マイクロコントローラーからの負荷を切り替えるためのBJT対(MOS)FET


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マイクロコントローラから負荷を切り替えるために、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)と電界効果トランジスタ(FET)(MOSFETまたはJFET)を選択する理由は何ですか?私たちの仮定の状況では、負荷にはマイクロコントローラーが提供できるよりも多くの電流が必要であると仮定します。問題は、「使いやすさ」が考慮されていないと仮定して、BJTとFETスイッチの設計に有利または不利になるバイアスの考慮事項です。

この質問は、トランジスタの質問をいつ使用するかをより具体 化したものです。



@LeonHellerありがとうございました。私が尋ねようとしていたのは、その質問から、MOSFETスイッチの方が一般により適切であるという仮定を差し引いたものです。
angelatlarge 2013

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@LeonHeller重複しているかもしれませんが、ここで与えられる答えははるかに重要です。たくさん。
通行人2013

そして、なぜ私たちはIGBTのBJTステージがとても好きで、そのための特別なトランジスタがあるのですか?
ジッピー2013

回答:


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部分的な答え-非常に長くなる可能性があります-後でさらに追加する可能性があります:

このコンテキストでの選択は通常、バイポーラまたはMOSFETです。JFETに到達したら、SCR / TRIAC、IGBTなどについて考えることもできます。バイポーラダーリントンを投入することもできます。

ショート:次のようになります-

  • 最大500 mAの小型バイポーラと30ボルトの負荷電圧は低コストで、1 V以上の駆動電圧で駆動でき、ほとんどのプロセッサから利用可能で広く利用可能な駆動電流が必要です。

    • 通常、スイッチングオン/オフモードで実行する場合のヒートシンクは不要であるか、適度であり(通常、PCBの銅は適度です)、SOT23またはTO92サイズのパッケージで十分です。線形負荷が駆動され、消費電力が増加する場合、より低いVI製品および/またはより良いヒートシンクおよび/またはより大きなパッケージが必要です。

    • 単一の抵抗ドライブで数十kHzの周波数、わずかに複雑なRCドライブで数百kHzの周波数、そして注意深く低MHzを使用できます。再び専門家を取得します

    • この範囲での使いやすさは通常MOSFETと同等かそれ以上であり、コストは低くなります。

  • 電流が約500 mAから数十アンペアで数十から100+ボルトの場合、MOSFETは全体的に使いやすいことがよくあります。DCまたは低周波数スイッチング(たとえば、<1 kHz)の場合、一部の部品を使用して、典型的なマイクロコントローラーレベルで直接DCゲートドライブを行うことができます。
    周波数が高くなるにつれて、遷移中のスイッチング損失を許容できるほど低く保つのに十分短い時間にゲート容量(通常はNF付近)を充電および放電するために、より複雑なドライバーが必要になります。10 kHz〜100 kHzの範囲では、通常2つまたは3つのジェリービーンBJTの単純なドライバーで十分です。(MOSFETを使用する場合は、2つまたは3つのBJTSを追加する必要があります)。専門のドライバICを利用できますが、通常は必要ありません。

  • より高い電圧および/またはより高い周波数では、バイポーラが再び勝ち始めます。
    TVライン出力デバイス(これは何ですか?:-)など)の専門的なバイポーラがあり、ベータが約3(!!!)で約1 kVで動作します。ベース電源〜= Vdrive x IdriveおよびVload >>> Vbaseであるため、Ibas〜= Iloadであることは問題になりません。

  • IGBTは、野ウサギと一緒に走り、猟犬と狩りをする試み(通常は成功)です。これは、MOSFET入力段を使用して低駆動電力を取得し、バイポーラ出力段を使用して高周波性能で高電圧を取得します。

  • ダーリントントランジスタ(「直列」の2つのバイポーラ)(正しくは、おそらく「ダーリントンペア」)のベータは非常に高く(1000+共通)、Vdrive = 2 x Vbeのペナルティ(単一のBJTの1 x Vbeとは対照的)そして、出力トランジスタのVsat> Vbeと、飽和状態に強く駆動された場合にオフになることへの明確な抵抗。ベースドライブを制限して飽和速度を低下させると、Vast_minimumがさらに増加し​​ます。

    • 私のお気に入りの昔ながらの便利なスイッチングレギュレータMC34063には、ダーリントンペアである驚くほど優れた出力ドライバーが含まれています。これは便利ですが、最大[tm]〜100 kHzのフルスピードでは飽和を回避する必要があるため、出力飽和のVolt +が負荷駆動電圧を大幅に低下させると、低Vsupplyで効率が低下します。

    • 小さなダーリントントランジスタは、負荷のアンペアあたり通常1 mA以下で、たとえば1.5V(より良い)から駆動できます。出力の飽和が許容できる場合、それらは非常に役立ちます。

    • 有用で人気のあるULN200xおよびULN280xの16進および8進ドライバーICは、オープンコレクタダーリントンを使用し、チャネル定格は500 mA(一度にすべてではないが理想的)です。入力電圧にはさまざまなバージョンがあり、一部は抵抗器なしでも直接プロセッサ駆動に適しています。ULM2003とULN2803は最もよく知られていますが、必ずしもプロセッサドライブアプリケーションで最も有用であるとは限りません。


考慮事項には、電力レベル、駆動電圧、負荷電圧、使用可能な駆動レベル、スイッチング速度、必要なシンプルさ、ヒートシンク、効率、製造量および商業/趣味、コストなどが含まれますが、これらに限定されません。

低電力レベルで適度な電圧-数十ボルトで500 mA未満(場合によっては数アンペアまで)の場合、小さなバイポーラが適切な選択になる場合があります。駆動電流は約Iload / Beta(ベータ=電流ゲイン)であり、500 mAでのベータ0f 100〜250は、より高性能な部品と500以上の専門部品で利用できます。たとえばBC337-400(私のお気に入りのTO92 BJTチップル)のベータは250-600で、sqrt(250 x 600)~~ = 400があるため、パーツ名になります。250の「保証された」ベータ(データシートを確認してください)では、ドライブのmAあたり250 mAのIloadが可能です。2 mAドライブ-ほとんどのプロセッサーではなく、ほとんどのプロセッサーで利用可能-は、500 mAの負荷電流を得ることができますが、より多くのドライブが失われることはありません。これは、たとえば1V以上の駆動電圧で達成できるため、3V3または2Vで実行されているプロセッサでもおそらく問題なく管理できます。Vgsth(ゲートしきい値電圧)が十分に低いMOSFETは、これらの駆動電圧で動作できますが、数ボルトの駆動では、まれになり、より専門的になります。必要な最小駆動電圧は、通常ボルトまたはVgsthを少し超えています(すべての場合のデータシートを参照)。

バイポーラには、負荷電流、駆動電流、および特定のデバイスタイプに応じてオン状態の電圧降下(Vsat)があります。定格電流で数十分の1ボルトのVsatは非常に良好であり、500 mVはおそらく標準的であり、決して不明ではありません。MOSFETには、Vsatではなくオン抵抗Rdsonがあります。Rdsonは、駆動電圧、負荷電流、およびデバイス(少なくとも)に依存します。Rdsonは温度とともに増加し、周囲温度値の2倍になる場合があります。十分に注意してください-データシートは通常、チートし、Rdsonにパルス負荷を与え、1%のデューティサイクルと、パルス間のダイの冷却を可能にする十分に低い周波数を示します。非常にいたずらな。「怒って」使用した場合の経験則として公表された値を2倍にしますが、一部の部品では、周囲温度から最高温度まで20%しか増加しないと管理しています。各ケースのデータシートを参照してください。

たとえば500 mAで100 mV Vsatのバイポーラの等価抵抗は、R = V / I = 0.1 / 0.5 = 200ミリオームです。Tjisの数値はMOSFETによって非常に簡単に改善されます。Rdsonは50ミリオームが一般的で、5ミリオーム未満は合理的に利用可能で、1ミリオーム未満は特別なニーズと大きな財布を持つ人々に利用可能です。


追加:これは長い間使われていて、Andy Akaの回答から2ポイントの拡張が必要な​​場合に便利です。

@Andy aka彼の答えは、上記の私の答えから欠落している2つの非常に良い点を示しています。私はスイッチングと負荷駆動の側面にもっと集中しました。

Andyは次のように指摘しています(これらの言葉では完全ではありません)。

(1)BJTを使用する場合よりも、MOSFETの「ソースフォロア」の入力と出力の間の電圧の定義が低く、デバイスに依存します。「基準」電圧がベースに印加され、エミッターから取り出される出力電圧がエミッターフォロワーとして使用される場合、BJTは通常の動作でベースからコレクターに「約」0.6 V DC降下します。極端な設計(非常に低い電流または非常に高い)では、約0.4Vから最低0.8Vまでの電圧が予想されます。ゲートとソースからの出力を基準にしたMOSFETソースフォロアは、少なくともVgsthをゲートからソース+引き込む電流をサポートするために必要な追加のゲート電圧をドロップします。通常、0.1〜1ボルト高くなりますが、高負荷では2V +になる場合があります。低スペックデバイスの例。Vgsthはデバイスに依存し、約0から変化します。5Vとは6V +で、通常2〜6Vです。したがって、ソースフォロアドロップは、約0.5V(まれ)から7V +(まれ)のいずれかになります。

(2)トランジスタは1象限デバイスです(例:NPN =ゲート+ ve、コレクタ+ ve、両方のエミッタはターンオンしますが、「未定義」の負のY軸軌跡(ベースZERO、コレクタの負、デバイスに依存する電圧ですが、「数ボルト」が通常です。逆バイアスMOSFETは、MOSFETがオフの場合、ドレインソース端子間に順方向ダイオード基板ダイオードを提供し、MOSFETがオフであるが順方向バイアスの場合、小さなコンデンサを適切に近似します。 、約0.8Vピークピークを超えるAC信号は、電圧が増加するにつれて逆バイアス半サイクルでますますクリッピングされます。この効果は、同じタイプの2つのMOSFETを直列に反対に接続することで克服できます。Vinとして接続されたゲート、ソースが接続されたソース浮動中点として、どちらかの極性でvinおよびvoutとしてドレインします。この配置は本当に素晴らしくて便利なスイッチとなり、MOSFETが第1象限と第3象限でオンになっていることに気付いていない人から頭を引っかくことにもつながります(NチャネルFET象限1 = DS +、SG +の場合。象限3 = DS -SG +)。


...私もまったく同じことを言っていました...私がMOSFETに不慣れであることは秘密ではありませんが、さまざまな種類がさまざまな状況で彼らの立場を持っています。
カートE.クロチエ2013

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低電圧ロジック回路でのエミッターフォロアアプリケーションでは、BJTは商品をエミッターに供給する可能性がありますが、同等のFET回路ではゲート-ソース間電圧の変動が大幅に大きくなり、これにより結果の一貫性が失われます。

例として、BJTに電圧を印加してエミッタ抵抗の両端の電圧を設定し、コレクタ負荷の電流が「一定」になるようにしていると思います。私はまともな実用的な例を考えようとしていますが、何も思い浮かぶものはありません-はい、はい、レーザーダイオードのバイアスポイントを制御しています!!

一般化すると、特にロジック電源が非常に低い、つまり3V3以下の場合、ボルテージフォロアタイプの構成が必要なものはBJTに適していると思います。

また、クランプトランジスタを使用してAC信号(マイクアンプなど)をミュートする必要がある場合は、バイポーラがコレクターのACから数ボルトの逆バイアスを「弱める」ことができます(ミュートしない場合)FETおそらく、ミュートされていない信号を半サイクルで少しクリップします。

ただし、このアプリケーションではJFETの方が優れています。


アンディ-私の答えに加えて、私が言及しなかった2つの非常に重要なポイントを詳しく説明します。
ラッセルマクマホン

@RussellMcMahon-読んでみてください、万能な回答
Andy aka

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