Mérnöki munka, számítástechnika és tervezés
Egy korábbi bejegyzésünkben láthattuk, hogyan lehet egy BJT tranzisztort elektromosan vezérelt kapcsolóként használni, hogy sokkal nagyobb feszültségű és intenzitású terheléseket tápláljunk, mint amilyeneket az Arduino digitális kimeneteivel vagy PWM kimeneteivel ellátni tudnánk.
Ebben a bejegyzésben megtudhatja, hogyan érhető el ugyanaz a viselkedés MOSFET tranzisztor segítségével. A MOSFET-ek bizonyos szempontból előnyökkel járnak a BJT-khez képest, de ami ebben a bejegyzésben foglalkoztat minket, a legnagyobb előny az, hogy lehetővé teszi számunkra a nagy terhelések kezelését.
Mindazonáltal A MOSFET tranzisztoroknak is vannak hátrányai és sajátosságai, amelyeket később látni fogunk. Ily módon megtudhatjuk, mikor kényelmes BJT vagy MOSFET tranzisztort, vagy akár mindkettő kombinációját használni.
A bejegyzés alatt folyamatosan hivatkozunk a BJT tranzisztorokra és azok működésére, amelyeket a MOSFET tranzisztorok magyarázatának alapjául veszünk. Tehát, ha még nem ismeri a működését, akkor jó alkalom a BJT tranzisztorok bemenetének áttekintésére.
A MOSFET tranzisztor a modern elektronikában széles körben használt elektronikus eszköz. Például ez a legtöbb processzor fő eleme, ahol mindegyikbe integráltan több millió tranzisztor található.
A MOSFET-ek a FET tranzisztorcsalád alcsaládjai (terepi tranzisztor). A FET-eknek számos más alcsaládja van, például JFET-ek (join field effect transistor), CMOS és TFT-k.
A BJT tranzisztorokhoz hasonlóan a FET tranzisztorok is több alkalmazásban hasznosak. A főbbek közül néhány erősítőként és elektromosan vezérelt kapcsolóként működnek. Ebben a bejegyzésben a tranzisztor utolsó funkciója érdekel.
A BJT tranzisztorok másik hasonlósága, hogy sok FET tranzisztor modell létezik, mindegyiknek megvan a maga jellemzője. Nagyon sokféle integrált formában vannak bemutatva, így nem lehet egy pillantással megkülönböztetni a tranzisztor jellemzőit, a jellemzőinek megismeréséhez az adatlapján kell tanulmányoznunk.
Mint a BJT tranzisztorok egy FET tranzisztornak három terminálja van, bár nevük eltér a BJT tranzisztoroknál tapasztaltaktól.
- Kapu, hasonlóan a BJT bázishoz
- Forrás, hasonlóan a BJT kibocsátóhoz
- Csatorna, hasonló a BJT elosztóhoz
Hasonló a BJT tranzisztorokhoz is A FET tranzisztoroknak 3 működési módjuk van, bár a BJT aktív zónáját lineáris vagy ohmos zóna váltja fel. (És nemcsak egyszerű névváltoztatásról van szó, valójában mindkét zónának nagyon különböző műveletei vannak)
- bíróság, a tranzisztor nyitott áramkörként viselkedik a Forrás és a Drain között
- Telítettség, rövidként viselkedik a Forrás és a Drain között
- Lineáris zóna, változó értékű ellenállásként viselkedik
És hasonlóan a BJT tranzisztorokhoz, a terhelés bekapcsolása érdekében érdekeltek vagyunk abban, hogy a FET-et elektromosan vezérelt kapcsolóként működtessük. a módokat a vágás és a telítettség módban fogjuk használni, kerülve a lineáris zónát.
A FET tranzisztorok azonban fontos különbségeket mutatnak a BJT tranzisztoroktól. Először is, működése nem a félvezető anyagok egyesülésén alapul, hanem a csatorna létrehozásában a Forrás és a Drain között egyetlen félvezető anyagon belül. Ennek a csatornának a szélességét a Gate terminál vezérli.
Egy másik fontos különbség az, hogy egy FET tranzisztor állapotát a kapura alkalmazott feszültség szabályozza, ellentétben a BJT-kkel, amelyek állapota az alapon átfolyó áramtól függ. Ezért, A FET feszültségvezérelt eszközök, míg a BJT-k áramvezérelt eszközök.
A másik nagy előny az telítettség módban a MOSFET tranzisztorok nagyon kicsi értékű ellenállásként viselkednek, míg a BJT tranzisztorok mindig feszültségesést okoztak. Ez lehetővé teszi a MOSFET tranzisztorok számára, hogy hatalmas terheléseket kezeljenek, kis energiaeloszlás nélkül.
Több különbség van mindkét eszköz között, amelyek bár nem befolyásolják közvetlenül ezt a bejegyzést, mégis kényelmes áttekinteni.
A MOSFET-ek sokkal szimmetrikusabb eszközök, mint a BJT-k (a viselkedés a lefolyástól a forrásig és fordítva hasonló). Ezenkívül nagy az impedanciájuk a kaputól (100MΩ nagyságrendű), ami nagy előny, ha digitális áramkörökké alakítják őket.
Általában a kapcsolási idők gyorsabbak, mint a BJT-k. Ezenkívül kevesebb zajt generálnak és kevésbé érzékenyek a hőmérsékletre.
Végül a MOSFET tranzisztorok gyártása egyszerűbb, amellett, hogy szimulálni tudják velük az ellenállás viselkedését. Ez nagyszerű jelöltté teszi őket chipek és processzorok képzésére.
Ha emlékezünk a BJT tranzisztorok bemenetére, akkor a BJT tranzisztor az alapban lévő áram (Ib) és a kollektor intenzitásának (Ic) lineáris erősítőjeként viselkedik, bizonyos hFE tényező mellett, ami modellek és számítások sorozatát eredményezi.
A MOSFET-ek esetében a lefolyón (Id) átmenő áram másodfokú kapcsolatban van a kapu és a forrás (Vgs) közötti feszültséggel. Tekintettel erre a másodfokú összefüggésre, matematikai modell felállítása helyett javasoljuk olvassa el az Adatlap grafikonjait a tranzisztor működési pontjának meghatározásához.
Ahhoz azonban, hogy használhassuk és mindenekelőtt helyesen választhassunk ki tranzisztoros modellt szerelésünkhöz, meg kell értenünk a FET-ek működésének két aspektusát.
Egyrészt, a MOSFET tranzisztor változó ellenállásként viselkedik a Drain és a Source között. A lineáris zónában az ellenállás értéke a Vgs feszültségtől függ. A telítési ponton túl az Rds ellenállás drasztikusan csökken (az Rds ezen értékénél a telítettségnél gyakran Rdsonnak hívják)
Másrészről, a tranzisztor kapuja kondenzátorként viselkedik. Vagyis a tranzisztornak bizonyos mennyiségű elektromos töltést kell elnyelnie (egyenértékű, egy ideig tartó intenzitás), hogy megváltoztassa a működési módját.
Röviden, a MOSFET telítettségéhez két dologra lesz szükségünk
- A kapufeszültség (Vgs) küszöbértékének túllépése
- Biztosítson elegendő terhelést a MOSFET számára a telítéshez
Ez a két tény alapvető fontosságú a MOSFET működésének megértéséhez és a megfelelő modell kiválasztásához az összeállításunkhoz, és amikor előnyösebb a BJT tranzisztor használata.
A MOSFET-ekkel ellátott áramkörök kialakításának másik alapvető szempontja az általa támogatott teljesítmény, mivel a tranzisztornak képesnek kell lennie arra, hogy ezt az energiát károsodás nélkül el tudja vezetni.
A MOSFET által támogatott teljesítmény az ellenállása, a rajta átmenő áram négyzetének szorosa.
Mennyiségileg az egyes munkaterületekhez
- A vágási zónában Az Rds-t Vgs határozza meg, de az Ics nulla, tehát az eloszlott teljesítmény nulla
- A telítési zónában Az ID-k nagyok, de az Rdson nagyon kicsi, ezért az eloszlott energia nagyon kicsi
- A lineáris zónában Az azonosítók nagyok lehetnek, és az Rds "nem kicsi", így az eloszlott energia nagy lehet
Ezért, egy MOSFET tranzisztornak csak a lineáris zónában kell igazán nagy teljesítménynek ellenállnia, különösen, ha közelebb kerülünk a telítettségi ponthoz. Ha telített, a MOSFET képes ellenállni a nagy intenzitásnak, kevés energiaeloszlással.
Ezért, ha kapcsolóként akarjuk használni a MOSFET-et elkerüljük a lineáris zónát mert ezen a területen nagy az elvezetett energia, amely hővé és hőmérséklet-emelkedéssé alakul, ami károsíthatja a tranzisztort.
Eljutunk arra a részre, hogy egy MOSFET-t választunk, amely megfelelően működik az Arduinóval, és itt válik bonyolulttá a FET tranzisztorokkal való idilli kapcsolatunk.
Amikor MOSFET-et választunk, hagyhatjuk magunkat elkápráztatni a nagy névleges áramértékekkel (20-60A), amelyek sokkal jobbnak tűnnek, mint egy BJT tranzisztor vagy egy Darlington pár (0,5-4A).
Továbbá, bár némileg drágábbak, mint a BJT-k, a MOSFET-ek mégis olcsó eszközök. Mindenféle árat találunk, mivel sok különböző jellemzőkkel rendelkező modell létezik. De általában azt mondhatjuk, hogy a szokásos árkategória 0,10 és 0,60 euró között van.
Ahhoz azonban, hogy MOSFET-t válasszunk az Arduino számára, ezt szem előtt kell tartanunk Az Arduino kimenetek névleges 5 V feszültségen működnek (vagy típustól függően 3,3 V), és adja meg maximális áram 40 mA, a maximálisan ajánlott 20 mA.
A legtöbb MOSFET Vgs feszültségértéke 10V, tehát az Arduino kimenet által biztosított 5 V-nál a maximális intenzitás, amelyet a MOSFET képes biztosítani sokkal kisebb, mint a névleges intenzitása. Még néhány tranzisztoros modellnél sem biztos, hogy elég a MOSFET telítődése. Ez a helyzet logikailag még rosszabb a 3,3 V-os Arduino modellek esetében.
Továbbá, még ha elfogadjuk is ezt a névleges áramnál alacsonyabb Id-t, emlékeznünk kell erre a MOSFET-nek el kell fogadnia egy mennyiségű töltést hogy állapotot változtasson. Az Arduino kimenetek jelenlegi korlátozásával az átmenetek lassabbak, és hosszabb az az idő, amelyet a tranzisztor a lineáris zónában tölt, ami az energia és a fűtés nagyobb elvezetését jelenti.
Sok MOSFET modell érhető el, de nem mindegyiket ajánlott közvetlenül olyan processzorral használni, mint az Arduino a kimenetek feszültségének és intenzitásának korlátozása miatt.
A MOSFET általános modelljei az IRF520, IRF530 és IRF540, névleges áram Id értéke 9,2A, 14A és 28A. Ha azonban ezeket a tranzisztorokat Arduino-val és 5 V-os Vgs-szel használjuk, akkor az Id értékek 1A, 2A és 11A értékre esnek.
Másrészről, az N sorozat, az IRF520n, az IRF530n és az IRF540n névleges áramerőssége 9,7A, 17A és 33A, ha közvetlenül Arduinóval és 5 V Vgs feszültséggel csatlakoznak, az Id értékek 3A, 11A-ra esnek és 12A, jobb, mint az előzőek, de korántsem látványos.
Ennek megoldására van egy speciális típusú MOSFET kondenzátor, az úgynevezett logikai szintű tranzisztorok (logikai szint), kifejezetten a TTL tipikus alacsony feszültségén történő kapcsolásra tervezték. Hátrányok szerint az ár valamivel magasabb, mint a szokásos MOSFET.
Így az IRL520, IRL530 és IRL540 logikai tranzisztorok sorozata 5V-nál problémamentesen telít, 9,2A, 15A és 28A azonosítóval.
De nem csak ezek a logikai MOSFET tranzisztorok állnak rendelkezésre. A sok modell között megtalálhatjuk az IRLZ44-et, amely 50A azonosítót ad, vagy az IRLB3034PbF-et, amely brutális 190A azonosítót ad
A BJT tranzisztorokhoz hasonlóan, amelyeket két NPN és PNP alcsaládban mutattak be, a FET tranzisztoroknak két változata létezik az N csatornát és a P csatornát.
Mindkét változat működése analóg, de meghatározza a szerelvény helyzetét.
Az összeállításban használt két ellenállás szükséges a rendszer megfelelő működéséhez, és különböző funkciókat látnak el.
Egyrészt az Rg, a kapuban lévő ellenállás korlátozza az áramot, amelyet a kapu "követel". A magasabb értékek alacsonyabb intenzitást, és ezért alacsonyabb fogyasztást jelentenek Arduino-ban. Ezzel szemben az ellenállás értékének csökkentése a gyorsabb átmeneteknek kedvez, így a tranzisztor kevesebb időt tölt a lineáris zónában, és kapcsoláskor kevésbé melegszik fel. A szokásos értékek 470–4k7.
Másrészt az R-ek egyszerűen a tranzisztort ismert állapotba (GND) állítják be, amikor a csap határozatlan állapotban van (nagy impedancia), például a program indításakor, ami a MOSFET be- és kikapcsolását okozhatja. A kapu földeléséhez elég egy magas, 100K és 1M közötti ellenállási érték.
Pontosan ugyanúgy, mint a BJT tranzisztorok esetében, amennyiben induktív terhelések (motorok, tekercsek, elektromágnesek) táplálására MOSFET-et használunk, hozzá kell adnunk egy Flyback dióda nevű biztonsági eszközt.
Ez a dióda biztosítja a minimális ellenállás útvonalát, amely lehetővé teszi az induktív terhelés mágneses mezője által létrehozott indukált áramok eloszlatását, amikor leválasztják az áramról, és amelyek károsíthatják a tranzisztort vagy az Arduino-t.
Ezért induktív terhelések és a Flyback dióda beépítése esetén az összeállítás a következő.
A BJT-k bemeneténél láttuk, hogy alkalmasak egy erősített PWM-jel előállítására, nincs más szükség, mint az Arduino analóg kimenetéhez csatlakoztatni őket.
Azt gondolhatnánk, hogy a MOSFET tranzisztorok még jobban képesek előállítani a PWM kimeneteket, mivel nagyobb terhelések táplálására képesek, és kapcsolási idejük sokkal gyorsabb, mint a BJT tranzisztoroké.
Ez azonban nem így van. Általában, A MOSFET tranzisztorok nem alkalmasak PWM jelek előállítására csak csatlakoztassa őket közvetlenül egy Arduino kimenethez, még logikai szintű tranzisztoros modelleken sem.
Ennek oka, hogy mind a feszültség, mind pedig mindenekelőtt, az Arduino kimenet által nyújtott intenzitás nem elegendő a MOSFET gyors telítéséhez. Ez azt eredményezi, hogy a tranzisztor túl sok időt tölt a lineáris területen, növelve a veszteségeket.
E korlátozások kezelése érdekében:
- Korlátozzuk magunkat kis terhelésekre, amelyeknél a névlegesnél alacsonyabb intenzitású igény van
- Fontolja meg Darlington párral való helyettesítését
- Végezze el a teljesítményerősítés előtti szakaszát egy BJT-vel (lásd alább)
A bemeneten keresztül láttuk, hogy az Arduino (és általában bármely processzor vagy automata) kimenetei által előírt feszültség- és áramkorlátozások arra kényszerítenek minket, hogy csökkentsük azokat a terheléseket, amelyeket MOSFET-el tudunk szállítani, vagy logikusan speciális szintű tranzisztorokat.
Ez a helyzet még rosszabb a PWM kimenetek esetében, mivel a jelenlegi korlátozás arra kényszeríti a MOSFET-et, hogy több időt töltsön a lineáris zónában, növelve az eloszló teljesítményt és annak hőmérsékletét.
E korlátozások megszüntetésének egyik módja az előerősítő szakasz használata, az Arduino kimenet és a MOSFET között. Ez a szakasz vagy meghajtó lehet egy áramkör, amely egy egyszerű kis BJT-ből áll (N2222, BC337 vagy hasonló).
Ez a szakasz megkapja az Arduino kimenetét, és biztosítja a MOSFET számára a teljes telítéshez szükséges feszültséget és áramot, valamint gyors kapcsolási sebességet.
Ennél az áramkörnél használja ki teljes mértékben a MOSFET előnyeit, lehetővé téve a PWM kimeneteknél is nagy áramok biztosítását. De éppen ellenkezőleg, összetevőket és összetettséget ad a szerelvényeknek.
Ezért nincs egyetlen megoldás, amikor egy BJT, közvetlenül egy MOSFET vagy egy előerősítővel rendelkező MOSFET megfelelőbb. Ez egy tervezési döntés, amelyet külön-külön kell meghoznia minden egyes összeállításához, mindazok szerint, amelyeket ebben a bejegyzésben láttunk.