MOSFET jako klucz..

Po co?

Klucz elektroniczny wydaje się być bardzo prostym elementem i występuje bardzo często w wielu urządzeniach elektronicznych i elektrycznych. Pracuje on w dwóch stanach : zamknięty i otwarty. Zastosowanie kluczy w elektronice jest ogromne, począwszy od  prostych zastosowań jak np.: włączanie jakiegoś urządzenia mocy np. silnika, żarówki, syreny alarmowej za pomocą przycisku do bardziej zaawansowanych jak przetwornica zasilająca, regulacja PWM, urządzenia wyjścia w sterownikach PLC i mikrokontrolerach. W tym wpisie opisze: jak prawidłowo dobrać tranzystor, jaki wpływ ma częstotliwość załączania klucza na jego pracę, o czym należy pamiętać przy projektowaniu kluczy z użyciem tranzystorów MOSFET.

1.     Krótko o tranzystorach MOSFET

Tranzystory polowe działają podobnie jak tranzystory bipolarne z tą różnicą, że są sterowane napięciowo, jeśli chodzi o nazewnictwo to bramka pozostała bramką, natomiast dren jest odpowiednikiem kolektora a źródło odpowiednikiem emitera. Istnieją dwie zasadnicze grupy tranzystorów polowych JFET i MOSFET. Tranzystory złączowe JFET to tranzystory w których bramka oddzielona jest od kanału za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n. Natomiast w tranzystorach MOSFET (z izolowaną bramką) oddzielenie bramki od kanału jest realizowane przez cienką warstwę izolatora. Obecnie tranzystory JFET nie są tak popularne jak kiedyś i w zdecydowanej większości używa się tranzystorów MOSFET z kanałem wzbogaconym. Tranzystory MOSFET możemy podzielić  na dwie grupy:

         ·   Z kanałem zubożonym ( tranzystory normalnie załączone, podanie napięcia dopiero je zamyka).

         ·   Z kanałem wzbogaconym ( pracują podobnie jak tranzystory bipolarne, normalnie są zamknięte, dopiero gdy podamy odpowiednie napięcie polaryzujące to tranzystor przewodzi.
     Podsumowując mamy 6 głównych typów tranzystorów unipolarnych. Poniżej możemy zobaczyć ich symbole. 

Najczęściej wykorzystywanym tranzystorem polowym jest MOSFET z kanałem wzbogaconym typu N i przy użyciu takiego to tranzystora zbudujemy klucz.

2.     Parametry tranzystorów MOSFET ( te najważniejsze)

·        Maksymalne napięcie

·        Maksymalny prąd drenu

·         Napięcie progowe otwierania   (threshold – próg)

·        Rezystancja między drenem a źródłem w stanie nasycenie ( maksymalnego otwarcia)

·        Ważnym parametrem także jest konduktancja przejściowa, tego parametru nie będę omawiał gdyż potrzebny jest on głównie gdy projektujemy wzmacniacze dla sygnałów przemiennych.

·        W dokumentacji często podaje się oprócz maksymalnego ciągłego prądu drenu, podaje się prąd impulsowy który jest znacznie większy.

3.     Teraz jak to się ma wszystko w praktyce. 

   Tranzystorem testowym będzie tranzystor MOSFET z kanałem wzbogaconym typu N o

   nazwie: K2750Tutaj mamy dostępny datasheet:

   http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/30681/TOSHIBA/K2750.html

    Na samym wstępie producent opisuje, że tranzystor jest stosowany do szybkich, wysoko prądowych aplikacji przełączających. I podaje przykłady jego zastosowań ( CHOPPER REGULATOR, DC-DC Converter, Motor Drive Applications).

Z dołączonej tabelki odczytujemy, że maksymalne napięcie jakie możemy przyłożyć pomiędzy dren I źródło (UDS max to 600V a więc bardzo dużo. W naszym kluczu będziemy sterować mocą żarówki samochodowej o mocy 21W i napięciu pracy 12V. Drugą ważna sprawą jest prąd drenu, producent podaje nam, że prąd do pracy ciągłej ID jest równy 3,5A natomiast przy pracy impulsowej może przez niego płynąć do 14A.  Nasza żaróweczka ma moc 21W i napięcie robocze 12V, obliczamy jaki prąd będzie przez nią płynął. 

Następny ważny parametr to rezystancja  między drenem a źródłem podczas pełnego otwarcia tranzystora. W tym tranzystorze jest ona dość spora i wynosi:

Obliczmy jaka moc wydzieliła by się na tranzystorze przy pracy żarówki z prądem

ciągłym równym 1,75A.

Napięcie jakie się odłoży na tranzystorze to:

A wydzielona moc:

Wydzielona moc jest bardzo duża, tranzystor w obudowie TO-220 jest w stanie rozproszyć moc strato koło 1W. Wyjściem jest więc zastosowanie radiatora rozpraszającego ciepło lub też znalezienie lepszego modelu tranzystora do tego zadania (żeby jego rezystancja RDS ON była jak najmniejsza.

Ja postanowiłem zmienić tranzystor na K2098 który posiada małą w porównaniu do poprzednika rezystancje, mianowicie: RDS ON=0.08 oma, powtórzmy obliczenia:

Napięcie jakie się odłoży na tranzystorze to:

Rozpraszana moc w tranzystorze zmalała niemal 22 razy!

Widzimy zatem jak ważne jest odpowiednie dobranie tranzystora do konkretnej aplikacji.

Schemat naszego klucza: 

Nasza żarówka jest reprezentowana jako odbiornik rezystancyjny (  nie mogłem znaleźć symbolu żarówki w EAGLE J). Musimy pamiętać o tym, że w obwodzie ( w stanie pełnego przewodzenia) mamy połączenie szeregowe dwóch oporów: oporu żarówki i oporu Rds on. Zatem przy zasilaniu 12V na żarówce będzie mniej niż 12V i nie osiągniemy 100% mocy, ale będzie to napięcie bardzo bliskie 12V w tym wypadku. Im mniejsza rezystancja  Rds on  tym lepiej. Oczywiście możemy zwiększyć napięcie zasilające 12V na większe i unikniemy tego problemu ale jest to niepraktyczne.

0.     Obwód wejściowy i sygnału sterujące.

Nam przy sterowaniu tranzystora zależy by podawać takie napięcia na bramkę by tranzystor znajdował się albo w stanie nasycenia albo w stanie zamknięcia. Każdy tranzystor MOSFET ma w datasheet podane charakterystyki, odszukujemy charakterystykę przejściową czyli zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródło. 

Dla K2098:

Dla K2750:

Widzimy, że żeby wysterować tranzystor K2098 potrzebujemy mniejsze napięcie niż dla K2750. Co jest często zaletą, np. gdy chcemy sterować jakieś urządzenie za pomocą mikrokontrolera czy też jakimś scalakiem TTL zazwyczaj mamy napięcie 5V i musimy wybrać taki MOSFET aby to 5V zapewniło jego otwarcie, w tym celu podane są charakterystyki przejściowe.

Gdy już mamy odpowiedni zakres napięć wejściowych kolejną ważną rzeczą jest częstotliwość załączania klucza. Tranzystory MOSFET mają ogromną rezystancję wejściową dzięki izolatorom bramki od kanału. Ale w skutek tego mamy tam pewnego rodzaju kondensator czyli pewne pojemności wejściowe o których musimy pamiętać.

UWAGA: Nie powinno się dołączać rezystora pomiędzy sygnałem wejściowym a bramką gdyż stworzymy sobie filtr dolnoprzepustowy który będzie uśredniał wartość.  

UWAGA KOLEJNA: Nasz sygnał powinien mieć jak największą wydajność prądową, już tłumacze dlaczego. Żeby wprowadzić tranzystor w stan nasycenia trzeba jak najszybciej naładować pojemność bramkową, i następnie żeby go wyłączyć trzeba tą pojemność jak najszybciej rozładować. Gdy będziemy mieć małą wydajność prądową sygnału np. 1mA to kondensator będzie się przez to wolniej ładował i rozładowywał a to skutkuje wolniejszym przełączaniem klucza. Jeśli czasy ładowania i  rozładowywania będą znaczne to tranzystor będzie się grzał.

Tranzystory mają podaną pojemność w dokumentacji:

Nasz K2098 ma pojemność około 3000pF, obliczmy czas naładowania tej pojemność:

Odpowiednią wydajność prądową można uzyskać na wiele sposobów np.:  łącząc równolegle bramki cyfrowe czy też stosując wtórnik tranzystorowy.

Dobrnęliśmy do końca. Pamiętajmy w tranzystorach MOSFET musimy poprawnie dobrać tranzystor do naszych parametrów pracy. Na rynku jest dostępnych wiele MOSFETów więc nie ma problemu z doborem.