是否有任何理由在功率应用中使用结型或达林顿晶体管?


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在许多Arduino示例中,您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/

除了MOSFET之外,是否有任何理由使用其他任何器件(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?

Answers:


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达林顿晶体管为您提供了两个级联在一起的器件,从而为您提供了更多的电源处理能力。绝对地说,BJT结构优于MOSFET的优点是您没有具有氧化物隔离的栅极,因此您不必担心电感性反激会产生闩锁。任何电感器,例如电动机和继电器中的电感器,都将在线圈上存储磁通量,并且运行变化会引起大的电压反激。该反激电压会使MOSFET上的结反向,或者可能损坏栅极。

如果您只是在玩耍,BJT的优势就是坚固性。如果您担心电流,则MOSFET的优点是电容输入在充电后不会汲取电流。

那是简短的简短答案。


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为什么在驱动感性负载时BJT不需要保护?
彼得·莫滕森

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MOSFET特别容易受到栅极氧化物的损害。但是,电压尖峰会损坏BJT,但是您需要一个较大的电压尖峰,而故障是将引线连接到掺杂区的金属界面。最好在电感性负载上安装一个反激二极管,以防止电源弹跳,但严格来说,BJT会因过电流损坏耗尽区而失效。整个设备上的一些额外电荷只会加快重组速度,但是您更有可能破坏固定导线的SnN“胶水”。
b degnan '16

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1)功率场效应管和达林顿是两种不同的动物。BJT最好用作精确控制电流的线性设备。BJT固有地具有比FET更高的带宽,并且对于相同的载流而言通常更便宜。此外,BJT可以制造出优质而廉价的恒流源,从而为敏感的电流控制设备(如LED)提供了简单而精确的恒流源。BJT的配置,尤其是达林顿的配置,使您可以通过一个简单的电流设置电阻器将一个微控制器的电流设置到与微控制器引脚相连的基极,从而精确地控制0-10A +范围内的输出电流。

2)为了使用PNP Darlington进行精确测量,基极电流参考接地,微控制器引脚仍然可以使用,输出仅变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器进行反馈以进行补偿。微控制器引脚电流的确随源/漏能力而变化,并且不同的MCU系列具有不同的能力。一个典型的5V AVR可以提供/吸收高达20-30mA / pin的TTL信号,基于SAM的arduino像DUE一样具有低和高电流两种引脚功能,高电流引脚只能提供15mA /吸收9mA的电流(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擅长放大低失真的小信号并精确控制大电流,但BJT可以弥补不良的开关性能,因为即使饱和,它们的Vce压降仍超过2V,这意味着在大电流下的功耗非常大,意味着大量的热量产生。即使您有一个达林顿(Darlington)在增益下降之前可以处理20A的电流,而只有0.96A的电流且环境温度为30C,您将处于150C的结温且没有散热器。

4)功率MOSFET的工作原理几乎与BJT的相反,它们擅长于开关,但如果设计不当,则会导致线性电流控制和放大器件性能较差。这与较大的栅极电容有关,后者限制了功率FET具有高带宽的能力。特殊的栅极驱动器IC可以在以高频率为MOSFET的栅极电容供电时处理较大的充电/放电电流,但同时也会增加项目成本/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达到饱和,其“导通”电阻实际上为零。由于在mV区域中存在“导通”电压降Vds,唯一耗散的功率是MOSFET处于从关断到导通和返回的过渡状态。典型的功率MOSFET的连续Id可以达到40A或更高,并且不需要散热片,直到您接近该额定值的一半,这是因为MOSFET导通时的电阻通常在毫欧区域。在30°C的环境温度下,具有0.01欧姆RDSon(10毫欧)的TO-220外壳Mosfet能够消散与基于TO-220的BJT相同的2.4W功率,而无需散热器,但是在没有散热器的情况下将通过15.49A散热器在相同的150°C结温下工作!

6)在TO-220外壳中使用达林顿(Darlington)并具有适当大小的散热器,可以精确地线性控制大电流,而进出底座的电流只有几个mA(NPN / PNP)。达林顿由于其较大的“线性”区域(对于DC-RF精密功率应用而言较大),还可用于以很小的失真准确地放大小电流/信号。达林顿特别适合用作恒流源,在这种情况下,开关电源的输出纹波将成为您设计的重点。但是,这样做的代价是集电极和发射极之间的压降大于或等于2V,从而导致高功耗。如果不考虑将正温度系数器件设计合理,BJT也容易发生热失控。

7)经过精心设计,mosfet可以在较小的“线性”区域中工作,但在该“线性”区域中工作时,将耗散与BJT类似的功率损耗。但是,MOSFET通常是负温度系数器件(它们在某种程度上具有过电流保护功能)。它们是对静电非常敏感的设备(与所有CMOS一样),因此在使用FET时应采取预防措施并放置ESD设备。

BJT专业人士

  • 使用上相对简单,易于控制
  • 便宜的
  • 需要很少的支持电路
  • 直流到射频操作
  • 对ESD不敏感,不需要使用ESD预防设备

BJT缺点

  • 低效
  • 具有相对较高的功耗(几乎需要散热器)
  • 正温度系数可能导致热失控并损坏晶体管
  • 需要高功率低值“镇流器”电阻器以并联


功率MOSFET优点

  • 极低的RDSon允许高电流低功耗设计
  • 栅极电流仅在栅极电容充电/放电期间发生
  • 适用于具有小/无散热器的高电流密度开关设计
  • 无需“镇流器”电阻即可并联(仅用于开关)
  • 具有集成栅极电荷泵驱动器的逻辑电平栅极功率MOSFET
  • 大多数是负面的temco设备

功率MOSFET缺点

  • 较大的栅极电容将频率限制在DC至〜10MHz
  • 需要用于高频/大功率FET的特殊栅极驱动IC
  • 高度ESD敏感的设备,需要购买ESD预防设备
  • 逻辑电平栅极MOSFET的转换时间相当慢Ton + Toff = avg〜44nS(接近上限22.7MHz)-除非MCU频率>〜44MHz,否则实际上不是一个缺点

希望这可以更好地阐明BJT与MOSFET选择对于给定任务的适用性。


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+1为出色的答案。但是,我将您的大段落分成了较小编号的段落,这些段落更易于阅读和评论。我离开了您现有的分区,并添加了一些您对上下文有轻微更改的地方。
Sparky256 '16

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不,达林顿没有比单个BJT(双极结型晶体管,它们是NPN和PNP类型的晶体管)提供更多的“功率处理”。实际上,达灵顿由于电源接通时的大压降而不利于功率处理。在与单个BJT相同的电流下,这会导致更多的功耗。

达灵顿的唯一优点是它的电流增益比单个BJT高得多。有效地是构成达林顿的两个BJT的乘积相乘。当切换由高阻抗信号控制的低电流时,这很有用,并且不需要高速。

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之间的区别,各有其优缺点。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,除某些相对较低电压的FET(最高30 V左右)外,其他所有器件都需要10-12 V的栅极驱动。这就需要特殊的FET驱动器芯片或电路来从典型的逻辑电平信号控制FET。

BJT和FET在适当的情况下都可以处理大量功率。BJT看上去更像是电压源,而FET更像是电阻。哪一个耗散的功率取决于FET的电流和Rdson。在几安培和10伏特的电压下,FET的效率更高,因为电流乘以Rdson小于200 mV左右,甚至是性能良好的BJT左右。FET的压降随电流线性上升。BJT的压降开始时较高,但随电流线性上升的幅度较小。在大电流情况下,BJT可以降低电压。同样,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100 mV的压降不是一个大问题时,它取决于价格,


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对于低压电路来说,FET通常比BJT更难驱动。

达到FET的指定“开启”电压通常不需要5或10 Vgs-如果从3.3V器件驱动它,则需要一些棘手的问题。或者,某些FET需要将Vgs拉为负才能关断。

对于达林顿而言,BJT需要约0.7V或约1.4V的电流-无需额外的驱动器电路即可产生微控制器工作范围之外的控制电压。

这并非适用于所有情况-但有时适用于足够多的情况来作为答案。


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历史上讲,这比当前要解决的问题更多,因为在典型的MCU输出电压下具有相当低的RDSon的相当鲁棒的逻辑电平FET已广泛可用。尤其是在Arduino项目中,您会看到很多东西都是基于“我在某处看到并借来的”,而不是实际的设计考虑。关于Instructables的几乎所有内容都应持怀疑态度,因为它可能只代表一个人的休闲经历。
克里斯·斯特拉顿

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从有多少741个运算放大器的问题来看,它几乎不限于Arduino项目...
Ecnerwal '16

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除了b degnan的点之外,如果FET和BJT都在饱和状态下偏置以驱动非常大的电流负载,则BJT可能会更有效。回想一下,饱和FET中从漏极到源极的功率损耗由I ^ 2 * Rdson给出,其中从夹头到发射极的饱和BJT中的功率损耗由I * Vjunction给出;后者与电流成线性比例关系,前者与电流二次比例关系。当电流低时,FET通常效率更高,特别是因为在低电流时,Rdson通常低于Vjunction,但取决于所讨论的单个器件以及偏置条件,随着负载电流的增加,这可能会发生变化。

也有可能原因不是最适合该电路的原因,而是最适合工程师期望的所有电路的原因。BJT允许更多的灵活性和重用性;如果您发现要使用A类放大器而不是D类放大器,则BJT可能比FET更好。如果您不打算设计大量电路,或者产品竞争如此激烈,以至于规格或成本上的任何微小优势都是至关重要的,那么这可能就没多大关系了,但是,否则,就可以重复使用零件,从而拥有与每种情况下拥有唯一的最佳零件相比,您需要更少的零件来进行库存/采购/维护数据表,可以节省时间,精力和金钱。


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在许多Arduino示例中,您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...除了MOSFET之外,是否有任何其他原因(除非您根本没有一个,而您确实有另一种类型?)

他可能只是不知道什么更好。达林顿晶体管是一种已被很大程度上取代的旧技术。它们具有高的压降(通常最低为1.1V ,而良好的FET的压降应小于0.2V),较差的载流能力和较慢的开关速度。与MOSFET不同,双极型晶体管没有内置的体二极管,因此在桥式电路中,您需要外部反激二极管来处理感应反电动势。我想不出将Arduino与Arduino搭配使用的任何充分理由。

但是业余爱好者仍然使用它们,因为他们只是在复制旧电路,并且不知道有更好的替代方法可用。同样,您会看到人们尝试使用ULN2003或L298来驱动数安培的电机,或者需要10V栅极驱动器的古老FET(如IRF540)。然后,他们使用缓慢恢复的1N4004整流器作为反激二极管!

简而言之,不要以为您在Internet上找到的一些业余项目都经过了适当的设计,无论网页的外观多么光滑...


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好吧,与BJT相比,MOSFET更好(您可以自行搜索优缺点)。

在您的特定情况下,不需要,根本不需要达林顿对IC。电机尺寸非常小,因此其最大吸力不会超过100 mA。单个BJT(BC547)会产生相同的效果。

要回答您的问题,这实际上是一个设计决定,要在成本和效率之间找到平衡。

与MOSFET相比,BJT总是便宜得多。因此,在小型应用程序和小型项目(如您提到的链接)中,负载永远不会吸收超过100 mA的电流,因此便宜的BC547将比MOSFET更好,因为它能够处理几安培以上的电流(一般情况),但这更昂贵。


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“ 与BJT相比,MOSFET 始终是更好的选择”,“因此,便宜的BC547 比MOSFET 更好 ”(您的话,我的重点)-完全矛盾-请说明您的答案。
吉姆·迪尔登

我可以为0.07购买2n7000 MOSFET,它可以处理0.2A电流,而我发现的BC547C可以达到0.01,但它可以处理0.1A电流。苹果与苹果并不完全相同,但看起来确实更便宜。我实际上可以买入的数量1中的差额收缩,也许是0.027,但仍然很大。MOSFET效率更高吗?我找不到最大导通电阻,正在尝试从其他规格中找出来。
Dov

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通常,您不会找到“最大阻力”-在特定条件下会找到RDSon,因为“最大RDSon”成为“您在哪里定义上下运动”的练习(并且也扩展为“耗散方式”)飞兆半导体公司表示,对于Vgs 10V和Id 500 ma,典型值为1.2,最大5欧姆;对于125°C结温,典型值为1.9和9欧姆。Fairchild表示。在75mA Id时Vgs为4.5V时为1.8和5.3
Ecnerwal '16

等一下,你告诉我电阻是1.2欧姆?那是巨大的,大量的功率将作为热量消散。功率MOSFET的电阻更像是0.04欧姆。对于由12V电池为电机供电的电路,1.2欧姆怎么可能合适?
Dov

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@Dov 2n7000的额定电流仅为200mA,在1.2Ω时会导致0.24V压降或在晶体管中产生0.05W的功耗。我同意1.2Ω远非理想,但这并非不合理。如果您想降低Rdson,则必须支付更多。
marcelm
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