Управление полевым транзистором от микроконтроллера: Подключение мощных Мосфетов к микроконтроллеру

Подключение мощных Мосфетов к микроконтроллеру

В этой статье мы рассмотрим возможность подключения мощных Mosfet транзисторов для коммутации нагрузки с большим током сигналом с микроконтроллера. Это позволит подключать к микроконтроллеру цепи управления двигателями, светодиодами или любым устройством питания, которое работает с низким постоянным напряжением (DC).

Силовые мосфеты — это электронные компоненты, которые позволяют нам контролировать очень высокие токи. Как и в случае с обычными МОП-транзисторами, у них есть три вывода, которые называются: Сток (D), Исток (S) и Затвор (G). Основной ток проходит между истоком и стоком (I SD), в то время как управление этим током достигается путем подачи напряжения на клемму затвора (относительно клеммы источника), известной как V GS.

 

Принцип работы Мосфетов

В исходном состоянии ток затвора практически равен нулю, поскольку внутри компонента клемма затвора подключена к своего рода конденсатору. Поэтому ток затвора протекает только в тот момент, когда мы меняем уровень входного напряжения (изменение логического состояния), и это является причиной, почему потребление Mosfet (как в случае всех логических схем MOS) увеличивается пропорционально частоте переключения.

Существуют «силовые мостики» двух типов: те, что в канале N, и в канале P. Разница между ними заключается в полярности соединения исток-сток и в том, что напряжение затвора P-канала отрицательное (те же различия, которые существуют между NPN и PNP транзисторами).

Мощный мосфет может работать в «линейном режиме» или в «насыщенности». В аналоговых системах, например на выходных каскадах усилителей звука, мосфеты работают в линейном режиме, тогда как в цифровых системах, в которых они используются в качестве цифровых выключателей питания, они работают в режиме отключения (ВЫКЛ) или насыщения (НА).

В этой статье мы проанализируем только тот мосфет, который используется в качестве цифровых коммутаторов. Когда mosfet находится в состоянии насыщения, значение внутреннего сопротивления между истоком и стоком (Rsd) очень низкое, следовательно рассеиваемая мощность в нем будет незначительной, однако ток через него может проходить очень высокий.

Чтобы довести Mosfet до насыщения, необходимо, чтобы управляющее напряжение на клемме затвора было достаточно высоким, и это может быть проблемой, если мы напрямую используем низкое выходное напряжение микроконтроллера.

Я лучше объясню на примере

Для насыщения биполярного транзистора (типа BC548) необходимо превысить пороговое напряжение базы, которое составляет всего 0,6 В. Управляющее напряжение 0,6 В может быть получено с любой цифровой схемы, работающей от 5 В, 3,3 В и до 1,8 В.

И наоборот, напряжение, необходимое для приведения в действие Mosfet (называемое «пороговым напряжением» или V th), намного выше (несколько вольт) и зависит от модели Mosfet.

Более того, даже если бы мы достигли этого значения, этого было бы недостаточно, потому что мы должны превысить значение линейной области работы, чтобы привести ее к насыщению. Если нет, проводимость не будет полной, и, следовательно, часть мощности будет рассеиваться в mosfet в виде тепла, потому что мощность, рассеиваемая mosfet, является результатом умножения между падением напряжения и током, проходящим по нему (Pmosfet = Vsd * Isd).

На графике мы видим кривые движения типичного N-канального мосфета с разными напряжениями на затворе в двух рабочих областях (линейная область слева от графика и насыщенность справа).

Как мы видим, если мы хотим получить максимальный выходной ток, напряжение на затворе (VGS) должно быть 7,5 В. Это значение варьируется в зависимости от используемой модели mosfet.

Для решения этой проблемы есть две возможности: использовать адаптер, который увеличивает выходные уровни микроконтроллера, или использовать mosfet, который работает с более низкими напряжениями на затворе. МОП-транзисторы с низким уровнем управления затвором известны как «силовые МОП-транзисторы логического уровня».

На графике мы видим кривую движения мосфета «логический уровень» IRL530 (зеленого цвета) по сравнению с классическим мосфетом IRF530 (синим цветом).

Вертикальная полосатая линия указывает на логический уровень 4,75 В (типичный выходной уровень микроконтроллера, питаемого от 5 В). Как мы видим, максимальный выходной ток IRF530 не превышает 2,6 А, хотя эта модель способна выдавать гораздо больший ток, в то время как IRL530 превышает 20 А (полная проводимость).

Если бы наш микроконтроллер работал с напряжением 3,3 В, IRF530 даже не начал бы запускаться.

 

Поэтому выбор типа «логический уровень» Mosfet является лучшим выбором при работе с цифровыми цепями.

На рисунке мы видим соединение «логического уровня» mosfet с микроконтроллером для включения светодиодной ленты. Как объяснялось в начале этой статьи, когда логический уровень управления изменяется, на мгновение mosfet поглощает определенный ток, который заряжает внутренний конденсатор терминала Gate.

Импульсное регулирование мощности (ШИМ) с применением мосфетов

 

Резистор 4,7К служит для ограничения этого начального тока. Мы могли бы использовать любое значение сопротивления, но низкое значение позволяет получить быструю зарядку этого конденсатора и, следовательно, более быстрое переключение mosfet. Быстрая коммутация мосфета полезна если мы хотим использовать импульсное регулирование мощности (ШИМ).

В этом типе регулирования, если бы переключение mosfet было «медленным», оно было бы длиннее в линейной зоне и, следовательно, увеличивало бы рассеивание мощности в нем, особенно если мы работаем с высокими частотами. Как только Мосфет переключился, затвор больше не поглощает ток. Поэтому, если мы планируем использовать наш mosfet для простого включения и выключения, значение этого R может быть и 10K.

Напротив, если мы хотим модулировать выходную мощность с помощью ШИМ-модуляции, для нас удобно использовать значение сопротивления 4,7 К, 3,3 К или 1,2 К включительно. Лучший выбор зависит в основном от частоты ШИМ.

Сопротивление 100 К замкнутое на землю, служит для определения точного логического состояния в том случае, если микроконтроллер не сделал этого, как например в фазе инициализации того же самого.

Если у нас возникла необходимость подключить Mosfet без «логического уровня» к цифровой цепи, мы можем добавить транзистор, который позволит нам увеличить управляющее напряжение, как мы видим на следующем рисунке.

 

Принцип работы очень прост. Когда выход микроконтроллера имеет низкий логический уровень (0 вольт), транзистор не работает, и, следовательно, его коллектор, который подключен к затвору mosfet, будет иметь положительный потенциал 12 В через положительное сопротивление.

Когда выходной сигнал микроконтроллера становится высоким (1,8 В, 3,3 В или 5 В), транзистор приводит в действие и доводит затвор мосфета до 0 В, поэтому он прекращает движение. Как видите, эта схема имеет дефект, который работает наоборот, то есть активируется, когда уровень выходного сигнала микрофона низкий.

Несмотря на это, преимущество в том, что напряжение затвора достигает максимального напряжения питания, что гарантирует полное насыщение любого типа мосфета, который мы подключаем. Значение сопротивления затвора, связанного с положительным, изменяет скорость переключения полевого двигателя, как объяснено в предыдущем случае. (высокие значения для медленного переключения и низкие значения для быстрого переключения (ШИМ-модуляция).

Если мы хотим использовать общий mosfet (не «логический уровень») с неинвертированной логикой управления, мы можем изменить его на P-канал, как показано на рисунке. Обратите внимание, что выходная мощность (в примере, светодиодная лента) подключена к земле (отрицательной) вместо положительной.

Единственная проблема, представленная этим последним решением, состоит в том, что его нельзя использовать, если мы хотим управлять светодиодной полосой RGB с 3 каналами, потому что эти полосы обычно имеют общий анод (уникальный положительный), в то время как мы использовали бы полосу RGB с общим катодом (общий негатив). В любом случае, это решение очень полезно во многих случаях и сможет пригодлится в ваших проектах.

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку? — GetChip.net

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите :). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы  что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, 0-выключено. Начнем.

 

1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте

300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой

n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf (10556 Загрузок)

1.3 Подключение

нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf (17808 Загрузок)

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf (19485 Загрузок)

 

2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.

Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны  напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы  типа BT138.
BT138.pdf (6610 Загрузок)

2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.

Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто — как светодиод — через резистор.
Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.

Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf (14595 Загрузок)

 

(Visited 152 764 times, 1 visits today)

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3.

Кроме транзисторов и сборок Дарлингтона есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые МОП транзисторы.
Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением.

МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.

Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:

• На более мелких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
• применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.

  Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных. Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

• Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I _Drain или I_D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это V_GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I_D от V_DS при разных значениях V_GS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I²R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t_on,t_off, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C_iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков.

Ключи на полевых транзисторах в схемах на микроконтроллере

Полевые транзисторы служат опорой современной микроэлектроники. Без них не было бы ни СБИС, ни ПЛИС, ни MK. Все современные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки построены на полевых транзисторах, и достойной альтернативы им пока не видно.

На выходах портов MK находятся каскады с полевыми транзисторами. Казалось бы, что подключить к ним ещё одного полевого «тёзку» — проще простого. Однако новичок-радиолюбитель впадает в шоковое состояние, узнав, что существуют десятки разновидностей полевых транзисторов с разной структурой проводимости, разной топологией изоляции затвора, разной технологией легирования канала, разными фирменными названиями и брэндами, а также разными условными графическими изображениями на электрических схемах.

К счастью, в цифровой, импульсной и преобразовательной технике, как правило, используются полевые МДП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие n- или  -проводимость канала. Это достаточно узкий класс электронных приборов, хорошо исследованный и легко поддающийся изучению.

Для прямого сопряжения с MK подойдут те полевые транзисторы, которые имеют низкое напряжение отсечки «затвор — исток» (параметр Gate Theshold Voltage в пределах 0.5…2.5 В). Технологические достижения последнего десятилетия сделали такие транзисторы малогабаритными и дешёвыми. Мощные полевые транзисторы обычно подключаются к MK через буферные каскады.

Если сравнивать полевые и биполярные транзисторы, то выводы «база — коллектор — эмиттер» (Base — Collector — Emitter) в первом приближении эквивалентны выводам «затвор — сток — исток» (Gate — Drain — Source). Соответственно, схемы ключевых каскадов у них будут очень похожими. Из отличий — полевые транзисторы управляются напряжением, а не током. Они имеют высокое входное и низкое выходное сопротивление, что улучшает экономичность. С другой стороны, большая ёмкость перехода «затвор — исток» 100…3000 пФ снижает быстродействие, а значительный технологический разброс параметров заставляет проектировать схемы с перестраховкой и с запасом «на всякий пожарный случай».

На Рис. 2.69, а…ж и Рис. 2.70, a…r приведены схемы ключевых каскадов соответственно с одним и двумя полевыми транзисторами. На Рис. 2.71, a…r представлены варианты совместного включения полевых и биполярных транзисторов.

Таблица 2.11. Параметры полевых транзисторов

В Табл. 2.11 приведены типовые параметры полевых транзисторов разной мощности. Транзисторы с я-каналом аналогичны транзисторам структуры п—р—п, а транзисторы с  -каналом — транзисторам структуры р—п—р. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (начало):

а) классический инвертирующий ключ на л-канальном транзисторе VT1. Главным параметром при выборе транзистора является напряжение отсечки затвора, которое при рабочем токе нагрузки R_H не должно превышать напряжение питания MK. Резистор R3 (R1) сопротивлением 51…510 кОм ставят, чтобы транзистор VT1 был закрыт в следующих случаях: при рестарте MK, при срабатывании супервизора просадок питания, при пропадании напряжения +5 В, при переводе линии MK в Z-состояние. Резистор R3 ускоряет разряд ёмкости затвора. Резистор R2 защищает линию MK от наводок большой амплитуды через цепь затвора со стороны стока при коммутации мощных нагрузок. Он обязателен при высоких напряжениях в нагрузке и большом уровне помех. Резисторы R1, R3 допускается не ставить, если нагрузка не критична к случайным включениям. По большому счёту затвор полевого транзистора VT1 в данной схеме может «висеть в воздухе», поскольку его защищают от статического электричества внутренние диоды MK;

б) диоды VD1, VD2 ставят для защиты полевого транзистора VT1 от выбросов напряжения в индуктивной нагрузке и для снижения помех в цепи питания. Современные полевые транзисторы серии MOSFET имеют встроенные мощные диоды, аналогичные VD2. Резисторы R1, R2 можно не ставить при низких напряжениях и резистивной нагрузке;

в) гальванически изолированое включение/выключение транзистора VT1. На выходе MK генерируется ВЧ-сигнал, который выпрямляется и фильтруется элементами VD1…VD4, C3, R2. Стабилитрон VD5 защищает затвор транзистора VT1. Трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита N30, обмотка I содержит 15, а обмотка II — 30 витков провода ПЭВ-0.2;

г) ключ на полевом  -канальном транзисторе VT1 эквивалентен ключу на биполярном транзисторе р—п—р. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК  транзистор VT1 закрыт, а при переводе в режим входа с Z-состоянием транзистор открывается из-за наличия резистора R1\ О

О Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (окончание):

д) предохранитель FU1 срабатывает при аварийном токе в нагрузке R_H;

е) часть схемы электронного дверного звонка. Защита транзистора VT1 производится варторами RU1, RU2n конденсатором C1. Индикатор прихода гостей — светодиод HL1\

ж) диод VD1 защищает линию МК  от высокого напряжения при пробое транзистора VT1 и от наведенных помех при наличие мощной индуктивной нагрузки R_H.

а) последовательное включение n- и  -канальных транзисторов VT1, VT2 для коммутации «высоковольтной» нагрузки R_H. Диод VD1 ускоряет разряд ёмкости затвора транзистора VT1\

б) параллельное включение двух полевых транзисторов для увеличения тока нагрузки;

в) DA1 — это специализированный драйвер (фирма International Rectifier), обслуживающий мощные полевые транзисторы VT1, VT2 (ток до 1.5 А). Диод VD1 повышает надёжность; О

О Рис. 2.70. Схемы подключения двух полевых транзисторов к MK (окончание):

г)         преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное напряжение 220 В (DC/AC). Двухтактный каскад на транзисторах K77, VT2 управляется буферной логической микросхемой DD1. Сигналы с выходов МК  должны быть противофазными, но с небольшой «бестоковой» паузой, равной 10% от длительности периода (для устранения сквозныхтоков и повышения КПД). Конденсатор С/ компенсирует реактивность обмотки трансформатора T1 и приближает форму выходного сигнала 50 Гц к синусоиде.

Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(начало):

а) буферный биполярный транзистор VT1 управляет мощным полевым транзистором VT2. Подбором резистора R4 можно уменьшить выбросы напряжения на стоке транзистора VT2, возникающие в момент переключения сигнала;

б) биполярный ключ на транзисторе VT1 (возможная замена KT503) ускоряет разряд ёмкости затвора мощного полевого транзистора VT2. Конденсатор C1 увеличивает крутизну фронта сигнала, поступающего с выхода MK. Резистор R1 обеспечивает открытое состояние транзистора VT1 и закрытое состояние транзистора VT2 при рестарте MK; О

О Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(окончание):

в) резисторы R1, R2 одновременно не дают «висеть в воздухе» базе транзистора VT1 и затвору транзистора VT2npu рестарте MK;

г) маломощный биполярный транзистор VT1, как правило, дешевле полевого аналога, а полевой транзистор VT2 обеспечивает более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем биполярный аналог.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Управление мощной нагрузкой с помощью микроконтроллера

Помигав светодиодам, изучив что и как происходит в микроконтроллере обычно думаешь: «…а может научиться управлять при помощи микроконтроллера к примеру освещением в комнате, или вентилятором, или просто подключить к выходу микроконтроллера что-то мощнее чем светодиод…».

В данном случаи нагрузка относительно мощная, так как порты микроконтроллера по документации выдерживают до 50мА ток нагрузки (поверьте оно так и есть горят порты аж бегом!) необходимо выбрать промежуточное устройство, которое будет коммутировать нашу оконечную нагрузку.
Для примера возьмем микромощный коллекторный двигатель, который использовался в статье про регулятор скорости вращения двигателя.

Варианты построения выходного каскада устройств на микроконтроллерах:
1. Применение биполярного транзистора или микросхемы сборки(драйвера).
2. Применение полевого транзистора или сборки.
Рассмотрим преимущества и недостатки двух этих вариантов.

Биполярный транзистор.
Биполярный транзистор управляется током, что приводит к нескольким недостаткам его использования как выходного-коммутирующего устройства:
— нагрев самого транзистора,
— необходимость применять громоздкие радиаторы,
— максимальная частота коммутации ниже чем у полевых транзисторов.

Тем не менее биполярные транзисторы занимают определенную нишу в электронике и очень широко применяются в наше время.
Схема включения биполярного транзистора показана на рис. 1

Рис.1

Схема включения биполярного транзистора для питания коллекторного двигателя рис.2:

Рис. 2
Широкое распространение получили микросхемы-сборки так называемых ключей(ключевых каскадов, от слова «ключ» — описывающее режим работы, как коммутацию двух положений «включено», «выключено»), так же еще эти микросхемы называют драйверами.
Пример таких микросхем Рис.3:
L293DNE, M54531P, ULN2004.
Схема включения L293:

Рис. 3

Микросхема позволяет управлять сразу двумя коллекторными двигателями, так же что примечательно дает возможность управлять направлением вращения двигателей.
Очень полезно если двигатель установлен в гусеничное шасси и реверс просто необходим.

Микросхема M54531P имеет в своём составе 7 ключевых транзисторных каскадов, соответственно можно выполнить подключение 7-ми двигателей или других мощных нагрузок.
Схема включения M54531P рис. 4:

Рис. 4
При протекании тока близкого к максимально допустимому настоятельно рекомендуется использовать радиатор. Радиатор для L293 я делал из банке Nescafe Рис. 5:

Рис. 5
Полевой транзистор.
Управляется напряжением, что дает определенные преимущества перед биполярным транзистором. А именно отсутствие нагрева при коммутации (верней нагрев есть, но он не сравним с нагревом биполярного), в следствии чего отсутствует падение напряжения. Что благоприятно сказывается на энергетических характеристика устройства построенного на полевых транзисторах.
В роли коммутирующих элементов или выходных каскадов малой и средней мощности зачастую используют так называемые «сборки» из нескольких полевых транзисторов. В одной сборке может быть от 2х и более транзисторов. Чаще транзисторы содержаться n и p канальные, так предусмотрено для удобства построения выходного каскада в виде мостовой схемы. Для мощных выходных каскадов применяют одиночные полевые транзисторы.
На рисунке ниже показана сборка из двух полевых транзисторов IRF7105 Рис. 6:

Рис. 6
Пример включения коллекторного двигателя через сборку IRF7105 на полевых транзисторах, задействован только один из полевых транзисторов Рис. 7:

Рис. 7
А так же пример включения p-канального полевого транзистора IRFZ44 с коллекторным двигателем Рис. 8:

Рис. 8

Как управлять МОП-транзистором с оптопарой?

Предлагаемый MOSFET не очень подходит для этого приложения. Существует серьезный риск того, что результатом станет курение :-(. В принципе, FET только очень и очень незначительно подходит для этой задачи. Его можно было бы заставить работать, если бы это было все, что у вас было, но есть намного-намного больше Подходящие FET доступны, вероятно, за небольшую плату или без дополнительной платы.

Основные проблемы заключаются в том, что FET имеет очень плохое (= высокое) сопротивление, что приводит к высокой рассеиваемой мощности и пониженному уровню привода к двигателю. Последнее не слишком важно, но не нужно.

Рассмотрим — в техпаспорте сказано, что сопротивление (Rdson — указано справа вверху на странице 1) = . Рассеиваемая мощность = поэтому при 6A потери мощности будут . Это легко обрабатывается в корпусе TO220 с адекватным радиатором (лучше, чем у типа флага), но такое большое рассеивание совершенно не требуется, так как доступно гораздо меньшее количество полевых транзисторов Rdson. Падение напряжения будет . Это от напряжения питания. Это не так много, но излишне снимает напряжение, которое может быть приложено к двигателю.I 2 × R ( 6 А ) 2 × 0,18 Ом = 6,5 Вт V = I × R = 6 В × 0,18 Ом = 1,1 В 10,18 Ом0,18Ωя2× Rя2×р( 6 А )2×0.18Ω= 6.5W(6A)2×0.18Ω= 6.5WV=I×R=6V×0.18Ω= 1.1VV=I×R=6V×0.18Ω= 1.1V124= 4124= 4

Этот MOSFET есть в наличии на digikey за $ 1,41 в 1.s.

НО

За 94 цента в 1 также есть в наличии на Digikey вы можете иметь ультра великолепный IPP096N03L MOSFET. Это только 30V рейтинга, но имеет , из (!!!) и максимальное пороговое напряжение (поворот на напряжении 2,2 вольт. Это совершенно великолепно FET как за деньги, так и в абсолютном выражении.R D S ( o n ) 10 м ОмImax=35AImax=35ARDS(on)RDS(on)10mΩ10mΩ

В 6А вы получите рассеяния. Он будет теплым на ощупь при работе без радиатора.Pdiss=I2×R=(6A)2×0.010Ω=360mWPdiss=I2×R=(6A)2×0.010Ω=360mW

IPP096N03L технические данные

Если вы хотите немного больше запаса напряжения, вы можете получить 97 центов на складе 55 В, 25 А, IPB25N06S3-2 — хотя пороговое значение затвора становится незначительным для работы 5 В.25 мΩ25mΩ

Используя систему выбора параметров Digikey, зададим «идеальный FET для этого и аналогичных приложений. 100 В, 50 А, логический вентиль (низкое напряжение включения, < . 50 м Омрds ( o n )Rds(оN)50 м Ом50мΩ

Чуть дороже на $ 1,55 в 1 — х в наличии на Digikey НО 100В, 46А, типична, 2V … Насквозь превосходное BUK95 / 9629-100B , где же они получают эти части числа от? :-)R d s ( o n ) V t h34 м Ом24мΩрds ( o n )рds(оN)Вт чВTчас

Даже с приводом только 3 В, при 6 А будет около или около 1,25 Вт рассеиваемой мощности. При приводе 5 В затвора дает около 900 мВт рассеяния. Упаковка TO220 была бы слишком горячей, слишком мягкой на открытом воздухе с рассеиванием от 1 до 1,25 Вт — скажем, при повышении температуры от 60 до 80 ° C. Приемлемо, но горячее, чем нужно. Любой радиатор радиатора свел бы его к «хорошему и теплому».рds ( o n )рds(оN)35 м Ом35мΩрds( o n ) знак равно 25 м Омрds(оN) знак равно25мΩ

Эта схема отсюда — почти то, что вы хотите, и она спасает меня от рисования :-).

Замените BUZ71A на MOSFET по вашему выбору, как указано выше.

Входные данные:

• Либо: X3 — это вход от микроконтроллера. Это высокий для включения и низкий для выключения. «PWM5V» заземлен.

• Или: X3 подключен к Vcc. PWM5V управляется выводом микроконтроллера — низкий = включен, высокий = выключен.

R 1 = 270 Омр1знак равно270Ω

• я= ( Vс с — 1,4 )R 1язнак равно(Всс-1.4)р1

• R = ( Vс с — 1,4 )ярзнак равно(Всс-1.4)я

Для Vcc = 5 В и I здесь = ~ 13 мА. Если вы хотите сказать 10 мА, тогда 10 мА — скажем, 330R270 Ом270ΩR = ( 5 В- 1,4 В)10 м= 360 Омрзнак равно(5В-1.4В)10мAзнак равно360Ω

Выход:

R3 тянет ворота FET на землю, когда выключен. Само по себе от 1К до 10К было бы в порядке — значение влияет на время выключения, но не слишком важно для статического привода. НО мы будем использовать его здесь, чтобы сделать делитель напряжения, чтобы уменьшить напряжение на затворе FET при включении. Итак, сделайте R3 равным значению R2 — см. Следующий параграф.

R2 показан на уровне +24 В пост. Тока, но это слишком высоко для максимальной оценки FET. Было бы хорошо, если бы оно составляло +12 В пост. Тока, а + 5 В пост. НО здесь я буду использовать 24 В пост. Тока и использовать R2 + R3, чтобы разделить напряжение питания на 2, чтобы ограничить Vgate безопасным значением для FET.

R2 устанавливает зарядный ток затвора FET. Установка R2 = 2к2 дает ~ 10 мА привода. Установите R3 = R2, как указано выше.

Кроме того, добавьте 15-вольтовый стабилитрон через R3, катод к затвору полевого транзистора, анод заземления. Это обеспечивает. Защита ворот от перенапряжения.

Мотор подключается, как показано на рисунке.

D1 ДОЛЖЕН быть включен — это обеспечивает защиту от всплеска обратной ЭДС, который возникает при выключении двигателя. Без этого система умрет почти мгновенно. Показанный диод BY229 в порядке, но это перебор. Подойдет любой ток с номиналом 2 А или выше. RL204 только одна из обширного спектра диодов , которые подходят. Высокоскоростной диод здесь может немного помочь, но это не обязательно.

Скорость переключения : как показано, схема подходит для управления включением / выключением или медленным ШИМ. Все до 10 кГц должно работать нормально. / Для более быстрого ШИМ необходим правильно разработанный драйвер.

Управление электромагнитом с помощью микроконтроллера

Вместо того, чтобы моделировать эффекты ШИМ на левитацию, вы можете запустить ШИМ с гораздо большей, чем критическая, скоростью, либо

• Фильтр на DC.
  Это может привести в действие, например, драйвер FET. ИЛИ ЖЕ

• Отправьте нефильтрованный ШИМ на полевой транзистор и включите индуктор с диодом рециркуляции, когда полевой транзистор выключен.
  Это теперь становится конвертером доллара. Изменение ШИМ% изменяет ток индуктора.
  Вы можете добавить чувствительный резистор и измерить ток.
  Благодаря своей конструкции сенсорный резистор может быть заземлен на одном конце, что облегчает измерение I с помощью АЦП микроконтроллера.

Например, M1 — МОП-транзистор с верхней стороны канала P. Если питание индуктора такое же, как и питание микроконтроллера (что обычно не происходит, то затвор может управляться при уровнях напряжения микроконтроллера. Если, например, mc имеет питание 5 В, а индуктор, скажем, 12 В, требуется драйвер смещения уровня. Подробнее о том, как это может быть достигнуто может быть обсуждено, если это выбранный путь. D1 допускает текущую «рециркуляцию», когда MOSFET выключен.
R1 позволяет измерять ток.
В зависимости от сопротивления индуктора может быть желательно обеспечить дополнительные потери в рециркуляционном тракте, чтобы обеспечить более быстрое затухание поля и улучшить время реакции управления. Или нет.

^{смоделировать эту схему — схема, созданная с использованием CircuitLab}

_______________________________

Я вижу, что многие люди предлагают использовать TIP120 для управления большой нагрузкой от UC. Но кажется, что FET — намного лучший выбор, поскольку он позволяет быстрее переключаться и потреблять меньше энергии.

TIP120 менее плох, чем некоторые — 5A 60V Darlington. Минимальное текущее усиление составляет 1000
НО CE насыщение при 3А макс. 2 В при Ib = 12 мА,
и 4 В при 5 А при Ib = 20 мА.
На 3А это эквивалентно сопротивлению R = V / I = 2/3 = 666 мОм или
при 5 А = 4 В / 5 А = 800 мОм.
Тепло = 6 Вт и 20 Вт. Полевые транзисторы с гораздо более низким Rdson дешевы и доступны.

Кроме того, привод на 12 мА может приближаться к верхнему пределу для некоторых УК и на 20 мА хуже.
Потребность привода FET низкая на низких скоростях, и, если требуются более высокие скорости, можно использовать драйвер с 2 транзисторными затворами (НЕТ других частей).

ШИМ с диодом рециркуляции, как в другом ответе, выглядит хорошо.

---

N-канальный FET одинаково хорош с точки зрения переключения мощности.
N Скорость канала не проблема — требуемые скорости переключения будут значительно ниже, чем это может быть достигнуто с помощью обычных устройств.

Вышеупомянутый метод P-канала устанавливает «переключатель» на высокий уровень и позволяет сенсорному резистору легко заземлять одну сторону. Это упрощает использование АЦП для чтения V_Rsense в микроконтроллерах с АЦП с наземной привязкой и поддерживает Rsense в Vdd_mc.

Переключатель N-канала на стороне «низкого уровня» немного упрощает привод FET, но немного затрудняет считывание напряжения Rsense, так как Rsense обычно либо плавающий, либо подключен к V + _Soloidoid. Обычно тогда вы либо используете текущее зеркало, чтобы «отразить» Isensed на опорную точку земли, либо используете дифференциальный усилитель, чтобы сделать то же самое.
Тогда Rsense обычно находится на уровне DC> Vdd_mc, если Vinductor >> Vdd_mc, как это часто бывает.

Микроконтроллер Drivign FET транзистор

Интерфейс микроконтроллера — Часть 9 Коммутация на полевых транзисторах Голы В предыдущих разделах было показано, как использовать биполярные транзисторы для переключения нагрузок с более высокими токами и / или напряжениями, чем может обрабатывать непосредственно выходной контакт микроконтроллера.В этом разделе показано, как использовать другой тип транзистора, полевой транзистор (FET), который может иметь преимущества в некоторых схемах. Основы полевого транзистора Часть 7 описывает работу транзисторов с биполярным переходом (BJT). Эти транзисторы известны как устройства с регулируемым током. По сути, ток коллектора BJT — это ток базы, умноженный на коэффициент усиления транзистора. Полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением. Как и BJT, полевой транзистор имеет три контакта.Это затвор, сток и исток. На затвор подается управляющее напряжение. Существует несколько типов полевых транзисторов. Сначала есть канал N и канал P. Затем есть варианты режима улучшения и режима истощения. Тогда есть и другие варианты. Наиболее распространенным типом полевых транзисторов в схемах переключения является MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Мы ограничим обсуждение N каналом, режимом расширения MOSFET. Это наиболее часто используемые полевые транзисторы в схемах на основе микроконтроллеров.Если не указано иное, всякий раз, когда используется термин FET, он будет относиться к N-канальному MOSFET в режиме расширения. Лучше всего рассматривать полевой транзистор как переменный резистор, управляемый напряжением.Резистор находится между выводами истока и стока. Величина резистора будет зависеть от напряжения между затвором и истоком (Vgs). Если напряжение равно нулю вольт, сопротивление будет очень высоким (несколько миллионов Ом) и, по сути, будет разомкнутой цепью. Если Vgs выше определенного уровня, сопротивление будет очень низким (несколько Ом или меньше). В технических данных это значение будет обозначаться как Rds (сопротивление сток-исток). Если Vgs, иногда называемое просто напряжением затвора, находится между этими пределами, сопротивление будет где-то между низким и высоким.Это относится к линейному диапазону. Обычно мы не хотим, чтобы полевой транзистор находился в линейном диапазоне в коммутационных приложениях. Для выходного контакта микроконтроллера базовый контакт BJT выглядит как диод. Вывод должен пропускать ток через этот диод. Затвор, управляющий вывод полевого транзистора, выглядит как небольшой конденсатор между выводами затвора и истока. Единственный ток, который течет, — это величина, необходимая для заряда или разряда этой емкости. Как только конденсатор заряжен, ток не будет течь до тех пор, пока состояние выходного контакта микроконтроллера не изменится. Пример: управление реле В разделе 7 мы использовали пример биполярного транзистора для переключения реле. Мы вернемся к этой проблеме, но на этот раз воспользуемся полевым транзистором в качестве переключателя. Рисунок 9-1 показывает схему. Проблема заключается в том, чтобы управлять напряжением 12 В с выходного контакта микроконтроллера. Сопротивление катушки реле 360 Ом. Наш микроконтроллер на 5 В не может напрямую переключать 12 В без риска повреждения. Закон Ома также говорит нам: I = V / R = 12/360 = 0,033 A или 33 мА Так как микроконтроллер имеет максимальные пределы стока и источника 25 мА, у нас также не хватает тока.Мы будем использовать полевой транзистор для тяжелой работы. Давайте попробуем 2N7000 для этого приложения. Беглый взгляд на спецификации показывает некоторые ключевые параметры. 2N7000 Vds 60 В макс. Id 200 мА макс. (Непрерывно) Pd 400 мВт Rds (вкл.) 5.3 Ом (макс.) Максимальное напряжение на устройстве Vds составляет 60 В, поэтому с нашим источником питания 12 В проблем не будет.2 * R = 0,033 * 0,033 * 5,3 = 5,7 мВт 2N7000 подойдет в этом приложении. Обратите внимание на использование диода D1. Он используется для управления током, создаваемым коллапсирующим магнитным полем, возникающим при выключении полевого транзистора. Без диода напряжение на полевом транзисторе может быть достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение. Диоды необходимы всякий раз, когда используется индуктивная нагрузка. Итак, зачем нам использовать полевой транзистор вместо BJT? Полевой транзистор 2N7000 стоит больше, чем, скажем, PN2222 BJT. В этом конкретном приложении, вероятно, нет большой причины использовать полевые транзисторы.Бывают ситуации, когда полевой транзистор имеет одно или несколько основных преимуществ. Рассмотрим дизайн портативного устройства с батарейным питанием. Срок службы батареи — это серьезная проблема в нашем приложении, поэтому мы хотим снизить потребление тока в каждой части цепи, которую мы можем. Теперь вместо переключения энергоемкого реле нам нужно включить компонент, которому требуется 9 В (от нашей батареи), но ток всего несколько мА. В этой ситуации мы, вероятно, будем управлять базой биполярного транзистора током мА или более.Этот ток будет дополнительным расходом заряда батареи. С полевым транзистором, если частота переключения низкая, ток на затворе полевого транзистора будет незначительным. Использование полевого транзистора в этой ситуации позволит сэкономить электроэнергию. Коммутация высокой мощности Основная ситуация, когда полевые транзисторы лучше, — это сильноточные цепи. Предположим, мы хотим переключить двигатель, электрический нагреватель или другую сильноточную нагрузку. Полевые транзисторы производятся с очень низким сопротивлением между стоком и истоком.Чем ниже Rds, тем эффективнее будет схема. Предположим, мы делаем обогреватель для какого-то применения. Нагревательный элемент работает от 24 В и потребляет 8 ампер, когда он включен. Давайте сначала посмотрим на использование биполярного транзистора. 2N3055 — это обычный сильноточный транзистор. 2N3055 Vce 60 В (макс.) Ic 15A (макс.) Vce (насыщ.) 3 В (Ic = 10A, Ib = 3A) Наши требования к Vce (24 В) и Ic (8 A) намного ниже пределов для 2N3055.Все идет нормально. Теперь посмотрим на Vce (сидел). Это 3В. Что происходит, когда мы пропускаем через это 8А? Pd = Vce (насыщ.) * Ic = 3 В * 8A = 24 Вт Эти 24 Вт — большая потеря мощности. Не только это, но и эта энергия преобразуется в тепло. Нам понадобится большой радиатор, чтобы безопасно отводить это тепло. Также посмотрите на ток базы транзистора как на условия для Vce (sat). Это 3А! Наш бедный микроконтроллер может подавать только 25 мА. Нам понадобится схема для повышения 25 мА до 3 А. Это добавит стоимости и сложности конструкции. Давайте посмотрим на использование полевого транзистора IRF530. Максимальное напряжение Vdss и максимальный ток Id вполне соответствуют условиям работы нашей схемы. Мы выбрали полевой транзистор типа логического уровня, чтобы мы могли напрямую управлять им с помощью нашего микропроцессора. Напряжение переключения составляет 2 В, что значительно ниже 5 В, которые подает линия микровывода. Мы будем довольно сильно использовать полевой транзистор, что хорошо, но все же ниже максимума 16 В. 2 * Rds = 8A * 8 A *.15 Ом = 9,6 Вт Мощность, рассеиваемая на полевом транзисторе, все еще довольно высока, 9,6 Вт, но она значительно ниже предела устройства 79 Вт и намного меньше, чем 24 Вт для биполярного транзистора 2N3055. Полевой транзистор по-прежнему будет нуждаться в теплоотводе, но это будет не так сложно, как с 2N3055. Приложив немного усилий, мы, вероятно, сможем найти полевой транзистор с более низким сопротивлением сопротивления, что еще больше снизит потери мощности на полевом транзисторе. IRF530 Vdss 100 В Id 17A Pd 79W Rds (на).15 Ом (Vgs = 4V, Id = 8A) Vgs (th) 2V Vgs 16V макс. ШИМ Транзисторы FET часто используются для управления двигателями постоянного тока.Что, если бы мы хотели контролировать скорость двигателя? Мы можем контролировать скорость двигателя постоянного тока, изменяя напряжение на нем. Один из способов сделать это с помощью микроконтроллера — использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Допустим, у нас есть мотор на 12 В. Если просто подать питающее напряжение на двигатель. Он видит 12 вольт и работает на полной скорости. Теперь предположим, что мы очень быстро включаем и выключаем 12В. Время включения и выключения одинаковы. Он работает в 50% случаев и выключен в 50% случаев. Считается, что сигнал имеет рабочий цикл 50%.Среднее напряжение, которое будет видеть двигатель, составляет 50% от 12 В или 6 В. Мотор работает медленнее при 6В. Предположим, мы изменили рабочий цикл на 75%. Напряжение сейчас включено 75% времени и выключено 25% времени. Двигатель теперь видит в среднем 75% от 12 В или 9 В. Он работает быстрее, чем при 6 В, но медленнее, чем при 12 В. Мы можем создать любое напряжение от 0 до 12 В, изменив рабочий цикл. Многие микроконтроллеры имеют встроенные периферийные устройства с ШИМ. После того, как вы их настроите, они будут работать с заданной частотой и рабочим циклом без какого-либо дополнительного внимания.Если ваш микроконтроллер не имеет ШИМ, вы можете сделать то же самое с аппаратными или программными таймерами, контролирующими вывод. Цепи PWM обычно работают на нескольких десятках кГц. Это может вызвать ситуацию, которая, если ее не принять во внимание, может привести к разрушению полевого транзистора. Помните, ранее мы говорили, что затвор выглядит как конденсатор для выходной линии микроконтроллера. Этот конденсатор необходимо заряжать или разряжать каждый раз при переключении управляющего сигнала. Пока конденсатор заряжается или разряжается, полевой транзистор не будет ни включен, ни выключен.Он будет в своем линейном диапазоне, а Rds будет между Rds (вкл.) И Rds (выкл.). Ток, протекающий через полевой транзистор, вызовет рассеяние большой мощности. В наших примерах выше мы не включали и выключали нагрузку очень быстро, поэтому у полевого транзистора есть время, чтобы рассеять дополнительное тепло между переходами, и его обычно можно игнорировать. Если полевой транзистор меняет состояния 20 000 раз в секунду (частота ШИМ 10 кГц), он будет проводить больший процент своего времени в этом линейном диапазоне. Возможно, что мощность, рассеиваемая полевым транзистором в этих условиях, превысит максимальные значения и разрушит полевой транзистор. Величина емкости затвора на самом деле является зарядом затвора и будет показана в листе данных. Полевые транзисторы большей мощности имеют более крупные матрицы и, следовательно, будут иметь больший заряд затвора. В таких ситуациях необходимо управлять затвором с достаточным напряжением и током для зарядки (разрядки) затвора достаточно быстро, чтобы время, проведенное в линейной области полевого транзистора, было очень коротким. Это часто делается с помощью специальных схем или микросхем драйверов на полевых транзисторах. Расчеты и методы компоновки печатной платы для высокоскоростной ШИМ выходят за рамки этого руководства.У производителей полевых транзисторов есть указания по применению, в которых эта тема рассматривается более подробно. Сводка Полевые транзисторы являются альтернативой биполярным транзисторам для переключения нагрузок за пределами диапазона микроконтроллера для непосредственного управления.Полевые транзисторы обычно лучше подходят для приложений, где требуются большие токи, и в некоторых ситуациях с низким энергопотреблением. Схемы на полевых транзисторах требуют особого внимания, особенно при более высоких скоростях переключения. Gotcha List 1.Убедитесь, что полевой транзистор может выдерживать напряжение и ток, необходимые для нагрузки. 2. Рассмотрите возможность использования полевых транзисторов с переключением логического уровня для упрощения взаимодействия с микроконтроллерами. 3. Защитите транзистор демпфирующим диодом, если нагрузка является реле, соленоидом, двигателем или иным образом индуктивной. 4. В приложениях с ШИМ большой мощностью необходимо учитывать требования привода, чтобы избежать заряда затвора.

Переключение мощности микроконтроллера с помощью транзисторов

Микроконтроллеры, такие как микросхема ATmega328P, которая питает уважаемый Arduino Uno, а также Nano, позволяют принимать входные данные от датчиков, светодиоды питания и отправлять сигналы на другие устройства по таким протоколам, как I²C .Однако, если вам нужно управлять большей нагрузкой, например, большим массивом светодиодов или двигателем постоянного тока, одних микроконтроллеров не хватит мощности для прямого управления любым из этих устройств.

Например, согласно техническим характеристикам Arduino Uno, плата способна генерировать только 20 мА на вывод ввода / вывода с абсолютным максимумом 40 мА каждый. Это, наряду с дополнительными ограничениями, когда определенные контакты используются вместе, не дает вам намного больше мощности, чем то, что необходимо для основных коммуникационных задач. К счастью, транзисторы представляют собой отличное решение для более высоких требований к мощности.Эта статья познакомит вас с миром транзисторов или повторно познакомит вас с технологией, с которой вы, возможно, уже знакомы.

Транзисторы

Версии транзистора, которые составляют строительные блоки всех современных вычислительных устройств, были задуманы и запатентованы в 1922 году Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом и отдельно Оскаром Хейлом в 1935 году. Однако устройство не было полностью признано до 1947 года, когда физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали функциональное устройство, работая в Bell Labs компании AT&T.Они разделили Нобелевскую премию 1956 года за это революционное устройство. Хотя в 2009 году он был назван IEEE Milestone, не будет преувеличением назвать его Milestone IEEE, поскольку почти все современные электронные устройства, которые мы используем сегодня, были бы невозможны без него.

Транзисторы бывают разных форм, но все они принимают слабый сигнал и усиливают его между парой клемм. Эти выводы известны как эмиттер, база и коллектор в случае транзисторов с биполярным переходом (BJT) и исток, сток и затвор в случае полевых транзисторов (FET).Среди этих широких категорий BJT могут быть далее разделены на варианты NPN и PNP (для отрицательно-положительно-отрицательного и положительно-отрицательно-положительного), а полевые транзисторы могут быть либо JFET (переходные полевые транзисторы), либо MOSFET (металл-оксидные). полупроводниковые полевые транзисторы).

Кроме того, существует множество номеров деталей каждого типа с разными номинальными значениями напряжения, тока и температуры. Этот вариант отлично подходит, если вы знаете, какие характеристики транзистора вам нужны, но если вы хотите вмешаться и попробовать переключить двигатель или аналогичную нагрузку на одну, знать, что купить, может быть сложно.К счастью, с помощью быстрого поиска в Интернете вы можете найти ассортимент транзисторов с различными номерами деталей и конструкциями, что позволяет вам приступить к экспериментам, не будучи экспертом , но .

Простая схема

(Изображение предоставлено Джереми Кук и Зак Вендт)

Если вы хотите попробовать свои силы в использовании этих устройств, упрощенная схема, изображенная выше и описанная здесь, даст вам краткое введение. В нем общий транзистор 2N2222 NPN BJT используется для переключения нагрузки вентилятора ПК с желтым сигнальным проводом, идущим от положительного напряжения к среднему или базовому выводу транзистора.Выход микроконтроллера можно заменить желтым проводом для управления. Поскольку вентилятор помечен как требующий 0,2 А при 12 В, это намного превышает рекомендуемые 20 мА (0,02 А) для платы Arduino, и для усиления выходного эффекта используется транзистор.

В этой схеме NPN-транзистора, когда на базу подается положительное напряжение, он пропускает электричество через нагрузку, подключенную между питающим напряжением и выводами коллектора, к эмиттеру, прикрепленному к выводу заземления.Обратите внимание, что на практике вы захотите использовать соответствующий резистор между сигнальным напряжением и базой транзистора, не изображенный выше.

Другое использование транзисторов

Хотя включение и выключение нагрузки интересно, есть много других вещей, которые вы можете выполнить, используя схему микроконтроллер / транзистор.

• PWM Управление освещением RGB: Как показано в этой записи, вы можете запитать разноцветные светодиодные ленты, используя силовой NPN-транзистор или N-канальный MOSFET.Хотя вы можете сделать это с помощью одного светодиода, используя напрямую микроконтроллер, изменяя сигналы ШИМ, транзисторы заставляют это действие умножаться. Это контролирует ток, необходимый для питания всей полосы светодиодов, постепенно доводя их до полной яркости и вплоть до выключенного состояния. Другой альтернативой являются программируемые светодиоды RGB, которые могут интерпретировать цифровые сигналы на каждом модуле индивидуально. Это дает огромный контроль и позволяет отказаться от использования отдельных транзисторов для переключения выходов мощности.С другой стороны, каждый светодиодный модуль RGB использует крошечные транзисторы для управления яркостью каждого элемента, подтверждая идею о том, что почти вся электроника использует их в той или иной форме.

• Управление реле для экстремальных нагрузок: Реле выполняют те же функции, что и транзисторы, позволяя управлять отдельным электрическим сигналом с выхода. Как здесь отмечено, хотя иногда ими можно управлять напрямую с помощью микроконтроллера, для работы им может потребоваться ток, который находится на грани или вне диапазона, с которым могут справиться эти микросхемы.Транзисторы используются для умножения сигнала микроконтроллера, управляющего реле, которое затем может переключать даже большую нагрузку. Хотя в некоторых ситуациях транзисторы и реле взаимозаменяемы, у реле есть свои уникальные плюсы и минусы. Они могут полностью изолировать одну цепь от другой, то есть, если у вас есть устройство, о котором вы ничего не знаете и просто хотите заменить кнопку релейным выходом, вы можете это сделать. Однако они не могут переключаться так же быстро, как транзисторы, что делает их непригодными для управления ШИМ в большинстве ситуаций.

• Аудиоусилитель: Возможно, наиболее распространенное использование слова «транзистор» в современном — или, возможно, недавнем — народном языке — это часть термина «транзисторный радиоприемник». Хотя сегодня они используются во многих других приложениях, использование транзисторов вместо электронных ламп для усиления аудиосигналов позволило радиостанциям стать портативными и работать с гораздо меньшей мощностью, чем предыдущие модели электронных ламп. Как отмечалось в этой статье, вы можете построить аудиоусилитель всего из шести компонентов, принимая маломощный сигнал от MP3-плеера и усиливая его для использования на настольных колонках.

Конечно, это лишь очень небольшая часть того, что можно сделать с этими удивительными устройствами. Хотя они могут быть полезны для расширения возможностей проектов микроконтроллеров, даже если вы никогда не занимались ими напрямую, здорово иметь базовое представление об этой технологии, которая буквально дает мозги нашему подключенному миру.

Зак Вендт и Джереми С. Кук — инженеры, которые пишут о том, как лучше всего применять электронные компоненты в проектах.Зак из Arrow Electronics имеет опыт разработки потребительских товаров. Джереми работал в сфере автоматизации производства и пишет для различных технических изданий. Вы можете узнать больше о микроконтроллерах здесь.

Как переключать большие нагрузки с помощью микроконтроллера с помощью транзисторов

Микроконтроллеры

отлично подходят для реализации интеллектуальных функций данного продукта. Эта статья научит вас, как обойти некоторые из их основных ограничений.

Опубликовано 12 февраля 2020 г. Джон Тил

Микроконтроллеры не могут напрямую управлять чем-либо, кроме, может быть, одного светодиода.Это связано с тем, что выходной ток большинства микроконтроллеров может напрямую подавать или потреблять только около 10 мА.

Давайте рассмотрим несколько способов переключения более тяжелых нагрузок на низкую нагрузку с типичного выхода микроконтроллера. Для определения типичных значений компонентов требуется несколько простых математических вычислений, которые будут представлены в легко доступных форматах. Однако такой подход означает, что были приняты некоторые вольности с техническими требованиями.

Одним из простейших подходов к управлению большими нагрузками, работающими от постоянного тока, является переключатель насыщения.Фактический электронный переключающий элемент поставляется в двух вариантах: биполярные переходные транзисторы, или BJT, и MOSFET.

Прежде чем перейти к собственно самому переключателю, давайте определим, что имеется в виду под переключением нижнего уровня . На рисунке 1 показан этот тип переключения нагрузки.

Рисунок 1 — Выключатель нагрузки на нижней стороне

Переключатель контролирует отрицательную сторону нагрузки. Это означает, что когда переключатель разомкнут, нагрузка по существу плавающая по отношению к минусу источника питания, который обычно является опорным заземлением в большинстве конструкций.

Если этот тип коммутационного устройства приемлем, то переключатель нижнего уровня обычно является самым дешевым способом переключения нагрузки.

Переключатель низкого уровня BJT

BJT может использоваться в качестве переключателя нагрузки и бывает двух видов: NPN и PNP. Для переключения на стороне низкого напряжения используются транзисторы NPN, а для переключения на стороне высокого уровня используется PNP.

Прежде чем перейти к реальным методам, давайте определим некоторую номенклатуру, которая используется при работе с NPN-транзисторами.

На рис. 2 показаны соответствующие условные обозначения напряжения и тока.Начиная с тока, I _B — это базовый ток, и он показан входящим в базу NPN. Те же аргументы применимы к I _C и I _E , причем I _E показан выходящим из транзистора.

Видно, что: I _E = I _C + I _B

Для напряжений V _CE — это напряжение между коллектором и эмиттером и обычно является положительным значением для транзисторов NPN. Другими словами, для NPN-транзистора напряжение коллектора обычно выше, чем напряжение эмиттера.

Следуя тому же соглашению, V _BE — это напряжение между базой и эмиттером. В целом это положительно для NPN.

Рисунок 2 — Напряжение и ток NPN BJT

Ключом к пониманию того, как транзистор может управлять большой нагрузкой, является это уравнение:

I _C = βI _B, , где β — коэффициент усиления постоянного тока, который может составлять от 20 до 300 или более.

Это говорит о том, что ток коллектора равен значению β, умноженному на ток базы.Таким образом, если β = 100, то ток коллектора будет в 100 раз больше базового тока.

Значение β указано в техническом описании данного транзистора как h _FE. Для целей данной статьи они означают одно и то же. Обратите внимание, что это не фиксированное значение для данного транзистора, но несколько зависит от значения тока коллектора и температуры, но это не имеет большого значения для целей данной статьи.

Когда BJT используются в качестве переключателей нагрузки, они используются в двух режимах: Cutoff и Saturation.Рассмотрим рисунок 3 ниже. Как было сказано ранее, I _C = βI _B. Итак, если I _B = 0, то I _C также должен быть 0. В этом состоянии транзистор находится в режиме отсечки. Обратите внимание, что, поскольку в транзисторе не течет ток, он не рассеивает мощность; также в этом случае V _C совпадает с V _CC .

Для следующей части предположим, что V _CC = 10 В, R = 10 Ом и β = 100. Давайте посмотрим, что произойдет, когда I _B = 1 мА.В данном случае I _C = 100 мА, поскольку β = 100. Напряжение на резисторе I _C x R _L , или 1 В. Это означает, что тогда V _C должно быть 9 В, поскольку V _CC составляет 10 В, а падение напряжения на R _L составляет 1 В. Тот же аргумент применим, если I _B = 2 мА и так далее.

Теперь, что будет, если I _B = 20 мА. По расчетам это означает, что I _C = 2000мА, или 2А. Однако этого не может быть.Поскольку V _CC = 10 В и R _L = 10 Ом, максимальный ток, который может протекать через R _L , составляет 1 А.

Другими словами, максимальное значение I _C также равно 1A. Это происходит, когда V _C = 0, что означает, что транзистор полностью замкнут на землю.

В этом состоянии транзистор находится в режиме насыщения. В этом режиме ток коллектора транзистора является максимальным, который позволяют условия схемы, и увеличение базового тока не приведет к его увеличению.

Итак, уравнение I _C = βI _B выполняется только до насыщения транзистора. Обратите внимание, что если в только что описанном примере V _CC теперь увеличивается, скажем, до 25 В или R _L изменяется на 1 Ом, транзистор больше не будет насыщаться. Таким образом, насыщение определяется в зависимости от условий внешней цепи.

Наконец, обратите внимание, что настоящие транзисторы не могут полностью замыкать свои коллекторы и эмиттеры, если они не неисправны.Когда реальный транзистор насыщен, его V _CE будет иметь значение V _CEsat . Это значение указано в таблице данных транзистора и обычно составляет от 0,2 В для небольшого транзистора до более 1 В для большого.

В _CEsat также зависит от тока коллектора и температуры. Эта зависимость обычно приводится в виде набора кривых в таблице данных.

В режиме насыщения транзистор рассеивает некоторую мощность, заданную параметром

Рассеиваемая мощность = I _C x V _CEsat

Однако, поскольку V _CEsat обычно довольно низок, рассеиваемая мощность также будет низкой.Таким образом, отсечка и насыщение — это два состояния, при которых транзистор будет рассеивать наименьшую мощность.

Сосредоточившись теперь на базе транзистора, быстрый способ установить I _B — это предположить, что V _BE составляет 0,7 В. Это значение подходит для большинства транзисторов.

Итак, в данном случае по закону Ома

I _B = (V _BB — 0,7) / R _B

Если необходимо заданное значение I _B , то R _B можно рассчитать как:

R _B = (V _BB — 0.7) / I _B

Для насыщения транзистора необходимо минимальное значение I _B , которое вызовет максимальное значение I _C , учитывая значение β транзистора и условия схемы.

На практике это значение I _B должно быть больше этого минимума примерно на 10–15%, чтобы учесть изменения значения β от устройства к устройству.

Рисунок 3 — Работа транзистора

Управление BJT от микроконтроллера

То, что было только что описано, на самом деле является переключателем NPN BJT нижнего уровня.Если бы V _BB был выходным контактом микроконтроллера, то, зная его высокое логическое значение, требуемый ток нагрузки и значение β транзистора, можно легко вычислить значение R _B .

Еще несколько вещей, которые нужно проверить, это убедиться, что:

Расчетное значение I _B не превышает допустимый ток возбуждения микроконтроллера.

Ток нагрузки не превышает максимального тока коллектора транзистора.

Рассеиваемая мощность в режиме насыщения не превышает максимальной рассеиваемой мощности транзистора.

Напряжение V _CC не превышает максимального значения V _CE транзистора.

Для обеспечения надежной работы в приведенном выше примере также должны быть учтены некоторые запасы безопасности и снижения номинальных характеристик. Около 20% — это разумно.

Перемещение тяжелых грузов с использованием Darlington

Поскольку ток возбуждения вывода GPIO микроконтроллера редко превышает 10 мА, а минимальное значение β транзистора обычно не превышает около 50 для силового транзистора, то максимальный ток, которым можно управлять, составляет около 500 мА.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Для управления более высокими токами можно использовать схему Дарлингтона. Есть Дарлингтоны, доступные в одном корпусе, или он может быть собран с использованием двух транзисторов, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 — NPN Darlington

В этой схеме Q1 обычно представляет собой транзистор малой мощности с высоким коэффициентом усиления, а Q2 — транзистор большой мощности.Если предположить, что резистор R на данный момент отсутствует, то видно, что весь ток эмиттера Q1 течет в базу Q2.

Как указывалось ранее, ток эмиттера — это сумма тока коллектора и тока базы.

Итак, I _E = I _C + I _B

Таким образом, I _E = β x I _B + I _B , или I _E = (β + 1) I _B

Поскольку β довольно велико, (β + 1) близко к β.

Это означает:

I _E ≈ I _C

Теперь, поскольку I _E Q1 течет непосредственно в базу Q2, это означает, что I _C2 , ток коллектора Q2 определяется как:

I _C2 = β1 x β2 x I _B1 .

Итак, небольшой входной базовый ток может вызвать большой выходной ток коллектора. Однако следует отметить несколько моментов. Во-первых, V _BE этого составного транзистора теперь является суммой V _BE двух транзисторов.Это необходимо учитывать при расчете номинального сопротивления базового резистора, как описано ранее.

Что касается резистора R, то он влияет на время выключения Q2. Когда Q2 проводит, в его базу текут заряды. Теперь, когда на входе Q1 становится низкий уровень, Q1 отключается, и заряд, хранящийся в Базе Q2, некуда деваться.

В конечном итоге он исчезнет в результате внутреннего процесса, называемого рекомбинацией носителей, но до тех пор, пока это не произойдет, Q2 останется в проводящем состоянии. Это может длиться от нескольких микросекунд до десятков микросекунд в зависимости от транзистора.

По сути, микроконтроллер отключает свой выход, но после этого нагрузка остается включенной еще некоторое время. R используется для ускорения выключения Q2 путем стравливания сохраненного базового заряда.

Для таких приложений, как ШИМ, рекомендуется использовать этот резистор. Для большинства встроенных приложений подходят значения от 1 кОм до 5 кОм.

R также шунтирует часть базового тока Q2 при нормальной работе. Этот ток равен (V _BE2 / R) или приблизительно 0.7 / Р. Чтобы компенсировать этот ток, просто увеличьте базовый ток Q1. Поскольку этот базовый ток x β1 должен быть равен 0,7 / R, из этого следует, что базовый ток в Q1 должен быть увеличен на (0,7 / (β1 x R)).

Переключатель нижнего уровня на полевом МОП-транзисторе

Как и BJT, MOSFET бывает двух основных видов: N-канал и P-канал. N-канальный MOSFET похож на NPN и используется для переключения нижнего уровня. Аналогичным образом, полевой МОП-транзистор с P-каналом похож на PNP BJT и используется для переключения высокого уровня.

Расширенный N-канальный МОП-транзистор относительно легко подключить к выходному контакту GPIO микроконтроллера при соблюдении определенных условий.

На рисунке 5 показан этот тип полевого МОП-транзистора вместе с некоторыми из его наиболее важных аспектов, когда это устройство рассматривается как переключатель нижнего уровня.

Рисунок 5 — MOSFET расширения с N-каналом

Когда напряжение подается между затвором и источником, ток начинает течь между стоком и источником, если напряжение выше порогового напряжения, V _th , которое указано в его техническом описании.

Выше этого порогового значения, чем выше V _GS , тем больше ток стока I _D , пока V _GS не достигнет V _GSMax , что опять же указано в таблице данных.I _D vs V _GS определяется набором кривых в таблице данных, и, как и в случае BJT, полевой МОП-транзистор насыщается, когда ток стока является максимальным, что позволяют условия схемы.

Поскольку полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением, для его включения почти не требуется ток. Таким образом, GPIO от микроконтроллера может управлять полевым МОП-транзистором, который затем может управлять очень большими токами. Нет необходимости в аранжировках Дарлингтона. Доступны полевые МОП-транзисторы с низким напряжением V _и , которые полностью усилены приводом затвора 5 В, которые, в свою очередь, могут управлять несколькими усилителями.

Еще одним преимуществом полевого МОП-транзистора перед биполярным транзистором является отсутствие V _DS sat. Вместо этого, когда полевой МОП-транзистор является проводящим, соединение сток-исток ведет себя как резистор со значением R _DS , которое является функцией V _GS и может быть очень низким значением для мощного полевого МОП-транзистора.

Таким образом, рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, когда он является проводящим или увеличенным, представляет собой просто значение (I _D ) ² , где I _D — ток стока, умноженный на R _DS , То же, что и мощность, рассеиваемая в резисторе R, пропускающем ток I, определяется выражением P = I ² R.

Таким образом, во многих случаях мощность, рассеиваемая насыщенным MOSFET, будет меньше, чем мощность эквивалентного BJT. Это особенно актуально, если у меня _D довольно высока.

Следует отметить, что все N-канальные МОП-транзисторы имеют встроенные диоды-подложки, как показано на рисунке 5. Это заложено в конструкции МОП-транзистора. На практике это означает, что Утечка должна быть более положительной, чем Источник; в противном случае этот диод будет проводить.

Наконец, одна большая проблема с полевыми МОП-транзисторами — это емкость затвор-исток.Он может быть довольно большим для мощного полевого МОП-транзистора — 3 нФ и более не редкость. На практике это означает, что перед тем, как МОП-транзистор сможет начать проводить, эта емкость затвора должна сначала зарядиться. Учитывая, что большинство микроконтроллеров могут подавать ограниченный ток, для зарядки этого конденсатора потребуется время.

Итак, при непосредственном управлении выходом микроконтроллера MOSFET просто не может переключаться очень быстро. Таким образом, использование полевого МОП-транзистора для быстрой ШИМ, вероятно, не сработает.

В таких ситуациях драйвер полевого МОП-транзистора, такой как TI UCC27511, должен использоваться между выводом GPIO и затвором полевого МОП-транзистора.Это, конечно, добавляет еще больше стоимости к и без того более высокой стоимости MOSFET по сравнению с BJT.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатный PDF-файл : Ultimate Guide для разработки и продажи вашего нового электронного оборудования . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

4.2 5 голоса

Рейтинг статьи

Металлооксидный полевой транзистор: что такое RDS (включено)?

R _{DS (вкл.)} означает «сток-исток на сопротивлении» или полное сопротивление между стоком и истоком в металлооксидном полевом транзисторе или полевом МОП-транзисторе, когда полевой МОП-транзистор включен.”R _{DS (on)} является основой для максимального номинального тока полевого МОП-транзистора, а также связано с потерей тока. При прочих равных, чем ниже R _{DS (on)} , тем лучше.

Напряжение, приложенное к затвору, определяет, будет ли ток течь между клеммами истока и стока. ID — это непрерывный ток стока. (Изображение предоставлено Кеннетом Ризом, III). МОП-транзисторы

представляют собой идеальные переключающие устройства и часто используются в силовых приложениях. Примеры применения силовых полевых МОП-транзисторов включают источники питания с переключаемым режимом (SMPS), системы управления двигателями, автомобильную промышленность и любые другие приложения, где требуется сверхмощный электронный переключатель, например, драйвер.При подаче напряжения затвор-исток (V _GS ) между n-каналами протекает ток, в противном случае полевой МОП-транзистор ведет себя как резистор. Когда V _GS достигает порогового напряжения V _{GS (th)} , образуется инверсионный слой, который обеспечивает протекание тока. Инверсионный слой становится проводящим путем (или каналом) полевого МОП-транзистора между стоком и истоком.

R _{DS (вкл.),} полное сопротивление на пути от истока к стоку, состоит из серии сопротивлений, которые пересекают путь прохождения тока.R _N — диффузионное сопротивление области источника. R _CH — сопротивление области канала. R _A — это сопротивление области, называемой областью накопления. R _J — это сопротивление области, называемой областью JFET. R _D — это сопротивление области дрейфа и наиболее важный фактор в высоковольтных полевых МОП-транзисторах. R _S — это сопротивление самой подложки, которым можно пренебречь в высоковольтных полевых МОП-транзисторах. Однако в низковольтных полевых МОП-транзисторах это может сильно повлиять на R _{DS (on)} .На рис. 2 изображена вертикальная структура полевого МОП-транзистора, и ряд последовательно включенных сопротивлений образуют общую R _{DS (on)} на пути прохождения тока от истока к стоку.

Вертикальная структура полевого МОП-транзистора, показывающая полное сопротивление, составляющее RDS (вкл.). (Источник: Основы полевого МОП-транзистора AN-9010 от ON Semi)

Помимо этих структурных составляющих R _{DS (on)} , несовершенный контакт между металлом истока и стока и даже проводка, соединяющая кристалл с выводами на корпусе, могут также вносят вклад в _{рандов DS (on)} .[i] Последний может быть идентифицирован как R _WCML , или сумма сопротивления соединительного провода, контактного сопротивления и сопротивления выводной рамки. [ii]

R _{DS (on)} увеличивается с повышением температуры (это также известно как положительный температурный коэффициент ). Это происходит из-за подвижности дырки и электрона, уменьшение с повышением температуры.

R _{DS (вкл.)} — это функция температуры, определяемая по следующей формуле:

R _{DS (вкл.)} (T) = R _{DS (вкл.)} x (25 ° C) x (T / 300) ^2.3 , где T — абсолютная температура. [I]

[i] Основы полевого МОП-транзистора Ан-9010. (2000). ON Semi Application Note, 1-17. Проверено 30 апреля, 2017.

.

[ii] IDAN0061 Основы силового MOSFET. Abdus Sattar, IXYS Corp. Проверено 30 апреля 2017 г.,

Полевые транзисторы — Основы — Полупроводниковые технологии от А до Я

1. Подложка

Основой n-канального полевого транзистора является кремниевая подложка, легированная p-примесью (бором).

2.Окисление

Поверх подложки за счет термического окисления создается тонкий слой диоксида кремния SiO ₂ (оксид затвора). Он используется для изоляции позже нанесенного затвора и подложки.

3. Депонирование

В процессе LPCVD наносится нитрид, который позже используется в качестве маскировки во время полевого окисления.

4. Фотолитография

Поверх нитрида наматывают, экспонируют и проявляют фоторезист. Таким образом формируется слой структурированного покрытия, который служит маской для травления.

5. Офорт

Только на участках, свободных от резиста, нитрид удаляется реактивным ионным травлением.

6. Сопротивление удалению

После этого резистная маска удаляется в растворе влажного химического проявителя.

7. Окисление

Во время полевого окисления нитрид служит маскирующим слоем, влажное термическое окисление происходит только на оксиде без покрытия. Выращенный полевой оксид используется для боковой изоляции соседних устройств.

8.Офорт

После окисления нитрид удаляется в процессе влажного химического травления.

9. Депонирование

Посредством CVD низкого давления осаждается поликристаллический кремний, который представляет собой электрод затвора.

10. Фотолитография

Снова нанесен рисунок на слой фоторезиста поверх поликремния.

11. Офорт

Фоторезист, в свою очередь, служит маскирующим слоем, с помощью реактивного ионного травления затвор формируется.

12. Сопротивление удалению

Резист удален методом влажного химического травления.

13. Окисление

Тонкий оксид (пост-оксид) наносится в качестве изолирующего слоя для электрода затвора, а также в качестве прокладки для последующей имплантации истока и стока.

14. Ионная имплантация

Путем ионной имплантации с фосфором введены области истока и стока (n-тип). Поскольку электрод затвора действует как маска во время имплантации, ширина n-канала между истоком и стоком задается заранее.Это называется «самовыравнивание».

15. Окисление

В качестве изоляции наносится неметалл (например, оксид). Это происходит в процессе LPCVD с TEOS, который обеспечивает хорошее покрытие этапов.

16. Фотолитография и травление

На следующем этапе структурируется слой резиста, а края контактных отверстий закругляются в процессе изотропного травления.

17. Офорт

Затем контактные отверстия открываются в процессе сильно анизотропного травления.

18. Металлизация

Контактные отверстия заполнены алюминием напылением.

19. Фотолитография

На заключительном этапе литографии формируется новая маска резиста.

20. Офорт

Рисунок переносится на нижележащую металлизацию в процессе анизотропного сухого травления.

21. Сопротивление удалению

Наконец, резистор удаляется, и остаются алюминиевые проводники для срабатывания транзистора.

Фактическая конструкция транзистора намного сложнее, поскольку для точной регулировки порогового напряжения необходимы дополнительные слои планаризации для фотолитографии или вторичный сток и имплантация истока. На откосах электродов затвора могут быть сформированы дополнительные распорки (боковые стенки) для установки точной длины канала или точной настройки профиля легирования соответственно.

Как управлять соленоидом от микроконтроллера

Я давно ничего не публиковал… У меня просто не было достаточно мотивации для этого. Полагаю, это могло быть из-за того, что я занят, но, скорее всего, мне просто не хватало энергии, чтобы что-то сделать.

Недавно я разработал простую схему драйвера полевого транзистора для возбуждения соленоида. На мой взгляд, это не было чем-то особенным, но я подумал, что было бы полезно поделиться своим опытом, так что вот:

Мне пришлось управлять схемой на основе соленоида для электронного замка с микроконтроллера. Поскольку соленоид по сути является индуктивной нагрузкой, мне понадобится схема на основе транзистора для управления напряжением питания от 3.Сигнал 3 В постоянного тока, генерируемый микроконтроллером STM32. Для приведения в действие соленоида потребовался короткий импульс (менее секунды) от источника питания 12 В постоянного или 24 В постоянного тока.

Соленоид — это электромагнитный привод, который создает концентрированное магнитное поле. Вот пара ссылок о соленоидах и их работе:

https://sciencing.com/a-solenoid-work-4567178.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Solenoid

A простая схема переключения — это все, что требуется для подачи питания на катушку соленоида и ее приведения в действие.Электронное переключение может выполняться разными способами — релейный переключатель сам по себе является формой электромагнитного привода. В моем случае я решил использовать полевой транзистор или полевой транзистор. Раньше я писал о полевых транзисторах:

https://langster1980.blogspot.com/2012/09/using-field-effect-transistors.html

Применяются те же принципы. Недавно я прочитал отличный пост в блоге Джеймса Льюиса — «Лысый инженер» о некоторых заблуждениях об использовании полевых транзисторов… Рекомендую заглянуть на сайт Джеймса. Он пишет несколько отличных статей и создает отличный видеоконтент по электронной инженерии.

7 MOSFET Myths and Misconceptions Addressed

Так как мне приходилось управлять полевым транзистором напрямую от вывода микроконтроллера на 3,3 В постоянного тока, мне было необходимо то, что известно как полевой транзистор логического уровня — это устройство, которое позволит току течь между стоком и выводами истока, когда на вывод затвора подается напряжение логического уровня, напряжения логического уровня обычно классифицируются как 1.8 В постоянного тока, 3,3 В и 5 В постоянного тока. В случае с микроконтроллером, который я использую — STM32F439, логическая 1 (высокий уровень) составляет 3,3 В постоянного тока. Поэтому мне нужен был полевой транзистор с пороговым значением VGS на уровне 3,3 В постоянного тока или ниже. Я решил использовать IRLZ44, так как у меня были некоторые из этих компонентов, а также у меня была специальная модель для них, чтобы я мог смоделировать схему.

Из некоторых кратких измерений моего соленоида я обнаружил, что у него было последовательное сопротивление около 33 Ом, и я предположил, что это индуктивность на уровне 3 Генри …. У меня не было под рукой измерителя LCR, чтобы измерить его…. Я мог бы откопать это позже, чтобы увидеть, что такое индуктивность на самом деле.

Вот таблица данных для IRLZ44: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlz44n.pdf

Я использую версию T0220 для своей схемы:

Критический Параметры, которые меня интересовали:

VDSS = 55 Vdc — максимальное напряжение, допустимое на выводе стока по отношению к выводу истока.

RDS (on) = 0,022 Ом — сопротивление стока относительно вывода истока, когда транзистор включен.

ID = 47 ампер — Максимальный ток, разрешенный для протекания от стока к источнику.

VGS On Threshold = 2.0 Vdc — Напряжение, при котором полевой транзистор выключается — Спасибо, Джеймс, я всегда ошибался насчет этого! Это означает, что для включения полевого транзистора (из-за проводимости между выводами стока и истока нам необходимо превзойти это напряжение на выводе затвора. Если напряжение на выводе затвора упадет ниже этого напряжения, транзистор перестанет проводить от вывода стока. к исходному выводу. Название параметра немного сбивает с толку, но привет…

Так что все это значит. Это означает, что я могу включить транзистор, используя выходной контакт микроконтроллера
3,3 В постоянного тока, и это обеспечит проводимость через контакт стока к контакту истока, что позволит мне контролировать напряжение, подаваемое на соленоид.

Вот схема:

Простой соленоидный драйвер с использованием полевого транзистора логического уровня

Вот схема работы. Импульс 3,3 В постоянного тока будет подаваться от микроконтроллера.Этот импульс подается на затвор полевого транзистора IRLZ44 через резистор 270 Ом (R2). Резистор R2 присутствует для предотвращения подачи большого пускового тока на вывод затвора полевого транзистора. Это не всегда необходимо, если на затвор подаются только длинные медленные импульсы напряжения. Я всегда добавляю резистор, чтобы быть уверенным, что не возникнет каких-либо проблем с текущим торможением. Резистор 10 кОм (R1) является понижающим. Это гарантирует, что вывод затвора IRLZ44, когда он не управляется микроконтроллером, находится в известном состоянии — низком уровне.Это предотвращает ложное включение или выключение полевого транзистора. Сток полевого транзистора соединен с соленоидом (в данном случае моделируется резистором 33 Ом и индуктором 3 Н. Диод Шоттки (D1) присутствует для предотвращения возникновения обратной ЭДС, генерируемой при включении и выключении индуктивной нагрузки. полевой транзистор. D1 иногда называют «диодом свободного хода» или «обратным диодом» … Подробнее об этом позже.
Источник напряжения VCC и переключатель S1 на самом деле отсутствуют, но представляют собой способ моделирования того, каким будет выходной сигнал микроконтроллера.Если S1 замкнут на короткий период, сигнал, поступающий на вывод затвора, будет аналогичен выходному импульсу микроконтроллера. Это импульсное напряжение заставит полевой транзистор стать активным, позволяя току течь от стока к истоку, что, в свою очередь, позволит напряжению течь через соленоид, вызывая его срабатывание (создание магнитного поля, которое втягивает штифт в катушку). Если бы мы смоделировали работу схемы и наблюдали за входом и выходом с помощью осциллографа, подключенного, как показано выше, то мы бы увидели:
Красный график — это работа соленоида, а синий график — это вход микроконтроллера, моделируемый в данном случае переключателем S1 и 3.Напряжение питания 3 В постоянного тока.

Итак, наша схема имитирует волю и будет работать. Полевой транзистор правильно работает от источника постоянного тока 3,3 В и может стать активным в течение миллисекунды. Более чем подходит для наших целей!

Единственное, что я хотел обсудить, это обратный диод D1 … он необходим, поскольку, когда к индуктивной нагрузке прикладываются напряжение и ток, он преобразует электрическую энергию в магнитную энергию, создавая концентрированное магнитное поле. Когда с индуктивной нагрузки снимаются напряжение и ток, магнитное поле коллапсирует, и оставшаяся энергия передается обратно в схему возбуждения в виде большого скачка напряжения.Этот скачок часто превышает 100 В в течение короткого периода — более чем достаточно, чтобы повредить полевой транзистор. Поэтому используется обратный диод, чтобы предотвратить передачу этого разрушительного скачка напряжения на полевой транзистор.

Чтобы проиллюстрировать это, вот схема с переключателем, добавленным к обратному диоду. Поскольку переключатель разомкнут, диод не подключен. Когда магнитное поле схлопывается, это то, что передается обратно в полевой транзистор:

Вот осциллограмма:
Если бы обратный диод отсутствовал в цепи, полевой транзистор довольно быстро вышел бы из строя…

Я добавлю несколько фотографий схемы, которую я построил, чтобы показать ее в действии. Он отлично работает для моего приложения. Берегите людей — Лангстер!

Вот краткое видео схемы на макетной плате. Он управлял электронным замком, используя 5 В постоянного тока в качестве напряжения затвора:

Voltage — Выбор и смещение MOSFET, управляемого микроконтроллером, имеет ли значение ток?

Схема, о которой вы упомянули, не будет работать очень хорошо, независимо от того, используете ли вы биполярный транзистор или полевой МОП-транзистор.Это потому, что вы пытаетесь управлять High-Side с помощью устройства NPN или N-канала.

Поскольку вы работаете с солнечной панелью, у вас есть два варианта: шунтирующий регулятор или последовательный регулятор.

Шунтирующий регулятор использует одно свойство солнечных панелей: они работают как источник тока. То есть: для заданного количества солнечного света (количество солнечного света, попадающего на панель), ток остается примерно таким же, как и напряжение на клеммах. Солнечная панель обычно может работать без каких-либо повреждений при прямом замыкании на выходных выводах.

Преимущество шунтирующего регулятора заключается в том, что отрицательный вывод панели может быть подключен к заземлению вашей схемы, и при этом можно использовать NPN-транзистор или N-канальный MOSFET для короткого замыкания на панели. Очевидно, есть последовательный диод от перехода солнечной панели (+) / транзистора к батарее. Этот диод нужен в любом случае, чтобы солнечная панель не разряжала батарею при низком уровне освещенности.

Поскольку шунтирующий регулятор должен рассеивать всю нежелательную мощность в виде тепла, наиболее распространенной конфигурацией шунтирующего регулятора является контроллер типа «взрыва-взрыва».Здесь шунт либо полностью выключен (допускает максимально возможный ток заряда) , либо полностью включен (солнечная панель закорочена, в результате чего ток заряда НЕТ). Это приводит к минимальному нагреву коммутирующего устройства. Так работают многие недорогие контроллеры заряда солнечных батарей.

Другой вариант — серийный регулятор. Теперь вам нужно сделать выбор: вы можете использовать биполярные транзисторы NPN или N-канальные полевые МОП-транзисторы в качестве проходного элемента , НО вы должны контролировать отрицательный вывод солнечной панели.Другими словами, положительный вывод солнечной панели подключается непосредственно к клемме (+) аккумулятора (при необходимости через последовательный диод). Отрицательный вывод солнечной панели подключается к стоку N-канального полевого МОП-транзистора, а вывод истока полевого МОП-транзистора соединяется с землей цепи.

Я упоминаю, что последовательный диод на (+) выводе солнечной панели может быть необязательным. Это потому, что это может не понадобиться, потому что вы можете выключить транзистор / MOSFET, когда зарядка невозможна из-за недостаточного освещения на панели.

Если вы хотите использовать N-канальный полевой МОП-транзистор, управляемый микроконтроллером, то моя основная часть для коммутации постоянного тока низкого напряжения и среднего тока — IRF3708.

No related posts.