Dans de nombreux exemples Arduino, vous voyez des gens utiliser des transistors de jonction pour alimenter un moteur. Dans ce cas, par exemple, il utilise un transistor Darlington: http://www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/
Y a-t-il une raison d'utiliser autre chose qu'un MOSFET (à moins que vous n'en ayez tout simplement pas, et que vous en ayez un autre?) Y a-t-il un avantage à utiliser des transistors à jonction ou Darlington pour cette application?
Réponses:
Un transistor Darlington vous offre deux appareils en cascade, ce qui vous donne plus de puissance. Absolument parlant, l'avantage d'une structure BJT par rapport à un MOSFET est que vous n'avez pas de porte avec isolation d'oxyde, et donc vous n'avez pas à vous soucier d'un verrouillage du retour inductif. Tout inducteur, comme dans les moteurs et les relais, stockera un flux à travers la bobine et un changement de fonctionnement provoquera un important retour de tension. Cette tension de retour peut inverser la jonction sur le MOSFET ou endommager éventuellement la porte.
Si vous ne faites que jouer, l'avantage du BJT est sa robustesse. Si vous êtes préoccupé par le courant, l'avantage du MOSFET est que l'entrée capacitive ne consomme pas de courant après la charge.
Voilà la réponse courte et courte.
1) Les Power FET et les Darlingtons sont deux animaux différents. Un BJT fonctionne mieux comme un appareil linéaire qui est précisément contrôlé par COURANT. Les BJT ont intrinsèquement des bandes passantes plus élevées que les FET et sont généralement moins chers pour un transport de courant identique. De plus, les BJT peuvent produire des sources de courant constant excellentes et bon marché, ce qui en fait une source de courant constant simple mais précise pour les appareils sensibles à courant contrôlé tels que les LED. Les BJT et en particulier les configurations Darlington vous permettent de contrôler avec précision un courant de sortie dans la plage 0-10A + avec généralement moins de 2mA à partir d'un MCU avec une simple résistance de courant réglée à la base connectée à une broche de microcontrôleur.
2) Pour la précision à l'aide d'un PNP Darlington, le courant de base est référencé à la masse, une broche de microcontrôleur peut toujours être utilisée, la sortie est juste tournée vers le bas pour mettre à la terre la résistance de base. Si la tension d'alimentation principale varie, une résistance de détection de courant doit être utilisée pour la rétroaction afin de compenser. Les courants des broches du microcontrôleur varient en fonction de la capacité d'approvisionnement / de descente et les différentes familles de MCU auront des capacités différentes. Un AVR 5 V typique peut générer / absorber jusqu'à 20-30 mA / broche en TTL, et les Arduino basés sur SAM comme le DUE ont deux types de capacités de broche broches à courant faible et élevé, broches à courant élevé qui ne peuvent fournir que 15 mA / récepteur 9 mA ( CMOS basse consommation), gardez cela à l'esprit si vous n'utilisez pas d'amplificateur opérationnel comme tampon.
3) Bien que les BJT soient excellents pour amplifier les petits signaux avec une faible distorsion et contrôler précisément les courants élevés, les BJT font de mauvais commutateurs, car même s'ils sont saturés, ils ont toujours des chutes de tension Vce supérieures à 2 V, ce qui signifie une dissipation de puissance importante à des courants élevés, ce qui signifie une production de chaleur importante. Même si vous avez un Darlington qui peut gérer 20A avant que le gain ne baisse, ayant aussi peu que 0,96A et une température ambiante de 30C, vous serez à une température de jonction de 150C sans dissipateur de chaleur.
4) Les MOSFET de puissance sont presque à l'opposé des BJT en fonctionnement, ils sont parfaits pour être des commutateurs, mais s'ils ne sont pas conçus avec soin, ils entraînent un mauvais contrôle du courant linéaire et des dispositifs d'amplification. Cela a à voir avec les capacités de grille relativement grandes qui limitent la capacité du FET de puissance à avoir des bandes passantes élevées. Des circuits intégrés de commande de grille spéciaux peuvent gérer les grands courants de charge / décharge lors de l'activation de la capacité de grille d'un mosfet à des fréquences élevées, mais également augmenter le coût / la complexité du projet.
5) Les mosfets ont typiquement des régions "linéaires" beaucoup plus petites que les BJT et ont une résistance "on" pratiquement nulle tant que les conditions Vgs sont remplies pour conduire le MOSFET à saturation. Avec des chutes de tension "marche" Vds dans la région mV, la seule puissance considérable qui est dissipée est lorsque le MOSFET est en transition de off à on et back. Un MOSFET de puissance typique peut avoir un Id continu de 40A ou plus et ne pas avoir besoin d'un dissipateur thermique jusqu'à ce que vous atteigniez près de la moitié de cette valeur nominale car la résistance du MOSFET lorsqu'il est activé est généralement dans la région des milliohms. Avec une température ambiante de 30 ° C, un boîtier Mosfet TO-220 avec 0,01 Ohms RDSon (10 milliohms), serait capable de dissiper les mêmes 2,4 W qu'un BJT basé sur TO-220 sans dissipateur thermique mais passerait 15,49 A sans dissipateur thermique à la même température de jonction 150C!
6) L'utilisation d'un Darlington dans un boîtier TO-220 avec un dissipateur thermique de taille adéquate peut contrôler linéairement de gros courants avec précision avec seulement quelques mA allant / venant (NPN / PNP) vers / depuis leurs bases. Un Darlington peut également être utilisé pour amplifier avec précision de petits courants / signaux avec une très faible distorsion en raison de leurs régions "linéaires" plus grandes (idéales pour les applications d'alimentation de précision DC-RF). Les Darlington sont particulièrement bien adaptés en tant que source de courant constant où l'ondulation de sortie d'une alimentation de commutation serait une préoccupation pour votre conception. Cependant, cela a un prix avec de grandes chutes de tension de 2 V ou plus à travers le collecteur et l'émetteur, conduisant à des dissipations de puissance élevées. Les BJT sont également sujets à l'emballement thermique sans qu'une conception prévenante ne soit un dispositif à coefficient de température positif.
7) Avec une conception soignée, un mosfet peut être conçu pour fonctionner dans sa plus petite région "linéaire", mais dissipera des pertes de puissance similaires à celles d'un BJT tout en fonctionnant à l'intérieur de cette région "linéaire". Cependant, les MOSFET sont généralement des dispositifs à coefficient de température négatif (ils sont quelque peu protégés contre les surintensités). Ce sont des appareils sensibles à l'électricité statique (comme tous les CMOS), donc des précautions doivent être prises et un équipement ESD doit être en place lors de la manipulation des transistors FET.
BJT PROs :
BJT CONS :
PROS MOSFET de puissance :
CONSO MOSFET de puissance :
Espérons que cela puisse mieux clarifier l'adéquation du choix BJT vs MOSFET pour une tâche donnée.
Non, un darlington ne vous offre pas plus de "puissance" qu'un seul BJT (transistor bipolaire à jonction, ce sont ceux qui sont proposés en types NPN et PNP). En fait, un darlington est mauvais pour la gestion de l'alimentation en raison de sa forte chute de tension lorsqu'il est allumé. Cela provoque beaucoup plus de dissipation au même courant qu'un seul BJT.
Le seul avantage d'un darlington est que son gain actuel est beaucoup plus élevé qu'un seul BJT. C'est effectivement le gain des deux BJT composant le darlington multiplié ensemble. Cela peut être utile lors de la commutation de faibles courants contrôlés par des signaux à haute impédance, et vous n'avez pas besoin d'une vitesse élevée.
Il existe d'autres façons de démarrer avec un signal à haute impédance et de fournir suffisamment de courant pour piloter un seul élément de commutation BJT.
Quant à la distinction entre MOSFET et BJT, chacun a ses avantages et ses inconvénients. Les BJT sont contrôlés avec du courant à basse tension. Tout BJT peut être piloté avec des tensions de niveau logique. Les transistors FET sont contrôlés en tension et tous, sauf certains transistors FET à tension relativement basse (jusqu'à 30 V environ), nécessitent une commande de grille 10-12 V. Cela nécessite une puce ou un circuit pilote de FET spécial pour contrôler le FET à partir d'un signal de niveau logique typique.
Les BJT et les FET peuvent gérer une puissance importante dans les bons cas. Les BJT ressemblent plus à une source de tension lorsqu'ils sont allumés, et les FET plus à une résistance. Lequel dissipe moins de puissance dépend du courant et du Rdson du FET. À quelques ampères et 10 s de volts, les FET sont plus efficaces car les temps actuels du Rdson sont inférieurs aux 200 mV ou plus d'un BJT même bien saturé. La chute de tension FET augmente linéairement avec le courant. La chute de tension d'un BJT commence plus haut mais monte moins que linéairement avec le courant. À des courants élevés, un BJT peut chuter moins de tension. De plus, les transistors FET qui doivent résister à des tensions plus élevées ont un Rdson plus élevé, de sorte que les BJT ressemblent mieux à des courants et des tensions plus élevés. Lorsque la dissipation et quelques chutes de 100 mV ne sont pas un gros problème, cela revient au prix,
Les FET sont également (en général) plus difficiles à piloter pour un circuit basse tension que les BJT (en général).
Il n'est pas atypique d'avoir besoin de 5 ou 10 volts Vgs pour atteindre une tension "d'activation" spécifiée pour un FET - ce qui nécessite un peu de mordant si vous le conduisez à partir d'un appareil de 3,3 V. Ou, certains FET nécessitent que Vgs soit négatif pour s'éteindre.
Un BJT a besoin de courant, à ~ 0,7 V ou ~ 1,4 V pour un Darlington - et pas de circuit de commande supplémentaire pour générer des tensions de commande hors de la plage de fonctionnement du micro.
Cela ne s'applique pas à tous les cas - mais cela s'applique à suffisamment de cas pour être la réponse de temps en temps.
En plus des points de b degnan, si à la fois un FET et un BJT sont polarisés en saturation afin de piloter des charges à très fort courant, un BJT peut être plus efficace. Rappelons que la perte de puissance du drain à la source dans un FET saturé est donnée par I ^ 2 * Rdson, où la perte de puissance dans un BJT saturé du collecteur à l'émetteur est donnée par I * Vjunction; ce dernier évolue linéairement avec le courant, tandis que le premier évolue de façon quadratique . Lorsque les courants sont faibles, le FET est généralement plus efficace, d'autant plus que Rdson est généralement inférieur à Vjunction à faibles courants, mais en fonction des appareils individuels en question et des conditions de polarisation, cela peut bien changer à mesure que le courant de charge augmente.
Il est également possible que la raison ne soit pas la meilleure solution pour ce circuit, mais la meilleure solution pour tous les circuits dont l'ingénieur s'attend à avoir besoin. Les BJT permettent un peu plus de flexibilité et de réutilisation; si vous trouvez un cas où vous voulez un amplificateur de classe A au lieu d'un classe D, un BJT fonctionnera probablement mieux qu'un FET. Cela peut ne pas avoir beaucoup d'importance si vous ne concevez pas beaucoup de circuits, ou si la concurrence pour votre produit est si féroce que tout petit avantage dans les spécifications ou les coûts est critique, mais sinon, être capable de réutiliser des pièces, et donc avoir moins de pièces dont vous avez besoin pour stocker / source / conserver les fiches techniques, peut économiser du temps, des efforts et de l'argent par rapport à avoir les meilleures pièces uniques pour chaque cas.
Dans de nombreux exemples Arduino, vous voyez des gens utiliser des transistors de jonction pour alimenter un moteur. Dans ce cas, par exemple, il utilise un transistor Darlington ... Y a-t-il une raison d'utiliser autre chose qu'un MOSFET (à moins que vous n'en ayez tout simplement pas, et que vous en ayez un autre?)
Il ne sait probablement pas mieux. Les transistors de Darlington sont une ancienne technologie qui a été largement remplacée. Ils ont une chute de tension élevée (généralement 1,1 V minimum , alors qu'un bon FET devrait chuter moins de 0,2 V), une faible capacité de transport de courant et une vitesse de commutation lente. Contrairement aux MOSFET, les transistors bipolaires n'ont pas de diodes de corps intégrées, donc dans un circuit en pont, vous avez besoin de diodes de retour externes pour gérer le back-emf inductif. Je ne vois aucune bonne raison d'en utiliser un avec un Arduino.
Mais les amateurs les utilisent toujours parce qu'ils copient simplement d'anciens circuits et ne savent pas que de meilleures alternatives sont disponibles. De même, vous verrez des gens essayer d'utiliser un ULN2003 ou L298 pour piloter des moteurs à plusieurs ampères, ou des FET anciens comme l'IRF540 qui ont besoin d'un variateur 10V Gate. Ensuite, ils utilisent un redresseur 1N4004 à récupération lente comme diode de retour!
En bref, ne présumez pas que certains projets amateurs que vous trouvez sur Internet ont été correctement conçus, quelle que soit l'apparence de la page Web ...
Eh bien, les MOSFET sont meilleurs que les BJT (vous pouvez rechercher vous-même les avantages et les inconvénients).
Dans votre cas spécifique, non, un circuit intégré à paire Darlington n'était pas du tout nécessaire. La taille du moteur était assez petite, donc il ne tirera jamais plus de 100 mA en haut. Un seul BJT (BC547) aurait produit le même effet.
Pour répondre à votre question, c'est en fait une décision de conception, trouver l'équilibre entre coût et efficacité.
Les BJT sont toujours beaucoup moins chers que les MOSFET. Donc, dans les petites applications et les petits projets comme dans le lien que vous avez mentionné, la charge ne tirerait jamais plus de 100 mA, donc un BC547 bon marché serait une meilleure option qu'un MOSFET qui est capable de gérer plus de quelques ampères (cas général), mais c'est plus cher.