Existe algum motivo para usar transistores de junção ou Darlington para aplicações de energia?

Em alguns exemplos do Arduino, você vê pessoas usando transistores de junção para alimentar um motor. Nesse caso, por exemplo, ele está usando um transistor de Darlington: http://www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/

Existe algum motivo para usar algo além de um MOSFET (a menos que você simplesmente não possua um e tenha outro tipo?) Há alguma vantagem nos transistores de junção ou Darlington para este aplicativo?

Um transistor Darlington oferece dois dispositivos em cascata, o que proporciona mais manuseio de energia. Em termos absolutos, a vantagem de uma estrutura BJT sobre um MOSFET é que você não possui uma porta com isolamento de óxido e, portanto, não precisa se preocupar com uma trava do retorno indutivo. Qualquer indutor, como em motores e relés, armazenará um fluxo através da bobina, e uma alteração na operação causará um grande retorno de tensão. Essa tensão de retorno pode reverter a junção no MOSFET ou possivelmente danificar o portão.

Se você está apenas brincando, a vantagem do BJT é a robustez. Se você está preocupado com a corrente, a vantagem do MOSFET é que a entrada capacitiva não extrai corrente após o carregamento.

Essa é a resposta curta e curta.

1) Power FET's e Darlingtons são dois animais diferentes. Um BJT funciona melhor como um dispositivo linear que é controlado precisamente pela CORRENTE. Os BJT possuem inerentemente larguras de banda mais altas que os FET e geralmente são mais baratos para transporte de corrente idêntico. Além disso, os BJTs podem produzir fontes de corrente constante excelentes e baratas, criando uma fonte de corrente constante simples, mas precisa, para dispositivos controlados por corrente sensíveis, como LEDs. As configurações de BJT e particularmente de Darlington permitem controlar com precisão uma corrente de saída na faixa de 0 a 10A + com tipicamente menos de 2 mA de um MCU com um resistor de corrente simples na base conectada a um pino do microcontrolador.

2) Para precisão usando um PNP Darlington, a corrente de base é referenciada ao terra, um pino de microcontrolador ainda pode ser usado, a saída é reduzida apenas para aterrar o resistor de base. Se a tensão de alimentação principal variar, um resistor sensor de corrente precisa ser usado para feedback para compensar. As correntes dos pinos do microcontrolador variam com a capacidade de fornecimento / naufrágio e as diferentes famílias de MCU terão diferentes capacidades. Um AVR de 5V típico pode originar / afundar até 20-30mA / pino sendo TTL, e os arduinos baseados em SAM como o DUE têm dois tipos de recursos de pinos: pinos de baixa e alta corrente, pinos de alta corrente que só podem fornecer 15mA / 9mA ( CMOS de baixa potência), lembre-se disso se você não estiver usando um amplificador operacional como buffer.

3) Embora os BJTs sejam ótimos para amplificar pequenos sinais com baixa distorção e controlem com precisão as altas correntes, os BJT produzem interruptores ruins; no entanto, mesmo se saturados, eles ainda apresentam quedas de tensão Vce acima de 2V, isso significa uma dissipação significativa de energia em altas correntes, o que significa produção significativa de calor. Mesmo se você tiver um Darlington capaz de lidar com 20A antes do ganho, tendo apenas 0,96A e temperatura ambiente de 30 ° C, estará em uma temperatura de junção de 150 ° C sem dissipador de calor.

4) Os MOSFETs de potência são quase o oposto dos BJTs em operação, eles são ótimos em serem interruptores, mas se não forem projetados com cuidado, resultarão em dispositivos de controle e amplificação de corrente linear fracos. Isso tem a ver com as capacitâncias de porta relativamente grandes que limitam a capacidade do FET de energia de ter altas larguras de banda. Os ICs especiais de controladores de portas podem lidar com as grandes correntes de carga / descarga ao energizar a capacitância de portas de um mosfet em altas frequências, mas também aumentam o custo / complexidade do projeto.

5) Os Mosfets normalmente têm regiões "lineares" muito menores do que os BJTs e têm virtualmente zero "on" de resistência, desde que as condições Vgs sejam atendidas para levar o MOSFET à saturação. Com a tensão "on" cai Vds na região mV, a única energia considerável que está sendo dissipada é quando o MOSFET está em transição de desligado para ligado e para trás. Um MOSFET de energia típico pode ter um ID contínuo de 40 A ou mais e não precisa de um dissipador de calor até você chegar perto da metade dessa classificação, porque a resistência do MOSFET quando ligada geralmente está na região de miliohms. Com uma temperatura ambiente de 30 ° C, um gabinete Mosfet TO-220 com RDSon de 0,01 Ohms (10 miliohms) seria capaz de dissipar os mesmos 2,4 W que um BJT baseado em TO-220 sem dissipador de calor, mas passaria 15,49A sem um dissipador de calor na mesma temperatura de junção 150C!

6) O uso de um Darlington em um gabinete TO-220 com um dissipador de calor de tamanho adequado pode controlar linearmente grandes correntes precisamente com apenas alguns mA de entrada / saída (NPN / PNP) de / para suas bases. Um Darlington também pode ser usado para amplificar pequenas correntes / sinais com precisão e com uma distorção muito baixa devido às suas regiões "lineares" maiores (ótimas para aplicações de potência de precisão DC-RF). Os Darlingtons são particularmente adequados como uma fonte de corrente constante, onde a ondulação da saída de uma fonte de comutação seria uma preocupação para o seu projeto. No entanto, isso tem um preço com grandes quedas de tensão de 2V ou mais no coletor e no emissor, levando a dissipações de alta potência. Os BJTs também são propensos a fugas térmicas sem que o design considerado seja um dispositivo de coeficiente de temperatura positivo.

7) Com um design cuidadoso, um mosfet pode ser feito para funcionar em sua região "linear" menor, mas dissipará perdas de energia semelhantes às de um BJT enquanto estiver operando dentro dessa região "linear". No entanto, os MOSFETs geralmente são dispositivos de coeficiente de temperatura negativo (eles são protegidos contra sobrecorrente). Eles são dispositivos sensíveis à estática (como todos os CMOS), portanto, devem ser tomadas precauções e o equipamento de ESD deve ser instalado ao manusear os FETs.

BJT PROs :

• relativamente simples de usar, fácil de controlar
• barato
• requer pouco circuito de suporte
• Operação de freqüência de rádio para DC
• não é sensível a ESD, não é necessário equipamento de precaução contra ESD para trabalhar com

BJT CONS :

• Ineficiente
• têm dissipações de energia relativamente altas (os dissipadores de calor são quase necessários)
• Tempco positivo pode levar a fuga térmica e destruir o transistor
• Necessita de resistores de "lastro" de alta potência e baixo valor para fazer paralelo

MOSFET PROS :

• Um RDSon muito baixo permite projetos de dissipação de alta potência e baixa corrente
• a corrente do portão ocorre apenas durante o carregamento / descarregamento da capacitância do portão
• Adequado para projetos de comutação de alta densidade de corrente com dissipadores de calor pequenos / sem
• pode ser paralelo sem resistores de "lastro" (apenas para comutação)
• MOSFETs de potência de porta de nível lógico com drivers de bomba de carga de porta integrados disponíveis
• A maioria são dispositivos temco negativos

MOSFET CONTRAS :

• A capacitância de porta relativamente grande limita a frequência de DC a ~ 10MHz
• Requer CIs especiais de acionamento por porta para FETs de alta frequência / alta potência
• Dispositivos altamente sensíveis a ESD, exigindo a compra de equipamento de precaução contra ESD
• Os MOSFETs de porta de nível lógico têm tempos de transição razoavelmente lentos Ton + Toff = avg ~ 44nS (22,7 MHz próximo ao limite superior) - não é realmente um golpe, a menos que a freqüência do MCU> ~ 44 MHz

Esperamos que isso possa esclarecer melhor a adequação da opção BJT vs MOSFET para uma determinada tarefa.

Não, um darlington não oferece mais "manuseio de energia" do que um único BJT (transistor de junção bipolar, esses são os que vêm nos tipos NPN e PNP). De fato, um darlington é ruim para o manuseio de energia devido à sua grande queda de tensão quando ligado. Isso causa muito mais dissipação na mesma corrente que um único BJT.

A única vantagem de um darlington é que seu ganho atual é muito maior que um único BJT. É efetivamente o ganho dos dois BJTs que compõem o Darlington multiplicados juntos. Isso pode ser útil ao alternar correntes baixas controladas por sinais de alta impedância, e você não precisa de alta velocidade.

Existem outras maneiras de começar com um sinal de alta impedância e fornecer corrente suficiente para acionar um único elemento de comutação BJT.

Quanto à distinção entre MOSFETs e BJTs, cada um tem suas vantagens e desvantagens. Os BJT são controlados com corrente em baixa tensão. Qualquer BJT pode ser acionado com tensões no nível lógico. Os FETs são controlados por tensão, e todos, exceto alguns FETs de tensão relativamente baixa (até 30 V, aproximadamente), precisam de um acionamento de porta de 10 a 12 V. Isso requer um chip ou circuito driver FET especial para controlar o FET a partir de um sinal de nível lógico típico.

Tanto os BJTs quanto os FETs podem lidar com energia significativa nos casos certos. Os BJTs parecem mais uma fonte de tensão quando ligados e os FETs mais como um resistor. Qual deles dissipa menos energia depende da corrente e do Rdson do FET. Com alguns amplificadores e 10s de volts, os FETs são mais eficientes, já que atualmente o Rdson é inferior a 200 mV ou mais de um BJT bem saturado. A queda de tensão do FET aumenta linearmente com a corrente. A queda de tensão de um BJT começa mais alto, mas sobe menos do que linearmente com a corrente. Em altas correntes, um BJT pode diminuir menos tensão. Além disso, os FETs que precisam suportar tensões mais altas têm Rdson mais alto, de modo que os BJTs parecem um negócio melhor em correntes e tensões mais altas. Quando a dissipação e algumas quedas de 100 mV não são um grande problema, tudo se resume ao preço,

Os FETs também são (em geral) mais difíceis para um circuito de baixa tensão do que os BJTs (em geral).

Não é atípico precisar de 5 ou 10 volts Vgs para atingir uma tensão "de ativação" especificada para um FET - o que exige alguma coisa esquisita se você estiver dirigindo a partir de um dispositivo de 3,3V. Ou, alguns FETs exigem que as Vgs sejam negativas para serem desativadas.

Um BJT precisa de alguma corrente, a ~ 0,7V ou ~ 1,4V para um Darlington - e nenhum circuito de driver extra para gerar tensões de controle fora da faixa de operação do micro.

Isso não se aplica a todos os casos - mas se aplica a casos suficientes para ser a resposta algumas vezes.

Além dos pontos de b degnan, se um FET e um BJT são polarizados na saturação para acionar cargas de corrente muito alta, um BJT pode ser mais eficiente. Lembre-se de que a perda de energia do dreno para a fonte em um FET saturado é dada por I ^ 2 * Rdson, onde a perda de energia em um BJT saturado do coletor ao emissor é dada pela função I *; o último escala linearmente com a corrente, onde o primeiro escala quadraticamente . Quando as correntes são baixas, o FET é geralmente mais eficiente, principalmente porque o Rdson é geralmente menor que a Vjunction em correntes baixas, mas dependendo dos dispositivos individuais em questão e das condições de polarização, que podem mudar conforme a corrente de carga aumenta.

Também é possível que o motivo não seja o que é melhor para este circuito, mas o que é melhor para todos os circuitos que o engenheiro espera precisar. Os BJTs permitem um pouco mais de flexibilidade e reutilização; se você encontrar um caso em que deseja um amplificador de classe A em vez de uma classe D, um BJT provavelmente funcionará melhor que um FET. Isso pode não importar muito se você não estiver projetando muitos circuitos ou se a concorrência pelo seu produto for tão acirrada que qualquer pequena margem nas especificações ou no custo seja crítica, mas, caso contrário, será possível reutilizar as peças e, assim, ter menos peças necessárias para o estoque / origem / manutenção de fichas técnicas, podem economizar tempo, esforço e dinheiro em comparação com as melhores peças exclusivas para cada caso.

Em alguns exemplos do Arduino, você vê pessoas usando transistores de junção para alimentar um motor. Nesse caso, por exemplo, ele está usando um transistor Darlington ... Existe algum motivo para usar algo além de um MOSFET (a menos que você simplesmente não tenha um e tenha outro tipo?)

Ele provavelmente simplesmente não sabe melhor. Os transistores de Darlington são uma tecnologia antiga que foi amplamente substituída. Eles apresentam queda de alta voltagem (normalmente 1,1V no mínimo , enquanto um bom FET deve cair abaixo de 0,2V), baixa capacidade de corrente e baixa velocidade de comutação. Ao contrário dos MOSFETs, os transistores bipolares não possuem diodos corporais embutidos, portanto, em um circuito em ponte, você precisa de diodos flyback externos para lidar com a retroemf indutiva. Não consigo pensar em nenhuma boa razão para usar uma com um Arduino.

Mas os hobistas ainda os usam porque estão apenas copiando circuitos antigos e não sabem que melhores alternativas estão disponíveis. Da mesma forma, você verá pessoas tentando usar um ULN2003 ou L298 para acionar motores em vários Amps ou FETs antigos como o IRF540 que precisam de um drive de 10V Gate. Em seguida, eles usam um retificador 1N4004 de recuperação lenta como um diodo flyback!

Em suma, não presuma que algum projeto amador que você encontra na Internet tenha sido projetado adequadamente, não importa o quão lisa seja a página da Web ...

Bem, os MOSFETs são melhores se comparados aos BJTs (você pode procurar por prós e contras).

No seu caso específico, não, um IC de par de Darlington não era de todo necessário. O tamanho do motor era bem pequeno, portanto nunca chegaria a mais de 100 mA no topo. Um único BJT (BC547) teria produzido o mesmo efeito.

Para responder sua pergunta, na verdade é uma decisão de design, encontrando o equilíbrio entre custo e eficiência.

Os BJTs são sempre muito mais baratos quando comparados aos MOSFETs. Portanto, em pequenas aplicações e projetos pequenos, como no link que você mencionou, a carga nunca consumiria mais de 100 mA; portanto, um BC547 barato seria uma opção melhor que um MOSFET capaz de lidar com mais de dois amperes (caso geral), mas é mais caro.