Инженеринг, изчислителна техника и дизайн

големи

В предишен пост видяхме как да използваме транзистор BJT като електрически управляван превключвател, за да натоварваме мощности при нива на напрежение и интензивност, много по-високи от тези, които бихме могли да доставим с цифровите изходи или PWM изходите на Arduino.

В тази публикация вижте как да постигнете същото поведение с помощта на MOSFET транзистор. MOSFET-ите имат предимства в някои аспекти в сравнение с BJT, но най-голямото предимство на това, което ни тревожи в този пост, е, че ни позволяват да се справяме с големи товари.

въпреки това MOSFET транзисторите също имат своите недостатъци и особености, които ще видим по-късно. По този начин ще научим кога е удобно да се използва BJT транзистор или MOSFET транзистор, или дори комбинация от двете.

По време на този пост ще правим постоянна препратка към транзисторите BJT и тяхната работа, което ще вземем като основа за обяснение на MOSFET транзисторите. Така че, ако все още не сте запознати с работата му, е време да прегледате входа на транзисторите BJT.

MOSFET транзисторът е електронно устройство, широко използвано в съвременната електроника. Например, това е основният компонент на повечето процесори, където има интегрирани милиони транзистори.

MOSFET транзисторите са подсемейство от семейството FET транзистори (полеви транзистор). Има много други подсемейства на FET, като JFET (транзистор с полеви ефект), CMOS и TFT.

Подобно на транзисторите BJT, транзисторите FET са полезни в множество приложения. Някои от основните са действат като усилвател и действат като електрически управляван превключвател. В този пост се интересуваме от тази последна функция на транзистора.

Друга прилика с транзисторите BJT е, че има много модели транзистори с БНТ, всеки със свои собствени характеристики. Те също са представени в голямо разнообразие от интегрирани, така че не е възможно да се разграничат с един поглед характеристиките на транзистора, като се налага да се консултирате с неговия лист с данни, за да знаете характеристиките.

Като BJT транзистори FET транзисторът има три терминала, въпреки че имената им са различни от това, което откриваме в транзисторите BJT.

  • Порта, подобно на базата BJT
  • Източник, подобно на издателя BJT
  • Изцедете, подобно на BJT колектора

Също подобен на транзисторите BJT FET транзисторите имат 3 режима на работа, въпреки че активната зона на BJT се заменя с линейна или омична зона. (И не само това е проста промяна на името, всъщност и двете зони имат много различни операции)

  • съдебна зала, транзисторът се държи като отворена верига между източника и канализацията
  • Наситеност, се държи като късо между Source и Drain
  • Линейна зона, се държи като резистор с променлива стойност

И подобно на случая с транзистори BJT, за да включим товар, ние се интересуваме да управляваме FET като електрически управляван превключвател, за който ние ще използваме режимите в режимите на изрязване и насищане, избягване на линейната зона.

FET транзисторите обаче имат важни разлики от BJT транзисторите. На първо място, работата му не се основава на обединението на полупроводникови материали, а при създаването на канал за канал между източника и канализацията в рамките на един полупроводников материал. Ширината на този канал се контролира от терминала Gate.

Друга важна разлика е, че състоянието на FET транзистор се контролира от напрежението, приложено към портата, за разлика от BJT, чието състояние зависи от тока, протичащ през основата. Следователно, FET са устройства, контролирани по напрежение, докато BJT са текущо контролирани устройства.

Друго голямо предимство е това в режим на насищане транзисторите MOSFET се държат като съпротивление с много малка стойност, като има предвид, че транзисторите BJT винаги налагат спад на напрежението. Това позволява на MOSFET транзисторите да се справят с огромни товари с малко разсейване на мощността.

Има повече разлики между двете устройства, които, въпреки че не влияят пряко на този запис, е удобно да се преглеждат.

MOSFET са много по-симетрични устройства от BJT (поведението от Drain към Source и обратно е подобно). Освен това те имат висок импеданс от портата (от порядъка на 100MΩ), което е голямо предимство при комбинирането им за оформяне на цифрови схеми.

Като цяло времената за превключване са по-бързи от BJT. Те също така генерират по-малко шум и са по-малко чувствителни към температура.

И накрая, транзисторите MOSFET са по-лесни за производство, освен че могат да симулират поведението на съпротивление с тях. Това ги прави чудесни кандидати за обучение на чипове и процесори.

Ако си спомним входа на BJT транзистори, BJT транзисторът се държи като линеен усилвател на тока в основата (Ib) и интензитета на колектора (Ic), с определен коефициент hFE, което поражда поредица от модели и изчисления.

В случай на MOSFET, токът през дренажа (Id) има квадратична връзка с напрежението между порта и източника (Vgs). Предвид тази квадратична връзка, вместо да представяме математически модел, препоръчваме вижте графиките на листа с данни за определяне на работната точка на транзистора.

За да можем обаче да използваме и преди всичко да можем правилно да изберем транзисторен модел за нашето сглобяване, трябва да разберем два аспекта от работата на полевите транзистори.

От една страна, транзисторът MOSFET се държи като променлив резистор между източване и източник. В линейната зона стойността на съпротивлението зависи от напрежението Vgs. След точката на насищане съпротивлението Rds намалява драстично (тази стойност на Rds в насищане често се нарича Rdson)

От друга страна, портата на транзистора се държи като кондензатор. Тоест, транзисторът трябва да поеме определено количество електрически заряд (еквивалентно на интензитет за определено време), за да промени режима си на работа.

Накратко, за да се насити MOSFET ще ни трябват две неща

  • Превишаване на праг в напрежението на портата (Vgs)
  • Осигурете достатъчно натоварване за MOSFET за насищане

Тези два факта са от основно значение за разбирането на работата на MOSFET и за да можем да изберем подходящия модел за нашето сглобяване и когато е за предпочитане да използваме транзистор BJT.

Друг основен аспект при проектирането на схеми с MOSFET е мощността, поддържана от него, тъй като транзисторът трябва да може да разсейва тази енергия, без да се повреди.

Мощността, поддържана от MOSFET, е неговото съпротивление, умножено по квадрата на тока през него.

Количествено, за всяка от възможните работни области

  • В зоната на изрязване Rds се определя от Vgs, но Ics е нула, така че разсейваната мощност е нула
  • В зоната на насищане Идентификаторите са големи, но Rdson е много малък, така че разсейваната мощност е много малка
  • В линейната зона Идентификационните номера могат да бъдат големи, а Rds "не е малък", така че разсейваната мощност може да бъде голяма

Следователно, транзисторът MOSFET трябва да издържа само на наистина голяма мощност в линейната зона, особено когато се приближаваме до точката на насищане. Веднъж наситен, MOSFET е в състояние да издържи на висока интензивност, с малко разсейване на енергия.

Следователно, ако искаме да използваме MOSFET като превключвател ще избегнем линейната зона защото в тази област разсейваната енергия е висока, която се превръща в топлина и повишаване на температурата, което може да повреди транзистора.

Стигаме до частта от избора на MOSFET, която работи правилно с Arduino, и тук идиличната ни връзка с транзистори с полеви транзистори става сложна.

Когато ще изберем MOSFET, можем да се оставим да бъдем заслепени от големите стойности на номиналния ток (20-60A), които ги правят много по-добри от BJT транзистор или двойка Дарлингтън (0,5-4A).

Също така, макар и малко по-скъпи от BJT, MOSFET-тата все още са евтини устройства. Ще открием всякакви цени, тъй като има много модели с различни характеристики. Но като цяло можем да кажем, че обичайният ценови диапазон е между 0,10 и 0,60 евро.

За да изберем MOSFET за Arduino, трябва да имаме предвид това Arduino изходите работят при номинално напрежение 5V (или 3.3V, в зависимост от модела) и осигурете максимален ток от 40 mA, като максимално препоръчваните 20 mA.

Повечето MOSFETs имат напрежение Vgs от 10V, така че при 5V, предоставени от изхода на Arduino, максималният интензитет, който MOSFET може да осигури е много по-малък от номиналния интензитет. Дори на някои модели транзистори може да не е достатъчно за насищане на MOSFET. Тази ситуация логично е още по-лоша в случая на 3.3V Arduino модели.

Освен това, дори ако приемем този по-нисък от номиналния ток Id, трябва да го помним MOSFET трябва да поеме определено количество заряд за смяна на състоянието. С текущото ограничение на изходите на Arduino преходите са по-бавни и времето, което транзисторът прекарва в линейната зона, е по-дълго, което означава по-голямо разсейване на енергия и отопление.

Налични са много модели MOSFET, но не всички се препоръчват да се използват директно с процесор като Arduino поради ограничението на напрежението и тока в изходите му.

Общите модели на MOSFET са IRF520, IRF530 и IRF540, с номинален ток Id съответно 9,2A, 14A и 28A. Въпреки това, когато се използват тези транзистори с Arduino и Vgs от 5V, стойностите на Id падат до 1A, 2A и 11A.

От друга страна, серията N, IRF520n, IRF530n и IRF540n, с номинален ток Id 9,7A, 17A и 33A, когато са свързани директно с Arduino и Vgs напрежение 5V, стойностите Id падат до 3A, 11A и 12А, по-добри от предишните, но далеч не впечатляващи.

За да се реши това, има специален тип MOSFET кондензатори, наречен транзистори на логическо ниво (логическо ниво), специално проектиран за превключване при типичните ниски напрежения в TTL. Като минуси цената е малко по-висока от обичайните MOSFET.

По този начин серията логически транзистори IRL520, IRL530 и IRL540 се насищат без проблеми при 5V, осигурявайки Id, съответно, 9.2A, 15A и 28A.

Но те не са единствените налични логически MOSFET транзистори. Сред многото модели откриваме IRLZ44, който осигурява Id 50A, или IRLB3034PbF, който осигурява брутален Id 190A

Подобно на транзисторите BJT, които бяха представени в две подсемейства, наречени NPN и PNP, има два варианта на транзистори FET наречени Channel N и Channel P.

Работата на двата варианта е аналогична, но определя позицията в сглобката.

Двата резистора, използвани в сглобката, са необходими за правилната работа на системата и те изпълняват различни функции.

От една страна Rg, съпротивлението в портата, служи за ограничаване на тока, който портата "изисква". По-високите стойности означават по-ниска интензивност и следователно по-ниска консумация в Arduino. За разлика от това, намаляването на стойността на съпротивление благоприятства по-бързите преходи, така че транзисторът прекарва по-малко време в линейната зона и се нагрява по-малко по време на превключване. Обичайните стойности са от 470 до 4k7.

От друга страна, Rs просто настройва транзистора в известно състояние (GND), когато щифтът е в неопределено състояние (висок импеданс), например по време на стартиране на програмата, което може да доведе до включване и изключване на MOSFET. Висока стойност на съпротивление, от 100K до 1M, е достатъчна за заземяване на портата.

Точно същото като при транзисторите BJT, в случай на използване на MOSFET за захранване на индуктивни товари (двигатели, намотки, електромагнити) трябва да добавим предпазно устройство, наречено Flyback диод.

Този диод осигурява път на минимално съпротивление, което позволява да се разсеят индуцираните токове, произведени от магнитното поле на индуктивния товар, когато той е изключен от тока, и това може да повреди транзистора или Arduino.

Следователно, за индуктивни натоварвания и включване на Flyback диод, монтажът ще бъде както следва.

На входа на BJT видяхме, че те са подходящи за генериране на усилен ШИМ сигнал, без да има нужда освен да ги свържете към аналогов изход на Arduino.

Може да си помислим, че MOSFET транзисторите са дори по-добри при генерирането на ШИМ изходи, тъй като те са способни да захранват по-големи товари и времето им на превключване е много по-бързо от BJT транзисторите.

Това обаче не е така. Обикновено, MOSFET транзисторите не са подходящи за генериране на ШИМ сигнали просто ги включва директно в изход на Arduino, дори и на модели транзистори на логическо ниво.

Това е така, защото както напрежението, така и преди всичко, интензивността, осигурена от изхода на Arduino, не е достатъчна за бързо насищане на MOSFET. Това кара транзистора да прекарва прекомерно време в линейната област, увеличавайки загубите.

За да се справим с тези ограничения, можем:

  • Ограничете се до малки товари, които изискват интензитет по-нисък от номиналния
  • Помислете дали да не го замените с двойка Дарлингтън
  • Направете пред-етап на усилване на мощността с BJT (вижте го по-долу)

Виждали сме през целия вход, че ограниченията на напрежението и тока, наложени от изходите на Arduino (и като цяло на всеки процесор или автомат) ни принуждават да намалим натоварванията, които можем да доставим с MOSFET, или да използваме логически транзистори на специално ниво.

Тази ситуация е още по-лоша в случая на ШИМ изходи, тъй като настоящото ограничение принуждава MOSFET да прекарва повече време в линейната зона, увеличавайки разсейваната мощност и нейната температура.

Един от начините за премахване на тези ограничения е да се използва етап на предусилвател, между изхода на Arduino и MOSFET. Този етап или драйвер може да бъде схема, съставена от обикновен малък BJT (N2222, BC337 или подобен).

Този етап получава изхода от Arduino и осигурява на MOSFET напрежението и тока, които са му необходими за пълно насищане, и с бърза скорост на превключване.

С този тип верига се възползвайте напълно от MOSFET, позволявайки да осигурите високи токове дори в ШИМ изходи. Но, напротив, добавя компоненти и сложност към сглобките.

Следователно няма едно решение, което да изберете, когато BJT, MOSFET директно или MOSFET с предусилвател са по-подходящи. Това е дизайнерско решение, което трябва да вземете индивидуално за всеки от вашите възли, според всичко, което видяхме в тази публикация.