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BJT बनाम MOSFET स्विच के रूप में: बेंच पर सही चुनाव

असली बेंच पर चुनाव क्यों मायने रखता है

ज़्यादातर हॉबी प्रोजेक्ट्स को आखिरकार माइक्रोकंट्रोलर से कुछ ऐसा स्विच करना पड़ता है जो एक पिन से ज़्यादा संभाल नहीं सकता, जैसे रिले कॉइल, मोटर, LED स्ट्रिप या हीटर एलिमेंट। इस काम को बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर या MOSFET, दोनों कर सकते हैं, और अक्सर दोनों पहली बार में ही चल जाते हैं। फर्क तब दिखता है जब सर्किट गर्म चलता है, लॉजिक वोल्टेज कम होता है, या लोड आपकी योजना से बड़ा होता है।

गलत प्रकार चुनने से शायद ही तुरंत फेलियर होता है। ज़्यादातर आपको ऐसा स्विच मिलता है जो मुश्किल से ऑन होता है, ऐसा पिन जो गर्म रहता है, या ऐसा ट्रांजिस्टर जो उम्मीद से ज़्यादा बिजली खपाता है और उसे ऐसा हीटसिंक चाहिए जिसकी ज़रूरत नहीं थी। हर डिवाइस कैसे ड्राइव होता है, यह जानने से वह डीबगिंग बच जाती है।

हर डिवाइस कैसे ड्राइव होता है

BJT तब चालू होता है जब उसके बेस में करंट बहता है। वह जितना कलेक्टर करंट पास कर सकता है, वह लगभग बेस करंट को करंट गेन से गुणा करने के बराबर होता है, जिसे अक्सर hFE के रूप में बताया जाता है। यह गेन अलग-अलग पार्ट्स के बीच और करंट व तापमान के साथ काफी बदलता है, इसलिए समझदार डिज़ाइन एक ही गेन आंकड़े पर भरोसा नहीं करता। इसके बजाय आप बेस को ओवरड्राइव करते हैं ताकि ट्रांजिस्टर सैचुरेट हो जाए और गेन का ज़्यादा असर न रहे।

MOSFET उसके गेट पर लगे वोल्टेज से नियंत्रित होता है, जो एक पतली ऑक्साइड परत द्वारा चैनल से अलग रहता है। एक बार गेट चार्ज हो जाए, तो स्विचिंग के समय के छोटे चार्जिंग स्पाइक्स को छोड़कर बहुत कम करंट बहता है। इसीलिए माइक्रोकंट्रोलर पिन सीधे MOSFET को ऑन और ऑफ कर सकता है। पेच यह है कि गेट को डिवाइस की थ्रेशोल्ड से काफी ऊपर ड्राइव करना होता है, और लॉजिक-लेवल पार्ट्स उन वोल्टेज के लिए निर्दिष्ट होते हैं जो 3.3 V या 5 V लॉजिक आउटपुट वास्तव में दे सकता है।

वर्क्ड उदाहरण: 3.3 V पिन से 100 mA लोड

मान लीजिए आप 3.3 V GPIO पिन से 100 mA खींचने वाला 12 V लोड स्विच करना चाहते हैं। BJT के लिए मान लें कि डिवाइस लगभग 10 के फ़ॉर्स्ड गेन पर सैचुरेट होता है, जो एक रूढ़िवादी डिज़ाइन चुनाव है। ज़रूरी बेस करंट 100 mA को 10 से भाग देने पर 10 mA है। बेस-एमिटर ड्रॉप आम तौर पर लगभग 0.7 V से 0.8 V होता है, इसलिए बेस रेज़िस्टर पर लगभग 3.3 V माइनस 0.75 V, यानी 2.55 V दिखता है। इसे 10 mA से भाग देने पर लगभग 255 ohm आता है, इसलिए 220 ohm रेज़िस्टर उचित चुनाव है, जो लगभग 11.6 mA बेस ड्राइव देता है। जाँच लें कि आपका पिन इतना करंट सोर्स कर सकता है, क्योंकि कई माइक्रोकंट्रोलर पिन की सीमा 10 mA से 25 mA के बीच होती है।

100 mA पर BJT के साथ सैचुरेशन वोल्टेज आम तौर पर 0.1 V से 0.3 V की सीमा में होता है। ट्रांजिस्टर में पावर लगभग 0.2 V गुणा 0.1 A, यानी 20 mW है। बेस ड्राइव स्वयं लगभग 0.75 V गुणा 11.6 mA, यानी लगभग 9 mW बिजली खपाता है, और यह लोड सप्लाई से नहीं बल्कि लॉजिक पिन से आती है।

लॉजिक-लेवल MOSFET के लिए गेट स्थिर अवस्था में लगभग कुछ नहीं खींचता, इसलिए स्विच को सही ढंग से चलाने के लिए लगभग 100 ohm का सीरीज़ गेट रेज़िस्टर और ग्राउंड तक लगभग 10 k ohm का पुल-डाउन रेज़िस्टर काफी है। इस करंट पर कई लॉजिक-लेवल पार्ट्स का ऑन-रेज़िस्टेंस दस मिलीओम के क्रम में होता है। 0.05 ohm पर भी कंडक्शन लॉस 0.1 A का वर्ग गुणा 0.05 ohm, यानी 0.5 mW है। जो गेट वोल्टेज आप वास्तव में लगाते हैं, उस पर ऑन-रेज़िस्टेंस की पुष्टि करें, क्योंकि डेटाशीट अक्सर इसे 4.5 V या 10 V पर दिखाती है।

कब कौन सा चुनें

जब लोड मध्यम से बड़ा हो, जब स्विच में कम गर्मी चाहिए, या जब ड्राइव पिन का करंट सीमित हो, तब MOSFET चुनें। स्रोत (source) को ग्राउंड से जुड़े और लोड को ड्रेन के हाई साइड पर रखने वाले लॉजिक-लेवल N-चैनल MOSFET लो-साइड स्विचिंग के लिए आम शुरुआती बिंदु हैं। P-चैनल पार्ट्स गेट को नीचे खींचकर हाई-साइड स्विचिंग के लिए सुविधाजनक हैं, हालाँकि प्रति एम्पीयर क्षमता पर वे अक्सर महंगे होते हैं।

छोटे, कम दाँव वाले स्विचिंग के लिए BJT चुनें, जहाँ उसकी सादगी फायदा है, या जहाँ सर्किट में पहले से अतिरिक्त बेस करंट उपलब्ध है। जब आपको गेट ड्राइव पर निर्भर मान के बजाय अनुमानित सैचुरेशन वोल्टेज चाहिए, तब भी BJT अच्छा विकल्प है। किसी भी स्थिति में, मल्टीमीटर से स्विच की पुष्टि करें: लोड चलते समय स्विच पर वोल्टेज मापें और देखें कि वह आपकी अपेक्षित सैचुरेशन या ऑन-रेज़िस्टेंस ड्रॉप के करीब है।