Un Vsat de quelques dixièmes de Volt au courant nominal serait très bon, 500 mV probablement typique et plus élevé en aucun cas inconnu. Un MOSFET a une résistance On Rdson plutôt que Vsat. Rdson dépend de la tension du variateur, du courant de charge et de l'appareil (au moins). Rdson augmente avec la température et peut doubler par rapport aux valeurs de température ambiante. Faites attention - les fiches techniques trichent généralement et donnent Rdson avec des charges pulsées et disent un cycle de service de 1% et une fréquence suffisamment basse pour permettre le refroidissement de la puce entre les impulsions. Très méchant. Double valeur publiée en règle générale lorsqu'elle est utilisée `` en colère '', bien que certaines parties parviennent à dire que seulement 20% d'augmentation par rapport à la température ambiante à la température maximale - voir la fiche technique dans chaque cas.

Un bipolaire avec disons 100 mV Vsat à 500 mA a une résistance équivalente de R = V / I = 0,1 / 0,5 = 200 milliOhms. Ce chiffre est très facilement amélioré par les MOSFETS, avec Rdson d'environ 50 milliOhms étant commun, moins de 5 milliOhms étant raisonnablement disponible et moins de 1 milliOhm étant disponible pour les personnes ayant des besoins spéciaux et des portefeuilles plus gros.

Ajouté: C'est une longue haleine et utile lorsque vous en avez besoin d'une extension sur 2 points de la réponse d'Andy Aka.

@Andy aka dans sa réponse fait deux très bons points qui manquent à ma réponse ci-dessus. Je me suis concentré davantage sur les aspects de commutation et de conduite de charge.

Andy souligne (pas tout à fait dans ces mots) que:

(1) La tension entre l'entrée et la sortie sur un "suiveur de source" MOSFET est moins définie et dépend beaucoup plus de l'appareil qu'avec un BJT. Lorsqu'il est utilisé comme émetteur suiveur où la tension "de référence" est appliquée à la base et à la tension de sortie prise par l'émetteur, un BJT chute "environ" 0,6 V cc de la base au collecteur en fonctionnement typique. Des tensions aussi faibles que 0,4 V environ et aussi élevées que 0,8 V peuvent être attendues dans des conceptions extrêmes (courant très faible ou très élevé). Un suiveur de source MOSFET avec référence sur la porte et la sortie de la source chutera au moins Vgsth de la porte à la source + quelle que soit la tension de porte supplémentaire nécessaire pour prendre en charge le courant consommé - généralement 0,1 à 1 volt de plus, mais pourrait être de 2 V + en charge élevée ou exemples d'appareils de faible spécification. Vgsth dépend du périphérique et varie d'environ 0. 5V pour dire 6V + et est généralement de 2 à 6V. Ainsi, la chute du suiveur source peut être comprise entre environ 0,5 V (rare) et 7 V + (rare).

(2) Un transistor est un appareil à 1 quadrant (par exemple NPN = Gate + ve, collector + ve, les deux émetteurs wrt pour allumer MAIS le locus négatif "indéfini" de l'axe Y (base ZERO, collector negative, a tendance à être non conducteur pour une tension dépendante de l'appareil mais "quelques volts" est habituelle. Un MOSFET polarisé en inverse présente une diode de substrat de diode directe aux bornes de la source de drain lorsque le MOSFET est éteint et une bonne approximation à un petit condensateur lorsque le MOSFET est éteint mais polarisé en direct. Donc , un signal AC supérieur à environ 0,8 V crête-crête est de plus en plus écrêté sur les demi-cycles de polarisation inverse à mesure que la tension augmente. Cet effet peut être surmonté en connectant deux MOSFETS du même type en opposition série. Portes connectées en tant que Vin, sources connectées comme point milieu flottant, draine comme vin et vout soit la polarité.Cet arrangement fait un commutateur vraiment génial et utile et conduit également à quelques grattements de tête de ceux qui ne réalisent pas qu'un MOSFET est activé dans les quadrants 1 et 3 (pour un FET à canal N Quadrant 1 = DS +, SG +. Quadrant 3 = DS - SG +).

Dans les applications d'émetteur suiveur sur les circuits logiques basse tension, un BJT va probablement livrer la marchandise à l'émetteur tandis que le circuit FET équivalent aura une variation beaucoup plus importante de la tension grille-source et cela conduira à des résultats moins cohérents.

Je suppose qu'un exemple applique une tension à un BJT pour régler la tension aux bornes d'une résistance d'émetteur de sorte que le courant dans la charge du collecteur soit "constant". J'essaie de penser à un exemple pratique décent, mais rien ne me vient à l'esprit - OK, oui, contrôler le point de polarisation d'une diode laser !!

En général, je pense que tout ce qui nécessite une configuration de type suiveur de tension est mieux adapté à un BJT surtout si les alimentations logiques sont assez faibles c'est à dire 3V3 ou moins.

Peut-être aussi, si un signal AC (comme provenant d'un amplificateur de microphone) doit être mis en sourdine en utilisant un transistor à pince, un bipolaire peut "souffrir" de quelques volts de polarisation inverse de l'AC sur le collecteur (lorsqu'il ne mute pas) alors qu'un FET serait probablement couper un peu le signal non muet sur un demi-cycle.

Les JFET seraient mieux dans cette application.

J'ai trouvé cet article qui explique les avantages et les inconvénients des BJT et des MOSFET à utiliser avec les microcontrôleurs.

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