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BJT vs MOSFET como chave: escolhendo o componente certo na bancada

Por que a escolha importa em uma bancada real

A maioria dos projetos caseiros acaba precisando de um microcontrolador para chavear algo maior do que um pino consegue suportar, como a bobina de um relé, um motor, uma fita de LEDs ou um elemento aquecedor. Tanto um transistor de junção bipolar quanto um MOSFET podem fazer esse trabalho, e ambos muitas vezes funcionam na primeira tentativa. A diferença aparece quando o circuito esquenta, quando a tensão lógica é baixa ou quando a carga é maior do que você planejou.

Escolher o tipo errado raramente causa uma falha instantânea. Com mais frequência, você fica com uma chave que mal liga, um pino que esquenta ou um transistor que dissipa mais do que o esperado e precisa de um dissipador que não deveria ser necessário. Entender como cada dispositivo é acionado poupa muito tempo de depuração.

Como cada dispositivo é acionado

Um BJT conduz quando há corrente fluindo para a sua base. A corrente de coletor que ele consegue conduzir é aproximadamente a corrente de base multiplicada pelo ganho de corrente, frequentemente especificado como hFE. Esse ganho varia muito entre componentes e com a corrente e a temperatura, por isso um projeto sensato não depende de um único valor de ganho. Em vez disso, você sobrecarrega a base para que o transistor sature e o ganho deixe de ter grande importância.

Um MOSFET é controlado pela tensão no seu gate, que é isolado do canal por uma fina camada de óxido. Depois que o gate é carregado, circula pouquíssima corrente, exceto por breves picos de carga durante a comutação. É por isso que um pino de microcontrolador pode ligar e desligar um MOSFET diretamente. A armadilha é que o gate precisa ser acionado bem acima da tensão de limiar do dispositivo, e os MOSFETs de nível lógico são especificados para as tensões que uma saída lógica de 3,3 V ou 5 V realmente consegue produzir.

Exemplo prático: carga de 100 mA a partir de um pino de 3,3 V

Suponha que você queira chavear uma carga de 12 V que consome 100 mA a partir de um pino GPIO de 3,3 V. Para um BJT, considere que o dispositivo satura com um ganho forçado em torno de 10, uma escolha de projeto conservadora. A corrente de base necessária é 100 mA dividido por 10, ou 10 mA. A queda base-emissor é tipicamente em torno de 0,7 V a 0,8 V, então o resistor de base vê cerca de 3,3 V menos 0,75 V, o que dá 2,55 V. Dividindo por 10 mA, obtém-se aproximadamente 255 ohms, então um resistor de 220 ohms é uma escolha razoável, resultando em cerca de 11,6 mA de corrente de acionamento de base. Verifique se o seu pino consegue fornecer essa corrente, já que muitos pinos de microcontrolador têm limites na faixa de 10 mA a 25 mA.

Com um BJT a 100 mA, a tensão de saturação fica tipicamente na faixa de 0,1 V a 0,3 V. A potência no transistor é de cerca de 0,2 V vezes 0,1 A, ou 20 mW. O próprio acionamento de base dissipa aproximadamente 0,75 V vezes 11,6 mA, cerca de 9 mW, que vêm do pino lógico e não da fonte da carga.

Para um MOSFET de nível lógico, o gate quase não consome nada em regime permanente, então um resistor de gate em série de cerca de 100 ohms e um resistor de pull-down de cerca de 10 k ohms para o terra são suficientes para que a chave funcione corretamente. A resistência em condução de muitos componentes de nível lógico fica na casa das dezenas de miliohms nessa corrente. Mesmo com 0,05 ohm, a perda em condução é 0,1 A ao quadrado vezes 0,05 ohm, ou 0,5 mW. Confirme a resistência em condução na tensão de gate que você realmente aplica, já que os datasheets frequentemente a listam para 4,5 V ou 10 V.

Quando escolher cada um

Escolha um MOSFET quando a carga for de moderada a grande, quando você quiser pouco calor na chave ou quando o pino de acionamento tiver corrente limitada. MOSFETs de canal N de nível lógico, com a fonte ligada ao terra e a carga no lado alto do dreno, são o ponto de partida habitual para chaveamento em baixo lado. Componentes de canal P são práticos para chaveamento em alto lado com o gate puxado para baixo, embora costumem ser mais caros por ampere de capacidade.

Escolha um BJT para chaveamentos pequenos e de baixo risco, em que sua simplicidade é uma vantagem, ou quando o circuito já tem corrente de base sobrando. Um BJT também é uma boa opção quando você precisa de uma tensão de saturação previsível, e não de um valor que dependa do acionamento do gate. De qualquer forma, verifique a chave com um multímetro: meça a tensão sobre a chave quando ela estiver ligada e confirme que ela está próxima da queda de saturação ou da resistência em condução que você esperava.