在很多 Arduino 示例中,您会看到人们使用结型晶体管为电机供电。例如,在这种情况下,他使用的是达林顿晶体管: http: //www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/
是否有任何理由使用 MOSFET 以外的任何东西(除非您根本没有,而您确实有另一种类型?)对于这种应用,结型晶体管或达林顿晶体管有什么优势吗?
在很多 Arduino 示例中,您会看到人们使用结型晶体管为电机供电。例如,在这种情况下,他使用的是达林顿晶体管: http: //www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/
是否有任何理由使用 MOSFET 以外的任何东西(除非您根本没有,而您确实有另一种类型?)对于这种应用,结型晶体管或达林顿晶体管有什么优势吗?
1)功率场效应管和达林顿是两种不同的动物。BJT 可作为精确控制电流的线性器件发挥最佳作用。BJT 固有地比 FET 具有更高的带宽,并且对于相同的电流承载通常更便宜。此外,BJT 可以制造优质且廉价的恒流源,为 LED 等敏感电流控制设备制造简单但精确的恒流源。BJT,尤其是达林顿配置允许您精确控制 0-10A+ 范围内的输出电流,通常小于 2mA,从带有简单电流设置电阻的 MCU 到连接到微控制器引脚的基极。
2) 对于使用 PNP 达林顿的精度,基极电流以地为参考,仍然可以使用微控制器引脚,输出只是转低以将基极电阻接地。如果主电源电压发生变化,则需要使用电流检测电阻进行反馈以进行补偿。微控制器引脚电流确实会随着源/吸收能力而变化,并且不同的 MCU 系列将具有不同的能力。一个典型的 5V AVR 可以提供/吸收高达 20-30mA/pin 的 TTL,基于 SAM 的 arduino 像 DUE 有两种引脚功能低电流和高电流引脚,高电流引脚只能提供 15mA/sink 9mA(低功耗 CMOS),因此如果您不使用运算放大器作为缓冲器,请记住这一点。
3) 虽然 BJT 擅长以低失真放大小信号并精确控制大电流,但 BJT 的开关性能较差,因为即使饱和,它们的 Vce 电压仍会下降超过 2V,这意味着大电流下的功耗很大,这意味着大量的热量产生。即使你有一个能在增益下降之前处理 20A 的达林顿,只有 0.96A 和 30C 的环境温度,你将在没有散热器的情况下处于 150C 的结温。
4) 功率 MOSFET 在工作中几乎与 BJT 的相反,它们非常擅长作为开关,但如果设计不周密,则会导致线性电流控制和放大器件较差。这与相对较大的栅极电容有关,这限制了功率 FET 具有高带宽的能力。特殊的栅极驱动器 IC 可以在高频下为 mosfet 的栅极电容供电时处理大的充电/放电电流,但也会增加项目成本/复杂性。
5) MOSFET 通常具有比 BJT 小得多的“线性”区域,并且只要满足 Vgs 条件以驱动 MOSFET 进入饱和状态,“导通”电阻几乎为零。在 mV 范围内“导通”电压降 Vds 时,唯一可观的功率消耗是 MOSFET 从关断转换到导通再返回时。典型的功率 MOSFET 可以具有 40A 或更高的连续 Id,并且在接近该额定值的一半之前不需要散热器,因为 MOSFET 导通时的电阻通常在毫欧范围内。在 30C 的环境温度下,具有 0.01 欧姆 RDSon(10 毫欧)的 TO-220 外壳 Mosfet 将能够消耗与没有散热器的基于 TO-220 的 BJT 相同的 2.4W,但在没有散热器的情况下将通过 15.49A散热器在相同的 150C 结温!
6) 在 TO-220 机箱中使用具有足够尺寸散热器的 Darlington 可以线性控制大电流,只需几 mA 进/出 (NPN/PNP) 进出它们的底座。由于其较大的“线性”区域(非常适合 DC-RF 精密电源应用),达林顿也可用于以非常低的失真准确放大小电流/信号。达林顿管特别适合用作恒流源,其中开关电源的输出纹波将成为您设计的关注点。然而,这是以集电极和发射极两端的 2V 或更大电压降为代价的,从而导致高功率耗散。BJT 也容易发生热失控,而没有经过周到的设计是正温度系数器件。
7) 通过精心设计,可以使 mosfet 在其较小的“线性”区域内工作,但在该“线性”区域内工作时会消耗与 BJT 相似的功率损耗。然而,MOSFET 通常是负温度系数器件(它们有些过流保护)。它们是对静电非常敏感的器件(与所有 CMOS 一样),因此在处理 FET 时应采取预防措施并配备 ESD 设备。
BJT 专业人士:
BJT 缺点:
功率 MOSFET 优点:
功率 MOSFET 缺点:
希望这可以更好地阐明 BJT 与 MOSFET 选择对给定任务的适用性。
达林顿晶体管为您提供了两个级联在一起的设备,从而为您提供了更多的功率处理能力。绝对而言,BJT 结构相对于 MOSFET 的优势在于您没有带氧化物隔离的栅极,因此您无需担心感应反激引起的闩锁。任何电感器,如电机和继电器中的电感器,都会在线圈上存储磁通量,操作的变化会导致大的电压回扫。该反激电压会反转 MOSFET 上的结或可能损坏栅极。
如果您只是玩玩,BJT 的优势在于稳健性。如果您担心电流,MOSFET 的优点是电容输入在充电后不会消耗电流。
这是简短的回答。
不,达林顿不会比单个 BJT(双极结型晶体管,这些是 NPN 和 PNP 类型的晶体管)提供更多的“功率处理能力”。事实上,达林顿灯不利于功率处理,因为它开启时的压降很大。在与单个 BJT 相同的电流下,这会导致更多的耗散。
darlington 的唯一优势是其电流增益远高于单个 BJT。它实际上是构成达林顿的两个 BJT 的增益相乘。这在切换由高阻抗信号控制的低电流时很有用,而且您不需要高速。
还有其他方法可以从高阻抗信号开始,并提供足够的电流来驱动单个 BJT 开关元件。
至于MOSFET和BJT的区别,各有优缺点。BJT 由低电压电流控制。任何 BJT 都可以用逻辑电平电压驱动。FET 是电压控制的,除了一些电压相对较低的 FET(高达 30 V 左右)之外,所有的 FET 都需要 10-12 V 的栅极驱动。这需要一个特殊的 FET 驱动芯片或电路来根据典型的逻辑电平信号来控制 FET。
在合适的情况下,BJT 和 FET 都可以处理大量功率。BJT 在开启时看起来更像是一个电压源,而 FET 更像是一个电阻器。哪一个耗散更少的功率取决于 FET 的电流和 Rdson。在几安培和 10 伏特的情况下,FET 效率更高,因为电流乘以 Rdson 小于 200 mV 左右,即使是良好饱和的 BJT。FET 电压降随电流线性上升。BJT 的电压降开始时会更高,但随着电流的增加并不呈线性增长。在大电流下,BJT 可以降低更少的电压。此外,必须承受更高电压的 FET 具有更高的 Rdson,因此 BJT 在更高的电流和电压下看起来更好。当耗散和几个 100 mV 下降不是大问题时,它归结为价格,
FET 也(通常)比 BJT(通常)更难驱动低压电路。
需要 5 或 10 伏 Vgs 才能达到 FET 的指定“导通”电压并不是非典型的 - 如果您从 3.3V 设备驱动它,这需要一些手帕。或者,某些 FET 需要将 Vgs 拉至负值才能关闭。
BJT 需要一些电流,约为 0.7V,或达林顿约为 1.4V - 并且不需要额外的驱动电路来产生超出微型操作范围的控制电压。
这并不适用于所有案例——但它适用于足够多的案例,有时可以作为答案。