¿Hay alguna razón para usar transistores de unión o Darlington para aplicaciones de energía?

En bastantes ejemplos de Arduino, ves personas que usan transistores de unión para alimentar un motor. En este caso, por ejemplo, está usando un transistor Darlington: http://www.instructables.com/id/Use-Arduino-with-TIP120-transistor-to-control-moto/

¿Hay alguna razón para usar algo más que un MOSFET (a menos que simplemente no tenga uno y tenga otro tipo?) ¿Hay alguna ventaja para los transistores de unión o Darlington para esta aplicación?

Un transistor Darlington le brinda dos dispositivos conectados en cascada, lo que le brinda más manejo de potencia. En términos absolutos, la ventaja de una estructura BJT sobre un MOSFET es que no tiene una compuerta con aislamiento de óxido y, por lo tanto, no necesita preocuparse por un enganche del retorno inductivo. Cualquier inductor, como en los motores y relés, almacenará un flujo a través de la bobina, y un cambio en la operación causará un gran retorno de voltaje. Ese voltaje de retorno puede revertir la unión en el MOSFET o posiblemente dañar la puerta.

Si solo estás jugando, la ventaja de BJT es su robustez. Si le preocupa la corriente, la ventaja del MOSFET es que la entrada capacitiva no consume corriente después de la carga.

Esa es la respuesta corta, corta.

1) Power FET's y Darlingtons son dos animales diferentes. Un BJT funciona mejor como un dispositivo lineal que se controla con precisión ACTUAL. Los BJT tienen inherentemente anchos de banda más altos que los FET y, en general, son más baratos para un transporte de corriente idéntico. Además, los BJT pueden generar fuentes de corriente constante excelentes y económicas, lo que hace que sea una fuente de corriente constante simple pero precisa para dispositivos sensibles controlados por corriente como los LED. Los BJT y, en particular, las configuraciones de Darlington le permiten controlar con precisión una corriente de salida en el rango 0-10A + con típicamente menos de 2 mA desde una MCU con una resistencia de ajuste de corriente simple a la base conectada a un pin del microcontrolador.

2) Para mayor precisión utilizando un PNP Darlington, la corriente base se referencia a tierra, todavía se puede usar un pin de microcontrolador, la salida se baja para conectar a tierra la resistencia base. Si la tensión de alimentación principal varía, se debe utilizar una resistencia de detección de corriente para compensar la retroalimentación. Las corrientes de pin del microcontrolador varían con la capacidad de abastecimiento / hundimiento y las diferentes familias MCU tendrán diferentes capacidades. Un AVR de 5V típico puede generar / hundir hasta 20-30 mA / pin siendo TTL, y los arduino basados ​​en SAM como el DUE tienen dos tipos de capacidades de pin pines de baja y alta corriente, pines de alta corriente que solo pueden generar 15mA / hundir 9mA ( CMOS de baja potencia), así que tenga esto en cuenta si no está utilizando un amplificador operacional como búfer.

3) Si bien los BJT son excelentes para amplificar pequeñas señales con baja distorsión y controlar con precisión las altas corrientes, los BJT hacen interruptores deficientes, sin embargo, porque incluso si están saturados, todavía tienen caídas de voltaje Vce de más de 2 V, esto significa una disipación de potencia significativa a altas corrientes, lo que significa una importante producción de calor. Incluso si tiene un Darlington que puede manejar 20 A antes de que la ganancia se reduzca, con tan solo 0,96 A y temperatura ambiente de 30 ° C, estará a una temperatura de unión de 150 ° C sin disipador de calor.

4) Los MOSFET de potencia son casi lo opuesto a los BJT en funcionamiento, son excelentes para ser interruptores, pero si no se diseñan con cuidado, hacen que los dispositivos de amplificación y control de corriente lineal sean deficientes. Esto tiene que ver con las capacidades de compuerta relativamente grandes que limitan la capacidad del FET de potencia para tener anchos de banda altos. Los IC de controladores de compuerta especiales pueden manejar las grandes corrientes de carga / descarga al energizar la capacitancia de compuerta de un mosfet a altas frecuencias, pero también aumentan el costo / complejidad del proyecto.

5) Los mosfets suelen tener regiones "lineales" mucho más pequeñas que las BJT y tienen prácticamente cero resistencia "activada" siempre que se cumplan las condiciones Vgs para conducir el MOSFET a la saturación. Con el voltaje "encendido" cae Vds en la región mV, la única potencia considerable que se disipa es cuando el MOSFET está en transición de apagado a encendido y viceversa. Un MOSFET de potencia típica puede tener una identificación continua de 40 A o más y no necesitar un disipador de calor hasta cerca de la mitad de esa clasificación porque la resistencia del MOSFET cuando está encendido generalmente está en la región de miliohmios. Con una temperatura ambiente de 30 ° C, una caja Mosfet TO-220 con 0.01 Ohms RDSon (10 miliohms) podría disipar los mismos 2.4 W que un BJT basado en TO-220 sin disipador de calor, pero pasaría 15.49 A sin un Disipador de calor a la misma temperatura de unión de 150C.

6) El uso de un Darlington en una caja TO-220 con un disipador térmico de tamaño adecuado puede controlar linealmente grandes corrientes con precisión con solo unos pocos mA en marcha / viniendo (NPN / PNP) hacia / desde sus bases. Un Darlington también se puede usar para amplificar pequeñas corrientes / señales con precisión con una distorsión muy baja debido a sus regiones "lineales" más grandes (ideal para aplicaciones de potencia de precisión DC-RF). Los Darlington son particularmente adecuados como una fuente de corriente constante donde la ondulación de salida de una fuente de conmutación sería una preocupación para su diseño. Sin embargo, esto tiene un precio con grandes caídas de voltaje de 2V o más en el colector y el emisor, lo que lleva a disipaciones de alta potencia. Los BJT también son propensos a la fuga térmica sin que el diseño considerado sea un dispositivo de coeficiente de temperatura positivo.

7) Con un diseño cuidadoso, se puede hacer que un mosfet funcione en su región "lineal" más pequeña, pero disipará pérdidas de potencia similares a las de un BJT mientras opera dentro de esta región "lineal". Sin embargo, los MOSFET suelen ser dispositivos de coeficiente de temperatura negativo (están algo protegidos contra sobrecorriente). Son dispositivos sensibles a la electricidad estática (como todos los CMOS), por lo que se deben tomar precauciones y se deben instalar equipos ESD al manipular FET.

BJT PROs :

• uso relativamente sencillo, fácil de controlar
• barato
• requieren poca circuitería de soporte
• Operación de CC a radiofrecuencia
• no sensible a ESD, no se necesita equipo de precaución de ESD para trabajar con

CONTRAS BJT :

• Ineficiente
• tienen disipaciones de potencia relativamente altas (los disipadores de calor son casi necesarios)
• El tempco positivo podría conducir a fugas térmicas y destruir el transistor
• Necesitan resistencias de "balasto" de alto voltaje y baja potencia para ser paralelas

PROS MOSFET de potencia :

• RDSon muy bajo permite diseños de disipación de alta potencia y baja corriente
• la corriente de la compuerta solo ocurre durante la carga / descarga de la capacitancia de la compuerta
• Adecuado para diseños de conmutación de alta densidad de corriente con disipadores pequeños / sin disipadores
• se puede conectar en paralelo sin resistencias de "lastre" (solo para conmutación)
• MOSFET de potencia de compuerta de nivel lógico con controladores de bomba de carga de compuerta integrados disponibles
• La mayoría son dispositivos temco negativos

Contras MOSFET de potencia :

• La capacitancia de puerta relativamente grande limita la frecuencia de CC a ~ 10MHz
• Requiere IC de accionamiento de puerta especiales para FET de alta frecuencia / alta potencia
• Dispositivos altamente sensibles a ESD, que requieren la compra de equipos de precaución ESD
• Los MOSFET de compuerta de nivel lógico tienen tiempos de transición bastante lentos Ton + Toff = avg ~ 44nS (22.7MHz cerca del límite superior) - no es realmente una estafa a menos que MCU freq> ~ 44MHz

Esperemos que esto pueda aclarar mejor la idoneidad de la elección BJT vs MOSFET para una tarea determinada.

No, un Darlington no le brinda más "manejo de potencia" que un solo BJT (transistor de unión bipolar, estos son los que vienen en los tipos NPN y PNP). De hecho, un darlington es malo para el manejo de energía debido a su gran caída de voltaje cuando está encendido. Esto causa mucha más disipación en la misma corriente que un solo BJT.

La única ventaja de un darlington es que su ganancia actual es mucho mayor que la de un solo BJT. Es efectivamente la ganancia de los dos BJT que componen el Darlington multiplicados juntos. Esto puede ser útil al cambiar las bajas corrientes controladas por señales de alta impedancia, y no necesita alta velocidad.

Hay otras formas de comenzar con una señal de alta impedancia y proporcionar suficiente corriente para controlar un solo elemento de conmutación BJT.

En cuanto a la distinción entre MOSFET y BJT, cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Los BJT se controlan con corriente a bajo voltaje. Cualquier BJT puede manejarse con voltajes de nivel lógico. Los FET están controlados por voltaje, y todos, excepto algunos FET de voltaje relativamente bajo (hasta 30 V más o menos), necesitan un controlador de puerta de 10-12 V. Eso requiere un chip o circuito controlador FET especial para controlar el FET desde una señal de nivel lógico típico.

Tanto los BJT como los FET pueden manejar un poder significativo en los casos correctos. Los BJT se parecen más a una fuente de voltaje cuando están encendidos, y los FET se parecen más a una resistencia. Cuál disipa menos potencia depende de la corriente y el Rdson del FET. A unos pocos amperios y 10 s de voltios, los FET son más eficientes ya que los tiempos actuales el Rdson es inferior a los 200 mV o incluso de un BJT bien saturado. La caída de voltaje FET aumenta linealmente con la corriente. La caída de voltaje de un BJT comienza más alto pero sube menos que linealmente con la corriente. A altas corrientes, un BJT puede dejar caer menos voltaje. Además, los FET que tienen que soportar voltajes más altos tienen un Rdson más alto, por lo que los BJT se ven como un mejor trato a corrientes y voltajes más altos. Cuando la disipación y unas pocas caídas de 100 mV no son un gran problema, todo se reduce al precio,

Los FET también son (en general) más difíciles de manejar para un circuito de bajo voltaje que los BJT (en general).

No es atípico necesitar 5 o 10 voltios Vgs para alcanzar un voltaje de "encendido" específico para un FET, lo que requiere algo de pañuelo si lo manejas desde un dispositivo de 3.3V. O, algunos FET requieren que los Vgs sean negativos para apagarse.

Un BJT necesita algo de corriente, a ~ 0.7V, o ~ 1.4V para un Darlington, y ningún circuito controlador adicional para generar voltajes de control fuera del rango operativo del micro.

Esto no se aplica a todos los casos, pero se aplica a suficientes casos para ser la respuesta algunas veces.

Además de los puntos de b degnan, si tanto un FET como un BJT están sesgados en saturación para conducir cargas de corriente muy alta, un BJT puede ser más eficiente. Recuerde que la pérdida de energía desde el drenaje a la fuente en un FET saturado viene dada por I ^ 2 * Rdson, donde la pérdida de energía en un BJT saturado desde el colector al emisor está dada por la función I * V; el último escala linealmente con la corriente, donde el primero escala cuadráticamente . Cuando las corrientes son bajas, el FET es típicamente más eficiente, particularmente porque Rdson es típicamente más bajo que Vjunction a bajas corrientes, pero dependiendo de los dispositivos individuales en cuestión y las condiciones de polarización, eso puede cambiar a medida que aumenta la corriente de carga.

También es posible que la razón no se deba a lo que es mejor para este circuito, sino a lo que es mejor para todos los circuitos que el ingeniero espera necesitar. Los BJT permiten un poco más de flexibilidad y reutilización; Si encuentra un caso en el que desea un amplificador de clase A en lugar de un clase D, un BJT probablemente funcionará mejor que un FET. Esto puede no importar mucho si no está diseñando muchos circuitos, o si la competencia por su producto es tan feroz que cualquier pequeña ventaja en las especificaciones o el costo es crítica, pero de lo contrario, poder reutilizar piezas y, por lo tanto, tener menos piezas que necesita para almacenar / obtener / conservar hojas de datos, puede ahorrar tiempo, esfuerzo y dinero en comparación con tener las mejores piezas únicas para cada caso.

En bastantes ejemplos de Arduino, ves personas que usan transistores de unión para alimentar un motor. En este caso, por ejemplo, está usando un transistor Darlington ... ¿Hay alguna razón para usar algo que no sea un MOSFET (a menos que simplemente no tenga uno y tenga otro tipo?)

Probablemente simplemente no sabe nada mejor. Los transistores Darlington son una tecnología antigua que ha sido reemplazada en gran medida. Tienen una caída de alto voltaje (típicamente un mínimo de 1.1V , mientras que un buen FET debería caer menos de 0.2V), una baja capacidad de carga de corriente y una velocidad de conmutación lenta. A diferencia de los MOSFET, los transistores bipolares no tienen diodos incorporados en el cuerpo, por lo que en un circuito de puente necesita diodos de retorno externos para manejar la fem inductiva. No se me ocurre ninguna buena razón para usar uno con un Arduino.

Pero los aficionados todavía los usan porque solo están copiando circuitos viejos y no saben que hay mejores alternativas disponibles. Del mismo modo, verá personas que intentan usar un ULN2003 o L298 para conducir motores a varios amperios, o FET antiguos como el IRF540 que necesitan un controlador de puerta de 10V. ¡Luego usan un rectificador 1N4004 de recuperación lenta como diodo de retorno!

En resumen, no asuma que algún proyecto de aficionado que encuentre en Internet ha sido diseñado adecuadamente, no importa cuán elegante parezca la página web ...

Bueno, los MOSFET son mejores en comparación con los BJT (puede buscar pros y contras usted mismo).

En su caso específico, no, no se requería en absoluto un IC de par Darlington. El tamaño del motor era bastante pequeño, por lo que nunca consumirá más de 100 mA. Un solo BJT (BC547) habría producido el mismo efecto.

Para responder a su pregunta, en realidad es una decisión de diseño, encontrar el equilibrio entre costo y eficiencia.

Los BJT siempre son mucho más baratos en comparación con los MOSFET. Entonces, en aplicaciones pequeñas y proyectos pequeños como en el enlace que mencionó, la carga nunca consumiría más de 100 mA, por lo que un BC547 barato sería una mejor opción que un MOSFET que es capaz de manejar más de un par de amperios (caso general), Pero es más costoso.