In alcuni esempi di Arduino, vedi persone che usano transistor di giunzione per alimentare un motore. In questo caso, ad esempio, sta usando un transistor Darlington: http://www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/
C'è qualche motivo per usare qualcosa di diverso da un MOSFET (a meno che tu non ne abbia semplicemente uno e ne abbia un altro tipo?) C'è qualche vantaggio sui transistor di giunzione o Darlington per questa applicazione?
Risposte:
Un transistor Darlington ti dà due dispositivi collegati in cascata, il che ti dà una maggiore gestione della potenza. Assolutamente parlando, il vantaggio di una struttura BJT su un MOSFET è che non si dispone di un cancello con isolamento di ossido, e quindi non è necessario preoccuparsi di un latch-up dal fly-back induttivo. Qualsiasi induttore, come nei motori e nei relè, memorizzerà un flusso attraverso la bobina e un cambiamento nel funzionamento causerà un elevato ritorno di tensione. Tale tensione di ritorno può invertire la giunzione sul MOSFET o eventualmente danneggiare il gate.
Se stai solo giocando, il vantaggio del BJT è la robustezza. Se sei preoccupato per la corrente, il vantaggio del MOSFET è che l'ingresso capacitivo non assorbe corrente dopo la ricarica.
Questa è la risposta breve, breve.
1) Power FET e Darlingtons sono due animali diversi. Un BJT funziona meglio come un dispositivo lineare che è precisamente controllato CORRENTE. I BJT hanno intrinsecamente larghezze di banda superiori rispetto alle FET e sono generalmente più economici per un identico trasporto di corrente. Inoltre, i BJT possono produrre sorgenti di corrente costante eccellenti ed economiche, creando una sorgente di corrente costante semplice ma precisa per dispositivi sensibili a corrente controllata come i LED. BJT e in particolare le configurazioni Darlington consentono di controllare con precisione una corrente di uscita nell'intervallo 0-10A + con in genere inferiore a 2mA da un MCU con un semplice resistore impostato alla base collegato a un pin del microcontrollore.
2) Per precisione usando un Darlington PNP, la corrente di base è riferita a terra, è ancora possibile utilizzare un pin del microcontrollore, l'uscita è appena abbassata per mettere a terra il resistore di base. Se la tensione di alimentazione principale varia, è necessario utilizzare un resistore di rilevamento corrente per compensare il feedback. Le correnti dei pin del microcontrollore variano a seconda della capacità di approvvigionamento / affondamento e diverse famiglie MCU avranno capacità diverse. Un tipico AVR a 5 V può generare / affondare fino a 20-30 mA / pin essendo TTL e gli arduino basati su SAM come il DUE hanno due tipi di pin pin a bassa e alta corrente, pin ad alta corrente che possono generare solo 15 mA / sink 9mA ( CMOS a bassa potenza) quindi tienilo a mente se non stai usando un amplificatore operazionale come buffer.
3) Mentre i BJT sono grandi nell'amplificare piccoli segnali con bassa distorsione e nel controllare con precisione le correnti elevate, i BJT producono interruttori scadenti tuttavia perché anche se saturi, hanno ancora cadute di tensione Vce oltre i 2 V, ciò significa una significativa dissipazione di potenza ad alte correnti, che significa una significativa produzione di calore. Anche se hai un Darlington in grado di gestire 20A prima del guadagno, con un minimo di 0,96 A e una temperatura ambiente di 30 ° C, avrai una temperatura di giunzione di 150 ° C senza dissipatore di calore.
4) I MOSFET di potenza sono quasi l'opposto di quelli di BJT in funzione, sono ottimi per essere interruttori, ma se non progettati con cura, riducono il controllo della corrente lineare e amplificano i dispositivi. Ciò ha a che fare con le capacità del gate relativamente grandi che limitano la capacità del FET di potenza di avere larghezze di banda elevate. I circuiti integrati speciali del gate driver possono gestire le grandi correnti di carica / scarica quando si eccita la capacità del gate di un mosfet ad alte frequenze ma aumentano anche il costo / la complessità del progetto.
5) I mosfet hanno tipicamente regioni "lineari" molto più piccole rispetto a quelle di BJT e resistono praticamente a zero "fintanto che sono soddisfatte le condizioni Vgs per portare il MOSFET in saturazione. Con "on" cadute di tensione Vds nella regione mV, l'unica potenza considerevole che viene dissipata è quando il MOSFET è in transizione da spento a acceso e viceversa. Un MOSFET di potenza tipico può avere un ID continuo di 40 A o più e non è necessario un dissipatore di calore fino a quando non si raggiunge quasi la metà di quella valutazione perché la resistenza del MOSFET quando acceso è di solito nella regione dei milliohm. Con una temperatura ambiente di 30 ° C, un caso Mosfet TO-220 con 0,01 Ohm RDSon (10 milliohm), sarebbe in grado di dissipare gli stessi 2,4 W di un BJT basato su TO-220 senza dissipatore di calore ma passerebbe a 15,49 A senza un dissipatore di calore alla stessa temperatura di giunzione 150C!
6) L'uso di un Darlington in una custodia TO-220 con un dissipatore di dimensioni adeguate può controllare linearmente grandi correnti con precisione con pochi mA che vanno / vengono (NPN / PNP) verso / dalle loro basi. Un Darlington può anche essere usato per amplificare accuratamente piccole correnti / segnali con distorsione molto bassa a causa delle loro regioni "lineari" più grandi (ottimo per applicazioni di potenza di precisione DC-RF). I Darlington sono particolarmente adatti come fonte di corrente costante in cui l'ondulazione di uscita da un alimentatore a commutazione sarebbe una preoccupazione per il tuo progetto. Tuttavia, questo ha un prezzo con grandi cadute di tensione di 2 V o più attraverso il collettore e l'emettitore, portando a dissipazioni di potenza elevate. I BJT sono anche soggetti a fuga termica senza che il design attento sia dispositivi a coefficienti di temperatura positivi.
7) Con un'attenta progettazione, un mosfet può essere fatto funzionare nella sua regione "lineare" più piccola, ma dissiperà simili perdite di potenza di un BJT mentre opera all'interno di questa regione "lineare". Tuttavia, i MOSFET sono generalmente dispositivi a coefficiente di temperatura negativo (sono in qualche modo protetti da sovracorrente). Sono dispositivi abbastanza statici (come tutti i CMOS), quindi è necessario prendere precauzioni e le apparecchiature ESD devono essere messe in atto quando si maneggiano i FET.
BJT PRO :
BJT CONT :
PRO MOSFET di potenza :
MOSFET di potenza CONTRO :
Speriamo che questo possa chiarire meglio l'idoneità della scelta BJT vs MOSFET per un determinato compito.
No, un darlington non ti dà più "gestione della potenza" di un singolo BJT (transistor a giunzione bipolare, questi sono quelli che vengono nei tipi NPN e PNP). In effetti, un darlington è dannoso per la gestione dell'alimentazione a causa della sua grande caduta di tensione quando è acceso. Ciò provoca molta più dissipazione alla stessa corrente di un singolo BJT.
L'unico vantaggio di un darlington è che il suo guadagno attuale è molto più alto di un singolo BJT. È effettivamente il guadagno dei due BJT che compongono il darlington moltiplicato insieme. Ciò può essere utile quando si commutano correnti basse controllate da segnali ad alta impedenza e non è necessaria una velocità elevata.
Esistono altri modi per iniziare con un segnale ad alta impedenza e fornire abbastanza corrente per pilotare un singolo elemento di commutazione BJT.
Per quanto riguarda la distinzione tra MOSFET e BJT, ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi. I BJT sono controllati con corrente a bassa tensione. Qualsiasi BJT può essere pilotato con tensioni di livello logico. I FET sono controllati in tensione e tutti tranne alcuni FET in tensione relativamente bassa (fino a 30 V circa), richiedono un gate drive da 10-12 V. Ciò richiede uno speciale chip o circuito del driver FET per controllare il FET da un tipico segnale di livello logico.
Sia i BJT che i FET possono gestire una potenza significativa nei casi giusti. I BJT sembrano più una fonte di tensione quando sono accesi e i FET più come una resistenza. Quale dissipa meno energia dipende dalla corrente e dalla Rdson del FET. A pochi ampere e 10 s di volt, i FET sono più efficienti poiché i tempi attuali il Rdson è inferiore ai 200 mV o giù di lì anche di un BJT ben saturo. La caduta di tensione FET aumenta linearmente con la corrente. La caduta di tensione di un BJT inizia più in alto ma sale meno che linearmente con la corrente. A correnti elevate un BJT può ridurre la tensione. Inoltre, i FET che devono resistere a tensioni più elevate hanno un Rdson più elevato, quindi i BJT sembrano un affare migliore a correnti e tensioni più elevate. Quando la dissipazione e qualche calo di 100 mV non è un grosso problema, si riduce al prezzo,
I FET sono anche (in generale) più difficili da guidare per un circuito a bassa tensione rispetto ai BJT (in generale).
Non è atipico avere bisogno di 5 o 10 volt Vgs per raggiungere una tensione di "accensione" specifica per un FET - che richiede un po 'di fazzoletto se lo stai guidando da un dispositivo da 3,3 V. Oppure, alcuni FET richiedono che Vgs sia tirato in negativo per disattivarlo.
Un BJT ha bisogno di corrente, a ~ 0,7 V o ~ 1,4 V per un Darlington - e nessun circuito driver aggiuntivo per generare tensioni di controllo al di fuori del campo operativo del micro.
Questo non si applica a tutti i casi, ma si applica a casi sufficienti per essere la risposta qualche volta.
Oltre ai punti di b degnan, se sia una FET che una BJT sono distorte nella saturazione per guidare carichi a corrente molto elevata, una BJT potrebbe essere più efficiente. Ricordiamo che la perdita di potenza da drain a source in un FET saturo è data da I ^ 2 * Rdson, dove la perdita di potenza in un BJT saturo da collettore a emettitore è data da I * Vjunction; il secondo si ridimensiona linearmente con la corrente, dove il primo si ridimensiona in modo quadratico . Quando le correnti sono basse, il FET è in genere più efficiente, in particolare poiché Rdson è in genere inferiore a Vjunction a basse correnti, ma a seconda dei singoli dispositivi in questione e delle condizioni di polarizzazione, che possono cambiare con l'aumentare della corrente di carico.
È anche possibile che il motivo non riguardi ciò che è meglio per questo circuito, ma ciò che è meglio per tutti i circuiti che l'ingegnere si aspetta di avere bisogno. I BJT consentono un po 'più di flessibilità e riutilizzo; se trovi un caso in cui desideri un amplificatore di classe A anziché una classe D, un BJT probabilmente funzionerà meglio di un FET. Questo potrebbe non importare molto se non stai progettando molti circuiti, o se la concorrenza per il tuo prodotto è così accanita che qualsiasi piccolo vantaggio nelle specifiche o nei costi è fondamentale, ma per il resto, essere in grado di riutilizzare le parti e quindi avere un numero minore di parti per le quali è necessario immagazzinare / reperire / conservare i fogli dati, può risparmiare tempo, fatica e denaro rispetto ad avere parti migliori uniche per ciascun caso.
In alcuni esempi di Arduino, vedi persone che usano transistor di giunzione per alimentare un motore. In questo caso, ad esempio, sta usando un transistor Darlington ... C'è qualche motivo per usare qualcosa di diverso da un MOSFET (a meno che tu non ne abbia uno e ne abbia un altro?)
Probabilmente non conosce altro. I transistor Darlington sono una vecchia tecnologia che è stata ampiamente sostituita. Hanno una caduta di tensione elevata (in genere almeno 1,1 V) , mentre un buon FET dovrebbe scendere a meno di ), scarsa capacità di carico di corrente e bassa velocità di commutazione. A differenza dei MOSFET, i transistor bipolari non hanno diodi corporei incorporati, quindi in un circuito a ponte sono necessari diodi flyback esterni per gestire il back-emf induttivo. Non riesco a pensare a nessuna buona ragione per usarne uno con un Arduino.
Ma gli hobbisti li usano ancora perché stanno solo copiando vecchi circuiti e non sanno che sono disponibili alternative migliori. Allo stesso modo vedrai persone che provano a utilizzare un ULN2003 o L298 per pilotare motori a diversi amplificatori o FET antichi come l'IRF540 che necessitano di un drive 10V Gate. Quindi usano un raddrizzatore 1N4004 a recupero lento come diodo flyback!
In breve, non dare per scontato che alcuni progetti amatoriali che trovi su Internet siano stati progettati correttamente, non importa quanto sia liscia la pagina web ...
Bene, i MOSFET sono migliori rispetto ai BJT (puoi cercare pro e contro te stesso).
Nel tuo caso specifico, no, non era necessario un IC a coppia Darlington. Le dimensioni del motore erano piuttosto ridotte, quindi non assorbiranno mai più di 100 mA. Un singolo BJT (BC547) avrebbe prodotto lo stesso effetto.
Per rispondere alla tua domanda, è in realtà una decisione di progettazione, trovare l'equilibrio tra costo ed efficienza.
I BJT sono sempre molto più economici rispetto ai MOSFET. Quindi nelle piccole applicazioni e nei piccoli progetti come nel collegamento menzionato, il carico non assorbirebbe mai più di 100 mA, quindi un BC547 economico sarebbe un'opzione migliore di un MOSFET in grado di gestire più di un paio di ampere (caso generale), ma è più costoso.