Есть ли какая-либо причина использовать переходные или дарлингтонские транзисторы для силовых применений?

В нескольких примерах Arduino вы видите людей, использующих переходные транзисторы для питания двигателя. В этом случае, например, он использует транзистор Дарлингтона: http://www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/

Есть ли какая-либо причина использовать что-либо кроме МОП-транзистора (если у вас его просто нет, и у вас есть другой тип?) Есть ли какое-либо преимущество для транзисторов с переходными или Дарлингтонскими сигналами для этого приложения?

Транзистор Дарлингтона обеспечивает каскадное соединение двух устройств, что обеспечивает большую мощность. Безусловно, преимущество структуры BJT перед полевым МОП-транзистором состоит в том, что у вас нет ворот с оксидной изоляцией, и, таким образом, вам не нужно беспокоиться о защелке от индуктивного обратного хода. Любая катушка индуктивности, как в двигателях и реле, будет накапливать поток через катушку, и изменение в работе приведет к большой обратной связи по напряжению. Это обратное напряжение может перевернуть соединение на полевом МОП-транзисторе или, возможно, повредить затвор.

Если вы просто играете, преимущество BJT - это надежность. Если вас беспокоит ток, преимущество MOSFET в том, что емкостный вход не потребляет ток после зарядки.

Это короткий, короткий ответ.

1) Силовые полевые и Дарлингтоны - два разных животного. BJT лучше всего работает как линейное устройство, которое точно контролируется ТОКОМ. BJT по своей природе имеют более высокую пропускную способность, чем FET, и, как правило, дешевле для идентичной передачи тока. Кроме того, BJT могут создавать отличные и дешевые источники постоянного тока, делая простой, но точный источник постоянного тока для чувствительных устройств с управлением током, таких как светодиоды. Конфигурации BJT и, в частности, конфигурации Darlington, позволяют точно контролировать выходной ток в диапазоне 0–10 A +, как правило, менее 2 мА от MCU с простым резистором, устанавливающим ток, на базу, подключенную к выводу микроконтроллера.

2) Для точности при использовании PNP Darlington ток базы привязан к земле, штырь микроконтроллера все еще может быть использован, выход просто низок для заземления резистора базы. Если напряжение основного источника питания изменяется, для компенсации обратной связи необходимо использовать резистор измерения тока. Токи выводов микроконтроллера меняются в зависимости от способности источника / погружения, и разные семейства MCU будут иметь разные возможности. Типичный AVR на 5 В может выдавать / поглощать до 20-30 мА / вывод, являющийся TTL, а Arduino на основе SAM, такие как DUE, имеют два типа выводов: низкий и высокий ток, большой ток, который может выдавать только 15 мА / сток 9 мА ( CMOS с низким энергопотреблением), так что имейте это в виду, если вы не используете операционный усилитель в качестве буфера.

3) В то время как BJT хороши для усиления малых сигналов с низким уровнем искажений и точного контроля больших токов, BJT делают плохие переключатели, потому что, даже если они насыщены, они имеют падение напряжения Vce более 2 В, это означает значительное рассеяние мощности при высоких токах, что означает значительное производство тепла. Даже если у вас есть Дарлингтон, который может выдержать 20 А до снижения усиления, имея всего 0,96 А и температуру окружающей среды 30 С, вы будете иметь температуру соединения 150 С без теплоотвода.

4) Мощные полевые МОП-транзисторы почти противоположны действующим BJT, они прекрасно работают в качестве переключателей, но, если они не спроектированы с осторожностью, создают плохие устройства линейного контроля тока и усилители. Это связано с относительно большой емкостью затвора, которая ограничивает способность мощного полевого транзистора иметь высокую пропускную способность. Специальные ИС драйвера затвора могут обрабатывать большие токи заряда / разряда при подаче питания на затвор мосфета на высоких частотах, но также увеличивают стоимость / сложность проекта.

5) Mosfets обычно имеют гораздо меньшие «линейные» области, чем BJT, и имеют практически нулевое сопротивление «on», если соблюдаются условия Vgs для насыщения MOSFET. При «включенном» падении напряжения Vds в области мВ единственная значительная мощность, которая рассеивается, - это когда МОП-транзистор находится в состоянии перехода из выключенного состояния во включенное и обратно. Типичный мощный полевой МОП-транзистор может иметь непрерывный Id 40 А или более, и ему не требуется радиатор, пока вы не достигнете половины этого значения, потому что сопротивление полевого МОП-транзистора обычно находится в области миллиомов. При температуре окружающей среды 30 ° C корпус TO-220 Mosfet с 0,01 Ом RDSon (10 миллиом) может рассеивать те же 2,4 Вт, что и BJT на основе TO-220 без теплоотвода, но будет проходить через 15,49 А без радиатор при той же температуре 150С на стыке!

6) Использование Darlington в корпусе TO-220 с радиатором соответствующего размера может линейно управлять большими токами точно с помощью нескольких мА, идущих / идущих (NPN / PNP) к / от их оснований. Дарлингтон также может быть использован для точного усиления малых токов / сигналов с очень низким искажением из-за их больших «линейных» областей (отлично подходит для прецизионных источников постоянного тока и мощности). Дарлингтоны особенно хорошо подходят в качестве источника постоянного тока, где пульсация выходного сигнала от импульсного источника питания будет проблемой для вашей конструкции. Однако это связано с большими перепадами напряжения на коллекторе и эмиттере на 2 В или более, что приводит к значительному рассеиванию мощности. BJT также подвержены тепловому разрушению, при этом продуманный температурный коэффициент не является продуманным дизайном.

7) Благодаря тщательному дизайну, mosfet можно заставить работать в его меньшей «линейной» области, но рассеивать потери мощности, аналогичные BJT, при работе в этой «линейной» области. Однако МОП-транзисторы обычно являются устройствами с отрицательным температурным коэффициентом (они защищены от перегрузки по току). Они являются устройствами, чувствительными к статическому электричеству (как и все CMOS), поэтому следует соблюдать меры предосторожности и использовать оборудование для защиты от статического электричества при работе с полевыми транзисторами.

BJT PRO :

• относительно прост в использовании, прост в управлении
• дешево
• требуется небольшая схема поддержки
• DC к работе на радиочастоте
• не чувствителен к электростатическим разрядам, для работы с ним не требуется предохранительное оборудование от электростатических разрядов

BJT CONS :

• неэффективный
• имеют относительно высокие рассеиваемые мощности (радиаторы почти необходимы)
• Положительный темп может привести к тепловому убеганию и разрушению транзистора
• Нужны высокие балластные резисторы низкой мощности для параллельного подключения

Мощность MOSFET ПРОФИ :

• Очень низкое значение RDSon позволяет использовать конструкции с высоким током и низким рассеиванием мощности.
• ток затвора возникает только во время зарядки / разрядки ёмкости затвора
• Подходит для коммутации с высокой плотностью тока с маленькими / без радиаторов
• можно подключить параллельно без «балластных» резисторов (только для коммутации)
• Доступны полевые МОП-транзисторы с логическим уровнем со встроенными драйверами насоса заряда затвора
• Большинство отрицательных темко-устройств

Силовые MOSFET МИНУСЫ :

• Относительно большая емкость затвора ограничивает частоту от постоянного тока до ~ 10 МГц
• Требуются специальные ИС привода затвора для высокочастотных / мощных полевых транзисторов
• Устройства с высокой чувствительностью к электростатическим разрядам, требующие приобретения оборудования для предотвращения электростатических разрядов
• У полевых МОП-транзисторов логического уровня довольно медленное время перехода Ton + Toff = avg ~ 44 нс (около 22,7 МГц вблизи верхнего предела) - на самом деле это не плохо, если частота MCU> ~ 44 МГц

Надеемся, что это может лучше прояснить пригодность BJT против MOSFET для решения конкретной задачи.

Нет, Дарлингтон не дает вам больше «управления мощностью», чем один BJT (транзистор с биполярным переходом, это модели NPN и PNP). На самом деле, дарлингтон плох для управления питанием из-за большого падения напряжения при включении. Это приводит к гораздо большему рассеянию при том же токе, что и один BJT.

Единственное преимущество дарлингтона заключается в том, что его текущее усиление намного выше, чем у одного BJT. Это фактически усиление двух БЮТ, составляющих дарлингтон, умноженных вместе. Это может быть полезно при переключении слабых токов, управляемых сигналами высокого импеданса, и вам не нужна высокая скорость.

Существуют и другие способы запуска с сигналом высокого импеданса и обеспечения достаточного тока для управления одним переключающим элементом BJT.

Что касается различия между MOSFET и BJT, то у каждого есть свои преимущества и недостатки. BJT контролируются током при низком напряжении. Любой BJT может управляться с напряжениями логического уровня. Полевые транзисторы управляются напряжением, и все, за исключением некоторых относительно полевых транзисторов с низким напряжением (до 30 В или около того), требуют привода затвора 10-12 В. Для этого требуется специальная микросхема или схема драйвера FET для управления FET с помощью типичного сигнала логического уровня.

И BJT, и FET могут справляться со значительной мощностью в нужных случаях. BJT больше похожи на источник напряжения, а полевые транзисторы больше похожи на резистор. Какой из них рассеивает меньше энергии, зависит от тока и Rdson FET. При нескольких амперах и 10 с вольт, полевые транзисторы более эффективны, поскольку текущее время Рдсона меньше, чем 200 мВ или около того даже у хорошо насыщенного BJT. Падение напряжения FET линейно возрастает вместе с током. Падение напряжения BJT начинается выше, но возрастает меньше, чем линейно с током. При больших токах BJT может падать меньше напряжения. Кроме того, полевые транзисторы, которые должны выдерживать более высокие напряжения, имеют более высокое значение Rdson, поэтому BJT лучше выглядят при более высоких токах и напряжениях. Когда рассеяние и падение на несколько сотен мВ не является большой проблемой, это сводится к цене,

Полевые транзисторы также (в общем) труднее для цепи низкого напряжения, чем BJT (в общем).

Нет ничего необычного в том, чтобы подавать напряжение 5 или 10 вольт для достижения заданного напряжения «включения» для полевого транзистора, что требует некоторого толчка, если вы управляете им от устройства 3,3 В. Или для некоторых полевых транзисторов требуется отключение Vgs.

Для BJT требуется некоторый ток, ~ 0,7 В или ~ 1,4 В для Дарлингтона - и не требуется никакой дополнительной схемы возбуждения для генерации управляющих напряжений вне рабочего диапазона микроустройства.

Это относится не ко всем случаям - но это относится к достаточному количеству случаев, чтобы быть ответом иногда.

В дополнение к точкам b degnan, если и FET, и BJT смещены по насыщенности для того, чтобы управлять очень сильными нагрузками по току, BJT может быть более эффективным. Напомним, что потери мощности от стока к источнику в насыщенном полевом транзисторе задаются I ^ 2 * Rdson, где потери мощности в насыщенном BJT от коллектора к эмиттеру задаются I * Vjunction; последний масштабируется линейно с током, где первый масштабируется квадратично . Когда токи малы, полевой транзистор обычно более эффективен, особенно потому, что Rdson обычно ниже, чем Vjunction при низких токах, но в зависимости от конкретных рассматриваемых устройств и условий смещения, которые могут хорошо меняться при увеличении тока нагрузки.

Возможно также, что причина не в том, что лучше для этой схемы, а в том, что лучше всего для всех цепей, которые, как ожидает инженер, понадобятся. BJT позволяют немного больше гибкости и повторного использования; Если вы обнаружите, что вам нужен усилитель класса A вместо класса D, BJT, вероятно, будет работать лучше, чем FET. Это может не иметь большого значения, если вы не проектируете много схем, или если конкуренция за ваш продукт настолько жесткая, что любое небольшое преимущество в спецификациях или стоимости имеет решающее значение, но в противном случае вы можете повторно использовать детали и, таким образом, иметь меньшее количество деталей, необходимых для хранения / источника / хранения таблиц данных, может сэкономить время, усилия и деньги по сравнению с наличием уникальных лучших деталей для каждого случая.

В нескольких примерах Arduino вы видите людей, использующих переходные транзисторы для питания двигателя. В этом случае, например, он использует транзистор Дарлингтона ... Есть ли какая-либо причина использовать что-либо кроме МОП-транзистора (если у вас его просто нет, и у вас есть другой тип?)

Вероятно, он просто не знает ничего лучшего. Транзисторы Дарлингтона - это старая технология, которая в значительной степени была заменена. У них высокое падение напряжения (как правило, минимум 1,1 В , в то время как хороший FET должен падать менее 0,2 В), низкая пропускная способность по току и низкая скорость переключения. В отличие от полевых МОП-транзисторов, биполярные транзисторы не имеют встроенных диодов, поэтому в мостовой схеме необходимы внешние обратные диоды для управления индуктивной обратной эдс. Я не могу придумать какой-либо веской причины использовать один с Arduino.

Но любители все еще используют их, потому что они просто копируют старые схемы и не знают, что есть лучшие альтернативы. Точно так же вы увидите людей, пытающихся использовать ULN2003 или L298 для управления двигателями с несколькими амперами, или древние полевые транзисторы, такие как IRF540, которые требуют привода на 10 В. Затем они используют выпрямитель с медленным восстановлением 1N4004 в качестве обратного диода!

Короче говоря, не думайте, что какой-то любительский проект, который вы найдете в Интернете, был должным образом спроектирован, независимо от того, насколько гладкой выглядит веб-страница ...

Ну, MOSFET лучше, чем BJT (вы можете искать плюсы и минусы самостоятельно).

В вашем конкретном случае нет, парная микросхема Дарлингтона вообще не требовалась. Размер мотора был довольно мал, поэтому он никогда не будет тянуть более 100 мА. Один BJT (BC547) произвел бы такой же эффект.

Чтобы ответить на ваш вопрос, на самом деле это дизайнерское решение, находящее баланс между стоимостью и эффективностью.

BJT всегда намного дешевле по сравнению с MOSFET. Таким образом, в небольших приложениях и небольших проектах, таких как в упомянутой вами ссылке, нагрузка никогда не будет превышать 100 мА, поэтому дешевый BC547 будет лучшим вариантом, чем MOSFET, который способен обрабатывать более пары ампер (общий случай), но это дороже.