Gibt es einen Grund, Sperrschicht- oder Darlington-Transistoren für Leistungsanwendungen zu verwenden?

In einigen Arduino-Beispielen sehen Sie Menschen, die Sperrschichttransistoren verwenden, um einen Motor anzutreiben. In diesem Fall verwendet er beispielsweise einen Darlington-Transistor: http://www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/

Gibt es einen Grund, etwas anderes als einen MOSFET zu verwenden (es sei denn, Sie haben einfach keinen und Sie haben einen anderen Typ?) Gibt es für diese Anwendung einen Vorteil für Sperrschicht- oder Darlington-Transistoren?

Ein Darlington-Transistor bietet Ihnen zwei kaskadierte Geräte, wodurch Sie mehr Leistung erhalten. Absolut gesehen besteht der Vorteil einer BJT-Struktur gegenüber einem MOSFET darin, dass Sie kein Gate mit Oxidisolation haben und sich daher keine Gedanken über einen Latch-up durch den induktiven Flyback machen müssen. Jeder Induktor, wie bei Motoren und Relais, speichert einen Fluss über der Spule, und eine Änderung des Betriebs führt zu einem großen Spannungsrücklauf. Diese Rücklaufspannung kann den Übergang am MOSFET umkehren oder möglicherweise das Gate beschädigen.

Wenn Sie nur herumspielen, ist der Vorteil des BJT die Robustheit. Wenn Sie sich Sorgen um den Strom machen, besteht der Vorteil des MOSFET darin, dass der kapazitive Eingang nach dem Laden keinen Strom zieht.

Das ist die kurze, kurze Antwort.

1) Power FETs und Darlingtons sind zwei verschiedene Tiere. Ein BJT funktioniert am besten als lineares Gerät, das genau STROMgesteuert ist. BJTs haben von Natur aus höhere Bandbreiten als FETs und sind bei identischer Stromführung im Allgemeinen billiger. Darüber hinaus können BJTs hervorragende und kostengünstige Konstantstromquellen herstellen, was eine einfache, aber präzise Konstantstromquelle für empfindliche stromgesteuerte Geräte wie LEDs darstellt. Mit BJTs und insbesondere den Darlington-Konfigurationen können Sie einen Ausgangsstrom im Bereich von 0 bis 10 A + mit typischerweise weniger als 2 mA von einer MCU mit einem einfachen Stromeinstellwiderstand an der Basis, die mit einem Mikrocontroller-Pin verbunden ist, präzise steuern.

2) Für die Präzision mit einem PNP Darlington wird der Basisstrom auf Masse bezogen, ein Mikrocontroller-Pin kann weiterhin verwendet werden, der Ausgang wird nur niedrig gedreht, um den Basiswiderstand zu erden. Wenn die Hauptversorgungsspannung variiert, muss ein Stromerfassungswiderstand zur Rückkopplung verwendet werden, um dies zu kompensieren. Die Pin-Ströme des Mikrocontrollers variieren je nach Sourcing- / Sink-Fähigkeit, und verschiedene MCU-Familien haben unterschiedliche Fähigkeiten. Ein typischer 5-V-AVR kann bis zu 20-30 mA / Pin als TTL speisen / sinken, und die SAM-basierten Arduinos wie der DUE verfügen über zwei Arten von Pin-Funktionen für Niedrig- und Hochstrom-Pins, Hochstrom-Pins, die nur 15 mA / Senke 9 mA liefern können (Senke). Low Power CMOS). Denken Sie also daran, wenn Sie keinen Operationsverstärker als Puffer verwenden.

3) Während BJTs hervorragend in der Lage sind, kleine Signale mit geringer Verzerrung zu verstärken und hohe Ströme präzise zu steuern, sorgen BJTs für schlechte Schalter. Selbst wenn sie gesättigt sind, haben sie immer noch Vce-Spannungsabfälle über 2 V, was eine erhebliche Verlustleistung bei hohen Strömen bedeutet bedeutet erhebliche Wärmeerzeugung. Selbst wenn Sie einen Darlington haben, der 20 A verarbeiten kann, bevor die Verstärkung abfällt, mit nur 0,96 A und einer Umgebungstemperatur von 30 ° C, haben Sie eine Sperrschichttemperatur von 150 ° C ohne Kühlkörper.

4) Leistungs-MOSFETs sind fast das Gegenteil von BJTs im Betrieb. Sie eignen sich hervorragend als Schalter. Wenn sie jedoch nicht sorgfältig ausgelegt werden, sorgen sie für eine schlechte lineare Stromregelung und Verstärker. Dies hat mit den relativ großen Gate-Kapazitäten zu tun, die die Fähigkeit des Leistungs-FET, hohe Bandbreiten zu haben, einschränken. Spezielle Gate-Treiber-ICs können die großen Lade- / Entladeströme verarbeiten, wenn die Gate-Kapazität eines Mosfets bei hohen Frequenzen aktiviert wird, erhöhen aber auch die Projektkosten / -komplexität.

5) Mosfets haben typischerweise viel kleinere "lineare" Bereiche als BJTs und haben praktisch keinen Einschaltwiderstand, solange die Vgs-Bedingungen erfüllt sind, um den MOSFET in die Sättigung zu treiben. Bei "Ein" -Spannungsabfällen Vds im mV-Bereich wird nur dann eine beträchtliche Leistung verbraucht, wenn sich der MOSFET im Übergang von Aus zu Ein und Zurück befindet. Ein typischer Leistungs-MOSFET kann einen Dauer-ID von 40 A oder mehr haben und benötigt keinen Kühlkörper, bis Sie sich der Hälfte dieser Nennleistung nähern, da der Widerstand des MOSFET im eingeschalteten Zustand normalerweise im Milliohm-Bereich liegt. Bei einer Umgebungstemperatur von 30 ° C könnte ein TO-220-Gehäuse-Mosfet mit 0,01 Ohm RDSon (10 Milliohm) die gleichen 2,4 W wie ein BJT auf TO-220-Basis ohne Kühlkörper abführen, würde jedoch 15,49 A ohne a passieren Kühlkörper bei gleicher Sperrschichttemperatur von 150 ° C!

6) Die Verwendung eines Darlington in einem TO-220-Gehäuse mit einem ausreichend großen Kühlkörper kann große Ströme präzise linear steuern, wobei nur wenige mA (NPN / PNP) zu / von ihren Basen gehen / kommen. Ein Darlington kann auch verwendet werden, um kleine Ströme / Signale aufgrund ihrer größeren "linearen" Bereiche (ideal für DC-RF-Präzisionsleistungsanwendungen) mit sehr geringer Verzerrung genau zu verstärken. Darlingtons eignen sich besonders gut als Konstantstromquelle, bei der die Welligkeit des Ausgangs einer Schaltversorgung ein Problem für Ihr Design darstellt. Dies hat jedoch einen Preis mit großen Spannungsabfällen von 2 V oder mehr über Kollektor und Emitter, was zu hohen Verlustleistungen führt. BJTs neigen auch zu thermischem Durchgehen, ohne dass rücksichtsvolle Konstruktionen Geräte mit positivem Temperaturkoeffizienten sind.

7) Bei sorgfältiger Konstruktion kann ein Mosfet in seinem kleineren "linearen" Bereich arbeiten, verringert jedoch ähnliche Leistungsverluste wie ein BJT, während er in diesem "linearen" Bereich arbeitet. MOSFETs sind jedoch normalerweise Bauelemente mit negativem Temperaturkoeffizienten (sie sind etwas überstromgeschützt). Da es sich um ziemlich statisch empfindliche Geräte handelt (wie bei allen CMOS), sollten beim Umgang mit FETs Vorsichtsmaßnahmen getroffen und ESD-Geräte vorhanden sein.

BJT PROs :

• relativ einfach zu bedienen, leicht zu kontrollieren
• billig
• erfordern wenig Unterstützungsschaltung
• Gleichstrom-Hochfrequenz-Betrieb
• Nicht ESD-empfindlich, keine ESD-Vorsichtsausrüstung für die Arbeit erforderlich

BJT CONS :

• Ineffizient
• haben relativ hohe Verlustleistungen (Kühlkörper sind fast notwendig)
• Eine positive Temperatur kann zu einem thermischen Durchgehen führen und den Transistor zerstören
• Benötigen Sie Ballastwiderstände mit hoher Leistung und niedrigem Wert, um parallel zu arbeiten

Leistungs-MOSFET-PROS :

• Sehr niedriger RDSon ermöglicht Hochstromdesigns mit geringer Verlustleistung
• Der Gate-Strom tritt nur während des Ladens / Entladens der Gate-Kapazität auf
• Geeignet für Schaltkonstruktionen mit hoher Stromdichte mit kleinen / keinen Kühlkörpern
• kann ohne "Ballast" -Widerstände parallel geschaltet werden (nur zum Schalten)
• Gate-Power-MOSFETs auf Logikebene mit integrierten Gate-Ladungspumpentreibern erhältlich
• Die meisten sind negative Temco-Geräte

Leistungs-MOSFET-CONS :

• Die relativ große Gatekapazität begrenzt die Frequenz von DC auf ~ 10 MHz
• Für Hochfrequenz- / Hochleistungs-FETs sind spezielle Gate-Ansteuer-ICs erforderlich
• Hoch ESD-empfindliche Geräte, für die vorsorgliche ESD-Geräte gekauft werden müssen
• Logikpegel-Gate-MOSFETs haben ziemlich langsame Übergangszeiten Ton + Toff = durchschnittlich ~ 44 ns (22,7 MHz nahe der Obergrenze) - kein wirklicher Nachteil, es sei denn, die MCU-Frequenz ist> ~ 44 MHz

Hoffentlich kann dies die Eignung von BJT gegenüber MOSFET für eine bestimmte Aufgabe besser klären.

Nein, ein Darlington bietet Ihnen nicht mehr "Power Handling" als ein einzelner BJT (Bipolar Junction Transistor, dies sind die NPN- und PNP-Typen). Tatsächlich ist ein Darlington aufgrund seines großen Spannungsabfalls im eingeschalteten Zustand schlecht für die Belastbarkeit. Dies verursacht viel mehr Verlustleistung bei gleichem Strom wie ein einzelner BJT.

Der einzige Vorteil eines Darlington ist, dass seine Stromverstärkung viel höher ist als bei einem einzelnen BJT. Es ist effektiv der Gewinn der beiden BJTs, aus denen sich das Darlington zusammensetzt. Dies kann nützlich sein, wenn Sie niedrige Ströme schalten, die von hochohmigen Signalen gesteuert werden, und Sie keine hohe Geschwindigkeit benötigen.

Es gibt andere Möglichkeiten, mit einem hochohmigen Signal zu beginnen und genügend Strom bereitzustellen, um ein einzelnes BJT-Schaltelement anzusteuern.

Die Unterscheidung zwischen MOSFETs und BJTs hat jeweils ihre Vor- und Nachteile. BJT werden mit Strom bei niedriger Spannung gesteuert. Jeder BJT kann mit logischen Spannungen betrieben werden. FETs sind spannungsgesteuert, und alle bis auf einige FETs mit relativ niedriger Spannung (bis zu 30 V oder so) benötigen eine Gate-Ansteuerung von 10-12 V. Dies erfordert einen speziellen FET-Treiberchip oder eine spezielle FET-Treiberschaltung, um den FET von einem typischen Logikpegelsignal aus zu steuern.

Sowohl BJTs als auch FETs können im richtigen Fall mit erheblicher Leistung umgehen. BJTs sehen im eingeschalteten Zustand eher wie eine Spannungsquelle aus und FETs eher wie ein Widerstand. Welche weniger Leistung verbraucht, hängt vom Strom und der Rdson des FET ab. Bei einigen Ampere und 10 Volt sind FETs effizienter, da der Rdson derzeit weniger als etwa 200 mV eines gut gesättigten BJT beträgt. Der FET-Spannungsabfall steigt linear mit dem Strom an. Der Spannungsabfall eines BJT beginnt höher, steigt jedoch weniger als linear mit dem Strom an. Bei hohen Strömen kann ein BJT weniger Spannung abfallen. Außerdem haben FETs, die höheren Spannungen standhalten müssen, einen höheren Rdson, sodass BJTs bei höheren Strömen und Spannungen besser aussehen. Wenn Verlustleistung und ein paar 100 mV Abfall kein großes Problem sind, kommt es auf den Preis an,

FETs sind für eine Niederspannungsschaltung (im Allgemeinen) auch schwerer anzusteuern als BJTs (im Allgemeinen).

Es ist nicht untypisch, 5 oder 10 Volt Vgs zu benötigen, um eine bestimmte "Einschaltspannung" für einen FET zu erreichen - was etwas Taschentuch erfordert, wenn Sie es von einem 3,3-V-Gerät aus betreiben. Bei einigen FETs muss Vgs zum Ausschalten negativ gezogen werden.

Ein BJT benötigt einen Strom von ~ 0,7 V oder ~ 1,4 V für einen Darlington - und keine zusätzliche Treiberschaltung, um Steuerspannungen außerhalb des Betriebsbereichs des Mikros zu erzeugen.

Dies gilt nicht für alle Fälle - aber für genügend Fälle, um manchmal die Antwort zu sein.

Zusätzlich zu den Punkten von b degnan kann ein BJT effizienter sein, wenn sowohl ein FET als auch ein BJT in Sättigung vorgespannt sind, um Lasten mit sehr hohem Strom anzutreiben. Es sei daran erinnert, dass der Leistungsverlust von Drain zu Source in einem gesättigten FET durch I ^ 2 * Rdson gegeben ist, wobei der Leistungsverlust in einem gesättigten BJT vom Colletor zum Emitter durch I * Vjunction gegeben ist; Letzteres skaliert linear mit dem Strom, wobei Ersteres quadratisch skaliert . Wenn die Ströme niedrig sind, ist der FET typischerweise effizienter, insbesondere da Rdson bei niedrigen Strömen typischerweise niedriger als Vjunction ist, aber abhängig von den einzelnen fraglichen Vorrichtungen und den Vorspannungsbedingungen, die sich mit zunehmendem Laststrom durchaus ändern können.

Es ist auch möglich, dass der Grund nicht darin besteht, was für diese Schaltung am besten ist, sondern was für alle Schaltungen am besten ist, die der Ingenieur voraussichtlich benötigt. BJTs ermöglichen etwas mehr Flexibilität und Wiederverwendung. Wenn Sie einen Fall finden, in dem Sie einen Klasse-A-Verstärker anstelle eines Klasse-D-Verstärkers wünschen, funktioniert ein BJT wahrscheinlich besser als ein FET. Dies spielt möglicherweise keine große Rolle, wenn Sie nicht viele Schaltkreise entwerfen oder wenn der Wettbewerb um Ihr Produkt so groß ist, dass ein kleiner Vorteil bei den Spezifikationen oder Kosten von entscheidender Bedeutung ist. Andernfalls ist es jedoch möglich, Teile wiederzuverwenden und somit zu haben Weniger Teile, für die Sie Datenblätter lagern / beschaffen / aufbewahren müssen, können Zeit, Mühe und Geld sparen, verglichen mit einzigartigen Einzelteilen für jeden Fall.

In einigen Arduino-Beispielen sehen Sie Menschen, die Sperrschichttransistoren verwenden, um einen Motor anzutreiben. In diesem Fall verwendet er beispielsweise einen Darlington-Transistor ... Gibt es einen Grund, etwas anderes als einen MOSFET zu verwenden (es sei denn, Sie haben einfach keinen und Sie haben einen anderen Typ?)

Er weiß es wahrscheinlich einfach nicht besser. Darlington-Transistoren sind eine alte Technologie, die weitgehend abgelöst wurde. Sie haben einen hohen Spannungsabfall (typischerweise 1,1 V) mindestens , während ein guter FET weniger als 0,2 sollte), eine schlechte Stromtragfähigkeit und eine langsame Schaltgeschwindigkeit. Im Gegensatz zu MOSFETs haben Bipolartransistoren keine eingebauten Körperdioden. In einer Brückenschaltung benötigen Sie daher externe Flyback-Dioden, um die induktive Gegen-EMK zu handhaben. Ich kann mir keinen guten Grund vorstellen, einen mit einem Arduino zu verwenden.

Aber Hobbyisten verwenden sie immer noch, weil sie nur alte Schaltkreise kopieren und nicht wissen, dass bessere Alternativen verfügbar sind. In ähnlicher Weise werden Sie Leute sehen, die versuchen, einen ULN2003 oder L298 zu verwenden, um Motoren mit mehreren Ampere anzutreiben, oder alte FETs wie den IRF540, die einen 10-V-Gate-Antrieb benötigen. Dann verwenden sie einen langsam wiederherstellenden 1N4004-Gleichrichter als Flyback-Diode!

Kurz gesagt, nehmen Sie nicht an, dass ein Amateurprojekt, das Sie im Internet finden, ordnungsgemäß entwickelt wurde, egal wie schick die Webseite aussieht ...

Nun, MOSFETs sind im Vergleich zu BJTs besser (Sie können selbst nach Vor- und Nachteilen suchen).

In Ihrem speziellen Fall war ein Darlington-Paar-IC überhaupt nicht erforderlich. Die Motorgröße war ziemlich klein, so dass nie mehr als 100 mA oben gezogen werden. Ein einzelner BJT (BC547) hätte den gleichen Effekt erzeugt.

Um Ihre Frage zu beantworten, handelt es sich tatsächlich um eine Entwurfsentscheidung, bei der das Gleichgewicht zwischen Kosten und Effizienz gefunden wird.

BJTs sind im Vergleich zu MOSFETs immer viel billiger. In kleinen Anwendungen und kleinen Projekten wie dem von Ihnen erwähnten Link würde die Last niemals mehr als 100 mA verbrauchen, sodass ein billiger BC547 eine bessere Option wäre als ein MOSFET, der mehr als ein paar Ampere verarbeiten kann (allgemeiner Fall). aber es ist teurer.