Apakah ada alasan untuk menggunakan persimpangan atau transistor Darlington untuk aplikasi daya?

Dalam beberapa contoh Arduino, Anda melihat orang menggunakan transistor persimpangan untuk menyalakan motor. Dalam kasus ini, misalnya, dia menggunakan transistor Darlington: http://www.instructables.com/id/Gunakan-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/

Apakah ada alasan untuk menggunakan selain MOSFET (kecuali jika Anda tidak memilikinya, dan Anda memang memiliki tipe lain?) Apakah ada keuntungan untuk persimpangan atau transistor Darlington untuk aplikasi ini?

Transistor Darlington memberi Anda dua perangkat yang mengalir bersama, yang memberi Anda lebih banyak penanganan daya. Secara absolut, keuntungan dari struktur BJT dibandingkan MOSFET adalah Anda tidak memiliki gerbang dengan isolasi oksida, dan karenanya Anda tidak perlu khawatir tentang kait dari fly-back induktif. Setiap induktor, seperti pada motor dan relay, akan menyimpan fluks di koil, dan perubahan operasi akan menyebabkan flyback tegangan besar. Tegangan flyback itu dapat membalikkan persimpangan pada MOSFET atau mungkin merusak gerbang.

Jika Anda hanya bermain-main, keuntungan dari BJT adalah ketahanan. Jika Anda khawatir tentang arus, keunggulan MOSFET adalah input kapasitif tidak menarik arus setelah pengisian.

Itulah jawaban pendek, pendek.

1) Power FET dan Darlingtons adalah dua binatang yang berbeda. BJT berfungsi paling baik sebagai perangkat linier yang dikendalikan CURRENT. BJT secara inheren memiliki bandwidth lebih tinggi daripada FET dan umumnya lebih murah untuk membawa arus identik. Selain itu, BJT dapat membuat sumber arus konstan yang sangat baik dan murah, menjadikan sumber arus konstan yang sederhana namun tepat untuk perangkat terkontrol arus sensitif seperti LED. Konfigurasi BJT dan khususnya Darlington memungkinkan Anda untuk mengontrol secara tepat arus keluaran dalam kisaran 0-10A + dengan biasanya kurang dari 2mA dari MCU dengan resistor set arus sederhana ke pangkalan yang terhubung ke pin mikrokontroler.

2) Untuk presisi menggunakan PNP Darlington, arus basis direferensikan ke ground, pin mikrokontroler masih dapat digunakan, output hanya diubah rendah ke ground resistor basis. Jika tegangan suplai utama bervariasi, resistor indera arus perlu digunakan sebagai umpan balik untuk mengimbangi. Arus pin mikrokontroler bervariasi dengan kemampuan sumber / tenggelam dan keluarga MCU yang berbeda akan memiliki kemampuan yang berbeda. AVR 5V tipikal dapat sumber / tenggelam hingga 20-30mA / pin menjadi TTL, dan arduino berbasis SAM seperti DUE memiliki dua jenis kemampuan pin pin arus rendah dan tinggi, pin arus tinggi yang hanya dapat sumber 15mA / tenggelam 9mA ( low power CMOS) jadi ingatlah ini jika Anda tidak menggunakan op-amp sebagai buffer.

3) Walaupun BJT sangat hebat dalam memperkuat sinyal kecil dengan distorsi rendah, dan mengontrol arus tinggi dengan tepat, namun BJT membuat switch yang buruk karena meskipun jenuh, mereka masih memiliki voltase VCE yang turun lebih dari 2V, ini berarti disipasi daya yang signifikan pada arus tinggi, yang berarti produksi panas yang signifikan. Bahkan jika Anda memiliki Darlington yang dapat menangani 20A sebelum mendapatkan roll off, memiliki sesedikit 0,96A dan suhu sekitar 30C, Anda akan berada pada suhu persimpangan 150C tanpa pendingin.

4) Power MOSFET's hampir kebalikan dari BJT yang beroperasi, mereka hebat dalam switch, tetapi jika tidak dirancang dengan hati-hati, membuat kontrol arus linier yang buruk dan perangkat penguatan. Ini ada hubungannya dengan kapasitansi gerbang yang relatif besar yang membatasi kemampuan daya FET untuk memiliki bandwidth tinggi. IC gerbang khusus IC dapat menangani arus pengisian / pengeluaran yang besar ketika memberi energi pada kapasitansi gerbang MOSFET pada frekuensi tinggi tetapi juga meningkatkan biaya / kompleksitas proyek.

5) MOSFET biasanya memiliki daerah "linier" yang jauh lebih kecil daripada BJT dan hampir tidak memiliki ketahanan "hidup" selama kondisi Vgs terpenuhi untuk membuat MOSFET menjadi saturasi. Dengan voltase "on" turun VDS di wilayah mV, satu-satunya daya yang cukup besar yang hilang adalah ketika MOSFET dalam transisi dari mati ke hidup dan kembali. Kekuatan khas MOSFET dapat memiliki ID kontinu 40A atau lebih dan tidak memerlukan heatsink hingga Anda mendekati setengah dari peringkat tersebut karena hambatan MOSFET ketika dihidupkan biasanya di wilayah milliohms. Dengan suhu sekitar 30C, MOSFET case TO-220 dengan 0,01 Ohms RDSon (10 miliohms), akan dapat menghilangkan 2,4W yang sama dengan BJT berbasis-220 tanpa heat sink tetapi akan melewati 15.49A tanpa heatsink pada suhu persimpangan 150C yang sama!

6) Menggunakan Darlington dalam kasus TO-220 dengan heatsink berukuran cukup dapat secara linear mengontrol arus besar tepat hanya dengan beberapa mA going / coming (NPN / PNP) ke / dari pangkalan mereka. Darlington juga dapat digunakan untuk memperkuat arus kecil / sinyal secara akurat dengan distorsi yang sangat rendah karena daerah "linier" yang lebih besar (bagus untuk aplikasi daya presisi DC-RF). Darlingtons sangat cocok sebagai sumber arus konstan di mana riak keluaran dari pasokan switching akan menjadi perhatian bagi desain Anda. Namun ini datang pada harga dengan drop tegangan besar 2V atau lebih di seluruh kolektor dan emitor, yang mengarah ke disipasi daya tinggi. BJT juga rentan terhadap pelarian termal tanpa mempertimbangkan desain menjadi perangkat koefisien suhu positif.

7) Dengan desain yang cermat, MOSFET dapat dibuat untuk bekerja di wilayah "linier" yang lebih kecil, tetapi akan menghilangkan kehilangan daya yang sama seperti BJT saat beroperasi di dalam wilayah "linier" ini. Namun, MOSFET biasanya perangkat koefisien suhu negatif (mereka agak dilindungi arus berlebih). Mereka adalah perangkat sensitif yang cukup statis (seperti semua CMOS), jadi tindakan pencegahan harus diambil dan peralatan ESD harus ada saat menangani FET.

PRO BJT :

• relatif mudah dalam penggunaan, mudah dikendalikan
• murah
• membutuhkan sedikit sirkuit dukungan
• Operasi frekuensi DC ke Radio
• tidak sensitif terhadap ESD, tidak ada peralatan pencegahan ESD yang diperlukan untuk bekerja dengannya

BJT CONS :

• Tidak efisien
• memiliki disipasi daya yang relatif tinggi (heatsink hampir menjadi keharusan)
• Tempco positif dapat menyebabkan pelarian termal dan menghancurkan transistor
• Butuh watt tinggi nilai rendah "pemberat" resistor untuk paralel

Power MOSFET PROS :

• RDSon yang sangat rendah memungkinkan desain disipasi daya rendah saat ini
• gerbang saat ini hanya terjadi selama pengisian / pemakaian kapasitansi gerbang
• Cocok untuk desain switching arus kepadatan tinggi dengan heatsink kecil / tidak ada
• dapat diparalelkan tanpa resistor "ballast" (hanya untuk switching)
• MOSFET daya gerbang tingkat logika dengan driver pompa pengisian gerbang terintegrasi tersedia
• Sebagian besar adalah perangkat temco negatif

KONS Daya MOSFET :

• Frekuensi batas kapasitansi gerbang relatif besar dari DC ke ~ 10MHz
• Memerlukan IC drive gerbang khusus untuk FET frekuensi tinggi / daya tinggi
• Perangkat yang sangat sensitif ESD, membutuhkan pembelian peralatan pencegahan ESD
• MOSFET gerbang tingkat logika memiliki waktu transisi yang cukup lambat. Ton + Toff = rata-rata 44nS (22,7MHz dekat batas atas) - tidak benar-benar penipu kecuali MCU freq> ~ 44MHz

Semoga ini bisa lebih memperjelas kesesuaian pilihan BJT vs MOSFET untuk tugas yang diberikan.

Tidak, seorang darlington tidak memberi Anda lebih banyak "penanganan daya" daripada BJT tunggal (transistor persimpangan bipolar, ini adalah yang datang dalam tipe NPN dan PNP). Kenyataannya, sebuah darlington buruk untuk penanganan daya karena jatuh tegangan yang besar saat dinyalakan. Ini menyebabkan lebih banyak disipasi pada saat yang sama dengan BJT tunggal.

Satu-satunya keuntungan darlington adalah keuntungannya saat ini jauh lebih tinggi daripada BJT tunggal. Secara efektif, perolehan dua BJT yang menyusun darlington berlipat ganda. Ini dapat berguna saat mengganti arus rendah yang dikendalikan oleh sinyal impedansi tinggi, dan Anda tidak perlu kecepatan tinggi.

Ada cara lain untuk memulai dengan sinyal impedansi tinggi dan memberikan arus yang cukup untuk menggerakkan elemen switching BJT tunggal.

Adapun perbedaan antara MOSFET dan BJT, masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. BJT dikontrol dengan arus pada tegangan rendah. BJT dapat digerakkan dengan voltase level logika. FET dikontrol tegangan, dan semua kecuali beberapa FET tegangan yang relatif rendah (hingga 30 V atau lebih), perlu drive gerbang 10-12 V. Untuk itu diperlukan chip atau rangkaian driver FET khusus untuk mengontrol FET dari sinyal level logika tipikal.

Baik BJT dan FET dapat menangani kekuatan yang signifikan dalam kasus yang tepat. BJT lebih mirip sumber tegangan saat dinyalakan, dan FET lebih mirip resistor. Yang mana yang menghilangkan daya lebih sedikit tergantung pada arus dan Rdson dari FET. Pada beberapa amp dan 10 volt, FET lebih efisien karena kali ini Rdson kurang dari 200 mV atau bahkan BJT yang jenuh. Penurunan tegangan FET naik secara linear dengan arus. Penurunan tegangan BJT dimulai lebih tinggi tetapi naik kurang dari linear dengan arus. Pada arus tinggi, BJT dapat menurunkan tegangan lebih sedikit. Juga, FET yang harus tahan terhadap voltase yang lebih tinggi memiliki Rdson yang lebih tinggi, sehingga BJT terlihat seperti kesepakatan yang lebih baik pada arus dan voltase yang lebih tinggi. Ketika pemborosan dan penurunan 100 mV bukanlah masalah besar, harganya turun,

FET juga (secara umum) lebih sulit untuk sirkuit tegangan rendah untuk dikendarai daripada BJT (secara umum.)

Tidak lazim membutuhkan 5 atau 10 volt Vgs untuk mencapai tegangan "nyalakan" yang ditentukan untuk FET - yang memerlukan saputangan jika Anda mengendarainya dari perangkat 3.3V. Atau, beberapa FET mengharuskan Vgs ditarik negatif untuk mematikan.

BJT membutuhkan arus, pada ~ 0.7V, atau ~ 1.4V untuk Darlington - dan tidak ada sirkuit driver tambahan untuk menghasilkan tegangan kontrol di luar jangkauan operasi mikro.

Ini tidak berlaku untuk semua kasus - tetapi berlaku untuk kasus yang cukup untuk menjadi jawaban beberapa waktu.

Selain poin b degnan, jika FET dan BJT bias dalam saturasi untuk menggerakkan beban arus sangat tinggi, BJT mungkin lebih efisien. Ingatlah bahwa kehilangan daya dari drain ke sumber dalam FET jenuh diberikan oleh I ^ 2 * Rdson, di mana kehilangan daya dalam BJT jenuh dari colletor ke emitor diberikan oleh I * Vjunction; timbangan terakhir linear dengan saat ini, di mana mantan timbangan kuadratik . Ketika arus rendah, FET biasanya lebih efisien, terutama karena Rdson biasanya lebih rendah dari Vjunction pada arus rendah, tetapi tergantung pada masing-masing perangkat yang dipermasalahkan, dan kondisi bias, yang mungkin berubah seiring meningkatnya arus beban.

Mungkin juga alasannya bukan tentang apa yang terbaik untuk sirkuit ini, tetapi apa yang terbaik untuk semua sirkuit yang diharapkan oleh insinyur. BJT memungkinkan untuk sedikit lebih fleksibel dan digunakan kembali; jika Anda menemukan kasus di mana Anda menginginkan penguat kelas A alih-alih kelas D, BJT mungkin akan bekerja lebih baik daripada FET. Ini mungkin tidak terlalu menjadi masalah jika Anda tidak mendesain banyak sirkuit, atau jika persaingan untuk produk Anda begitu ketat sehingga setiap sisi kecil dalam spesifikasi atau biaya sangat penting, tetapi sebaliknya, dapat menggunakan kembali suku cadang, dan dengan demikian memiliki lebih sedikit bagian yang Anda perlu stok / sumber / simpan lembar data, dapat menghemat waktu, tenaga, dan uang dibandingkan dengan memiliki bagian terbaik yang unik untuk setiap kasus.

Dalam beberapa contoh Arduino, Anda melihat orang menggunakan transistor persimpangan untuk menyalakan motor. Dalam hal ini, misalnya, dia menggunakan transistor Darlington ... Apakah ada alasan untuk menggunakan selain MOSFET (kecuali jika Anda tidak memilikinya, dan Anda memang memiliki tipe lain?)

Dia mungkin tidak tahu apa-apa. Transistor Darlington adalah teknologi lama yang sebagian besar telah digantikan. Mereka memiliki drop tegangan tinggi (biasanya 1.1V minimum , sedangkan FET yang baik harus turun kurang dari 0.2V), daya dukung arus yang buruk, dan kecepatan switching yang lambat. Tidak seperti MOSFET, transistor bipolar tidak memiliki dioda tubuh bawaan, jadi di sirkuit jembatan Anda memerlukan dioda flyback eksternal untuk menangani back-ggl induktif. Saya tidak bisa memikirkan alasan bagus untuk menggunakannya dengan Arduino.

Tetapi penggemar masih menggunakannya karena mereka hanya menyalin sirkuit lama dan tidak tahu bahwa alternatif yang lebih baik tersedia. Demikian pula Anda akan melihat orang yang mencoba menggunakan ULN2003 atau L298 untuk menggerakkan motor di beberapa Amps, atau FET kuno seperti IRF540 yang membutuhkan drive 10V Gate. Kemudian mereka menggunakan rectifier 1N4004 pemulihan lambat sebagai flyback diode!

Singkatnya, jangan menganggap bahwa beberapa proyek amatir yang Anda temukan di Internet telah direkayasa dengan baik, tidak peduli seberapa apik halaman web itu muncul ...

Yah, MOSFET lebih baik jika dibandingkan dengan BJT (Anda dapat mencari pro dan kontra sendiri).

Dalam kasus spesifik Anda, tidak, IC pasangan Darlington sama sekali tidak diperlukan. Ukuran motor cukup kecil, sehingga tidak akan pernah menarik lebih dari 100 mA. BJT tunggal (BC547) akan menghasilkan efek yang sama.

Untuk menjawab pertanyaan Anda, itu sebenarnya keputusan desain, menemukan keseimbangan antara biaya dan efisiensi.

BJT selalu jauh lebih murah jika dibandingkan dengan MOSFET. Jadi dalam aplikasi kecil dan proyek kecil seperti pada tautan yang Anda sebutkan, beban tidak akan pernah menarik lebih dari 100 mA sehingga BC547 yang murah akan menjadi pilihan yang lebih baik daripada MOSFET yang mampu menangani lebih dari beberapa ampere (kasus umum), tetapi lebih mahal.