BJT vs. MOSFET: tabla de decisión

01 · Punto de partida

Cuatro cargas y una lista de compras

Ya sabés diseñar una llave con un transistor bipolar y una con un MOSFET. Lo que falta es lo que pasa antes del diseño: decidir cuál.

Las dos listas fallan por la misma razón: eligieron la pieza antes de mirar la carga. La respuesta correcta para ese proyecto usa tres transistores bipolares y un MOSFET, y el MOSFET no es el de la primera lista.

Un programador conoce este tipo de decisión: es elegir entre dos algoritmos. Uno es simple y gana con pocos datos; el otro tiene un costo fijo de preparación y gana cuando los datos crecen. Nadie pregunta cuál es «el mejor»: se pregunta cómo crece el costo de cada uno y dónde se cruzan. Acá el tamaño del problema es la corriente de la carga.

• ¿Qué se compara exactamente entre las dos llaves?
• ¿Qué pregunta se responde primero?
• ¿A partir de qué corriente conviene el MOSFET?
• ¿Cuándo conviene el bipolar aunque disipe más?
• ¿Qué se hace cuando ninguna de las dos sirve?

02 · Repaso

Lo que tienen en común

Antes de las diferencias, lo que no cambia. Las dos llaves comparten la forma y casi todos los cuidados:

La idea de fondo también es la misma, y es la que atravesó todo el bloque: no depender de un parámetro que varía entre unidades. En el bipolar, la ganancia; en el MOSFET, el umbral. En los dos casos se resuelve mandando con tanto margen que ese parámetro deja de importar.

03 · Selección

Cara a cara

De once criterios, el bipolar se lleva seis. Todos los suyos son de comodidad: es más simple, más tolerante y más fácil de elegir. Los del MOSFET son de capacidad: maneja cargas que el bipolar no puede. Eso ya sugiere la regla: el bipolar mientras alcance, el MOSFET cuando haga falta.

04 · Características

Los dos costos

La comparación se reduce a dos números, y cada uno crece de manera distinta con la corriente de la carga.

Lo que se le pide a la salida

El costo del bipolar crece en línea recta con la carga, hasta chocar contra el tope de la salida. El del MOSFET es constante, y con un resistor de 100 kΩ en lugar de 10 kΩ baja diez veces más. Para un LED la diferencia es de un cuarto de miliamper; para una bomba, es la diferencia entre poder y no poder.

El calor en la llave

El bipolar se queda con una tensión casi fija: su calor crece en proporción a la corriente. El MOSFET es un resistor: su calor crece con el cuadrado de la corriente.

«MOSFET» no es sinónimo de «frío»

Depende de su resistencia. Un 2N7000, con 5 Ω, disipa a 100 mA seis veces más que un bipolar. Lo que es frío es un MOSFET de milésimas de ohm.

Con cargas chicas, el calor no decide

A 20 mA, cualquiera de los tres disipa milésimas de watt. Ahí deciden la simplicidad y lo que tengas a mano.

Con cargas grandes, decide todo

A 2 A, un bipolar necesita disipador y 100 mA de base; el MOSFET correcto no necesita nada.

05 · Selección

La tensión de mando filtra primero

Hay una pregunta que se responde antes que cualquier otra, porque puede dejar afuera a toda una familia: ¿de cuánta tensión es la salida que va a mandar?

El bipolar es indiferente a la tensión de mando: solo cambia el valor del resistor de base. El MOSFET hay que elegirlo para una tensión de mando. Las placas actuales son casi todas de 3,3 V, y es justamente ahí donde la oferta de MOSFET garantizados se achica, sobre todo en cápsulas que se puedan pinchar en una protoboard.

06 · Selección

El procedimiento

Cuatro preguntas, en este orden. La primera que tenga respuesta, decide.

1. 1
   ¿La carga y la placa pueden compartir el negativo, y la carga es de tensión continua baja?

   Si no, ninguna de las dos llaves sirve. Es el caso de la tensión de red, o de un equipo que tiene que quedar eléctricamente separado. Va un relé o un optoacoplador: los Temas 25 y 26.

2. 2
   ¿La carga consume hasta unos 100 mA?

   Bipolar. BC547 hasta 70 mA, BC337 por encima. Es más simple y más robusto, y la base le cuesta a la salida 5 mA o menos.

3. 3
   ¿Consume más de 200 mA?

   MOSFET, con la resistencia garantizada a tu tensión de mando. Si no conseguís uno así, una etapa intermedia.

4. 4
   ¿Está entre 100 y 200 mA?

   Sirven los dos. Decide el contexto, según la tabla que sigue.

07 · Aplicación

Las cuatro cargas, resueltas

El proyecto de la escena, con su placa de 3,3 V, pasado por el procedimiento.

El total sobre la placa

Las cuatro llaves encendidas a la vez le piden unos 6,5 mA en conjunto. La carga que más consume es la que menos le pide a la placa.

Por qué no cuatro MOSFET

Se podría, con cuatro piezas garantizadas a 2,5 V. Serían ocho resistores en lugar de tres, y tres compuertas más que cuidar de la estática, para ahorrar 6 mA y unos miliwatts que no importan.

Por qué no cuatro bipolares

La bomba pediría 100 mA de base. No hay salida que los entregue.

El resistor de base a emisor del relé

Se agrega en las cargas que no deben activarse solas mientras la placa arranca. Para un LED indicador no hace falta.

08 · Identificar

Otras llaves que vas a encontrar

Bipolar y MOSFET no agotan las opciones. Estas aparecen en placas, módulos y esquemas, y conviene reconocerlas.

El ULN2003 es una llave bipolar ya armada

Todo lo del Tema 20 está adentro, siete veces. Si tu proyecto tiene varios relés o un motor paso a paso chico, reemplaza a siete transistores, siete resistores y siete diodos. Lo que no cambia es la física: cada salida se queda con cerca de 1 V.

Las dos etapas

Es el circuito que usaste en el Tema 23 para mandar un canal P. Con un canal N funciona igual: un BC547 con su resistor de base, y la compuerta del MOSFET unida al colector, con un resistor de 10 kΩ hacia los 12 V. Con la salida en bajo, la compuerta recibe 12 V y la carga se enciende: la lógica queda al revés, y el estado durante el arranque de la placa es encendido. Hay que tenerlo en cuenta.

09 · Simulador

Las dos llaves, lado a lado

Describí la carga y la placa. El simulador diseña la mejor llave bipolar y la mejor llave MOSFET que puede armar con seis piezas conocidas, y las compara.

• A la izquierda, la llave bipolar; a la derecha, la llave MOSFET. Cada una con su pieza, sus resistores, lo que le pide a la salida y el calor.
• Si una de las dos no se puede armar, el panel dice por qué.
• Las piezas disponibles: BC547, BC337, 2N7000, AO3400 e IRLZ44N.

Recorrido guiado (7 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   La bomba de la escena: 2 A, 12 V y placa de 3,3 V. La llave bipolar no se puede armar. La MOSFET usa el AO3400, el único de la lista garantizado a esa tensión.

2. 2
   Recorré las cargas de 15, 30 y 71 mA.

   Son las otras tres de la escena. Las dos llaves se pueden armar, y el simulador recomienda la bipolar. Mirá los dos calores: son tan chicos que no deciden nada.

3. 3
   Subí a 150, 300 y 500 mA.

   Con 150 mA sirven las dos. Con 300 mA la base ya pide más que el tope de 10 mA. Cambiá el tope a 20 mA: la bipolar vuelve a ser posible, y a 500 mA deja de serlo otra vez.

4. 4
   Con 5 A y placa de 3,3 V.

   Ninguna llave directa: el bipolar no llega y ningún MOSFET de la lista sirve con esa combinación. Cambiá la salida a 5 V: aparece el IRLZ44N.

5. 5
   Con 71 mA y salida de 5 V, mirá el MOSFET elegido.

   Es un 2N7000, y disipa más que el bipolar. Un MOSFET chico no es más frío que un BC547.

6. 6
   Con 1 A, 24 V y salida de 3,3 V.

   El AO3400 queda afuera por tensión: soporta 30 V y se pide el doble de la fuente. No alcanza con mirar la corriente.

7. 7
   Con 15 mA, bajá el tope de la salida a 4 mA.

   La bipolar sigue sirviendo: la base de un LED pide menos de 1 mA. El tope de la salida solo importa con cargas medianas.

Preguntas para pensar

1. En el paso 2, el MOSFET le pide menos corriente a la salida. ¿Por qué la recomendación es el bipolar?
2. En el paso 3, ¿qué es lo que deja afuera al bipolar: el transistor o la placa?
3. En el paso 4, con 5 A y 3,3 V, ¿qué armarías?

10 · La decisión en código

Decidir, cruzar y comprar

El procedimiento, como función

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]
BIPOLARES = {"BC547": 0.1, "BC337": 0.8}                      # corriente máxima (A)
MOSFET = {    # tensión de compuerta -> ohm garantizados; tensión y corriente máximas; °C/W
    "2N7000":  ({10: 5.0, 4.5: 5.3}, 60, 0.2, 312),
    "AO3400":  ({10: 0.0265, 4.5: 0.032, 2.5: 0.052}, 30, 5.7, 125),
    "IRLZ44N": ({10: 0.022, 5: 0.025, 4: 0.035}, 55, 47, 62),
}


def comercial_inferior(ohm):
    return max(b * 10 ** d for d in range(6) for b in E12 if b * 10 ** d <= ohm)


def llave_bipolar(amperes, v_mando, tope_ma=10):
    aptos = [n for n, i_max in BIPOLARES.items() if amperes <= 0.75 * i_max]
    if not aptos:
        return None, "supera a los bipolares de la lista"
    r_base = comercial_inferior((v_mando - 0.7) / (amperes / 20))
    i_base = (v_mando - 0.7) / r_base * 1000
    if i_base > tope_ma:
        return None, f"la base pide {i_base:.0f} mA y el tope es {tope_ma}"
    return aptos[0], f"Rb {r_base} ohm, pide {i_base:.1f} mA"


def llave_mosfet(amperes, v_carga, v_mando):
    for nombre, (hoja, v_max, i_max, grados) in MOSFET.items():
        cubiertas = [v for v in hoja if v <= v_mando]
        if not cubiertas or v_max < 2 * v_carga or amperes > 0.5 * i_max:
            continue
        calor = amperes ** 2 * hoja[max(cubiertas)] * 1.5
        if calor * grados <= 60:
            return nombre, f"220 ohm + 10 kohm, {calor * 1000:.0f} mW"
    return None, "ninguno garantizado para este mando, tensión y corriente"


def decidir(nombre, amperes, v_carga, v_mando):
    bip, detalle_b = llave_bipolar(amperes, v_mando)
    mos, detalle_m = llave_mosfet(amperes, v_carga, v_mando)
    if bip and (amperes <= 0.1 or not mos):
        elegido = f"{bip} ({detalle_b})"
    elif mos:
        elegido = f"{mos} ({detalle_m})"
    else:
        elegido = "ninguna directa: dos etapas o relé"
    print(f"{nombre:10} {amperes * 1000:6.0f} mA -> {elegido}")
    if not bip:
        print(f"{'':20} bipolar descartado: {detalle_b}")
    if not mos:
        print(f"{'':20} MOSFET descartado: {detalle_m}")


for carga in (("LED", 0.015, 5), ("zumbador", 0.03, 5), ("relé", 0.071, 5), ("bomba", 2, 12)):
    decidir(*carga, v_mando=3.3)

Agregá decidir("calefactor", 5, 12, v_mando=3.3) y después probalo con v_mando=5.

Dónde se cruzan

El calor de cada llave en función de la corriente: una recta contra una parábola.

def calor_bipolar(amperes):
    return (0.08 + 0.5 * amperes) * amperes          # la saturación empeora con la corriente


def calor_mosfet(amperes, ohm):
    return amperes ** 2 * ohm * 1.5


print("carga     bipolar    2N7000     IRLZ44N   base del bipolar")
for amperes in (0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2):
    print(f"{amperes * 1000:5.0f} mA {calor_bipolar(amperes) * 1000:8.1f} mW "
          f"{calor_mosfet(amperes, 5.3) * 1000:8.1f} mW {calor_mosfet(amperes, 0.025) * 1000:8.2f} mW "
          f"{amperes / 20 * 1000:8.1f} mA")

cruce = 0.08 / (5.3 * 1.5 - 0.5)
print(f"El 2N7000 disipa más que el bipolar a partir de {cruce * 1000:.0f} mA")

Con el IRLZ44N no hay cruce en corrientes realistas. Probá con un MOSFET de 0,2 Ω: ¿a partir de qué corriente pierde?

La lista de compras

from collections import Counter

PROYECTO = [          # nombre, amperes, ¿inductiva?
    ("LED", 0.015, False), ("zumbador", 0.03, True),
    ("relé", 0.071, True), ("bomba", 2.0, True),
]
V_MANDO = 3.3

compras = Counter()
total_salidas = 0.0
for nombre, amperes, inductiva in PROYECTO:
    if amperes <= 0.1:
        pieza = "BC547" if amperes <= 0.075 else "BC337"
        compras[pieza] += 1
        compras["resistor de base"] += 1
        total_salidas += amperes / 20 * 1000
    else:
        compras["MOSFET garantizado a 2,5 V" if V_MANDO < 4.5 else "MOSFET de nivel lógico"] += 1
        compras["resistor de 220 ohm"] += 1
        compras["resistor de 10 kohm"] += 1
        total_salidas += V_MANDO / 10_000 * 1000
    if inductiva:
        compras["diodo"] += 1

for pieza, cantidad in compras.items():
    print(f"{cantidad} x {pieza}")
print(f"Corriente total pedida a la placa: {total_salidas:.1f} mA")

Cargá en PROYECTO las cargas de algo que quieras construir.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: cinco cargas

Con una placa de 5 V y un tope de 10 mA por salida, aplicá el procedimiento a cada carga y decí qué pregunta decide.

1. Un LED de 10 mA.
2. Una tira de LED de 12 V y 1,5 A.
3. Un relé de 12 V con bobina de 400 Ω.
4. Un ventilador de 12 V y 150 mA.
5. Una lámpara de 220 V de corriente alterna.

Ejercicio 2: ocho relés

Una placa de 3,3 V tiene que manejar ocho relés de 71 mA. El total de corriente que la placa puede entregar entre todas sus salidas es de 40 mA. Evaluá ocho BC547 y proponé alternativas.

Ejercicio 3: el cruce

Un bipolar se queda con unos 0,15 V a 100 mA. ¿Qué resistencia de encendido tiene que tener un MOSFET para disipar lo mismo a esa corriente? ¿Qué dice eso del 2N7000?

Ejercicio 4: revisar una lista

Alguien propone para un proyecto con placa de 3,3 V: IRFZ44N para una bomba de 3 A, 2N7000 para un relé de 71 mA y BC547 para un motor de 400 mA. Encontrá el problema de cada elección.

Ejercicio 5: en el simulador

Con placa de 5 V, 12 V de carga y tope de 10 mA, anotá para cada corriente de la lista qué llaves se pueden armar. ¿En qué rango sirven las dos?

Ejercicio 6: las dos, en la mesa

Con las piezas reales. Armá la misma carga, un LED con 470 Ω a 9 V, con la llave bipolar del Tema 20 y con la llave MOSFET del Tema 23. Medí en cada una la tensión que se queda la llave y la tensión sobre el resistor de mando.

13 · Síntesis del bloque

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 25?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir qué le pide cada llave a la salida de la placa.
• Explicar por qué la tensión de mando se mira antes que la corriente.
• Decir qué llave usarías para un relé de 71 mA y para una bomba de 2 A.
• Explicar por qué un bipolar mandado directo no pasa de unos 200 mA.
• Decir cuándo un MOSFET disipa más que un bipolar.
• Nombrar dos situaciones en las que preferirías el bipolar aunque sirvan los dos.
• Decir qué harías con una carga de 220 V de corriente alterna.

La primera pregunta del procedimiento dejó casos sin resolver: cargas de tensión de red, o circuitos que no pueden compartir el negativo. Ahí hace falta una llave que separe por completo lo que manda de lo que es mandado. La más antigua es un interruptor mecánico movido por un electroimán. En el próximo tema, los relés: contactos, bobina y su transistor.