Полевой транзистор схема управления нагрузкой постоянного тока

Полевой транзистор схема: продуктивная регулировка нагрузки постоянного тока

Полевой транзистор схема, которого представлена в данной статье способна управлять мощной регулярной нагрузкой также хорошо как и сборки Дарлингтона или биполярные транзисторы.
Полевой транзистор работает сродни обыкновенному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал.

Однако, в отличие от биполярных транзисторов, здесь управление идет не током, а напряжением. МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из данного 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 — железный электрод, размещенный через тоненький слой оксида кремния, являющийся диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, благодаря чему в канале появляются двигающиеся заряды, которые способны образовать переменный ток и сопротивление слив — исток резко падает. Чем напряжение больше, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в конце концов, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если приподнимать напряжение дальше, то случится пробой слоя оксида и транзистору хана.

Положительное качество такого транзистора, если сравнивать с биполярным понятно — на затвор нужно подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а это означает необходимая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.
Минус же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открывании. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом временные промежутки.

А если ток уменьшить резистором, то конденсатор будет заряжаться плавно — от постоянной времени RC цепи некуда не убежишь.
МОП Транзисторы бывают P и N канальные.

Принцип у них одинаковый, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Исходя из этого в различном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Чаще всего транзисторы делают в виде комплиментарных пар.

Другими словами имеется две модели с абсолютно одиннаковыми свойствами, но одна из них N, а остальная P канальные. Маркировка у них, в основном, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь слива. Вообще, в теории, полевому транзистору абсолютно без разницы что считать у него истоком, а что сливом — между ними разницы нет.

Но в работе есть, А дело все в том, что с целью улучшения параметров исток и слив делают различной величины и конструкции в дополнение, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его называют еще паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу характерности техпроцесса производства).
У меня Самыми популярными МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида.

Обладая не очень габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Однако, это довольно старый транзистор, в настоящий момент есть уже вещи и покруче, к примеру IRF7314, способный протащить те же 9А, но он при этом умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Основной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) считается то, что для настоящего открытия до полного насыщения этому транзистору нужно вкатить на затвор довольно больше напряжение. В большинстве случаев это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Здесь вариантов три:

  • На более очень маленьких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его большим напряжением
  • применить специализированную микросхему драйвер, которая сама сформирует необходимый сигнал управления и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Обычные варианты драйверов это, к примеру, IR2117.

Нужно только помнить, что есть драйверы нижнего и верхнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в нижнем и верхнем плече применяются N канальные транзисторы.

Просто у них лучше характеристики чем у P канальных.
Но здесь появляется иная проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече нужно ему на затвор подать напряжение выше напряжения слива, а это, по существу дела, выше напряжения питания.

Для этого в драйвере верхнего плеча применяется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

  • Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. К примеру из серии IRL630A или им такие же. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда имеется один минус — их иногда трудно достать. Если традиционные мощные полевики уже не считаются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают абсолютно не всегда.

Но вообще, правильнее все же устанавливать драйвер, ведь не считая важных функций формирования управляющих сигналов он в качестве добавочной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет собственный ток не зря.
Выбор транзистора тоже не достаточно не простой, тем более если не заморачиваться на предельные режимы.

Первым делом тебя должно волновать значение тока слива — I Drain или ID выбираешь транзистор по самому большому току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10.
Следующий значимый для тебя параметр это VGS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, говоря проще, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков.

Ищешь график выходной характеристики Зависимость ID от VDS при самых разнообразных значениях VGS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, к примеру, нужно тебе запитать мотор на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый сигнал управления. Первое что пришло на ум после данной публикации — 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 будет составлять около 4.5В Согласно закону Ома тогда получается, что сопротивление этого транзистора в этот фактор 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=I 2 R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что чрезмерно.

Посмотрим тогда на IRL630.
При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе будет составлять около 3 вольт.

Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что ощутимо меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то нужно поинтересоваться временем закрытия-открытия транзистора, подобрать самое большее и относительно времени сосчитать предельную частоту на которую он может. Зовется эта величина Switch Delay или ton,toff, в общем, как то так.

Ну, а частота это 1/t. Также пригодится взглянуть на емкость затвора Ciss исходя из нее, а еще ограничительного резистора в затворной цепи, можно проссчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и подумать быстродействие.

Если неизменная времени будет побольше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в определенном промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в стабильное напряжение.
При обращении с этими транзисторами учитывай тот момент, что электричества возникающего в результате трения они боятся не просто сильно, а Особенно сильно. Пробить затвор статическим зарядом более чем по настоящему.

Так что как купил, тут же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Заранее заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).
А в процессе проектирования схемы запомни еще одно несложное правило — нельзя ни в коем случае оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется.

Благодаря этому необходимо обязательно поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот как бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков

Управление мощной нагрузкой постоянного тока

В видео показан собранный мною модуль для управления мощной нагрузкой постоянного тока.

Схема модуля управления мощной нагрузкой постоянного тока

Управление нагрузкой постоянного тока

Твердотельное оптоэлектронное реле. Принцип работы

Модуль управления мощной нагрузкой постоянного тока

Управление нагрузкой постоянного тока

Оставьте объяснение:

Навигация по сайту:

молодой Технарь:

Помощь проекту:

Деньги можно перечислить на карту Сберегательного банка России:

Поиск

Последние статьи

Сигнализатор утечки газа с уведомлением …

Сигнализатор утечки газа с уведомлением на электронную почту.

Контроллер в коридор с E-mail оповеще…

Контроллер в коридор с E-mail оповещением.

Мой канал на YouTube

Подпишитесь!

2015, Arduinoprom.ru — блог Чилингаряна Грачика. Все авторские права на тексты принадлежат ему.
При размещении текстов и материалов на посторонних ресурсах активная ссылка ОБЯЗАТЕЛЬНА.

Все логотипы и товарные знаки, которые размещены на сайте, принадлежат исключительно их законным хозяевам (правообладателям).

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку?

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светоизлучающие диоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы убедились. И как бы не была заезжена эта тема, но, во избежание повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не неповторимым — Вы уж меня простите :).

Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу самые популярные способы подсоединения нагрузки (если Вы что-то пожелаете добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что идет речь о цифровом сигнале (микроконтроллер все же цифровое устройство) и не будем отступать от всей логики: 1-включено, 0-выключено. Начинаем.
1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока считаются: светоизлучающие диоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, разные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и очень часто) подсоединяется к микроконтроллеру.
1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Наиболее простой и, наверное, очень часто применяемый способ, если идет речь о светоизлучающих диодах.

Управление нагрузкой постоянного тока

Резистор необходим, чтобы уменьшить ток текущий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Называют его балластным или гасящим.

Приблизительно проссчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.
Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]
Как видно, даже в очень худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А это означает, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы обезопасите порт от перегрузки.

Положительное качество способа понятно – простота.
1.2 Подключение нагрузки с помощью биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, понятное дело, резистор здесь не поможет. Необходимо как-то расширить (читай улучшить) ток. Что используют для усиления сигнала?

Правильно. Транзистор!

Управление нагрузкой постоянного тока

Для усиления удобней использовать n-p-n транзистор, включеный по схеме ОЭ. При этом способе можно подсоединять нагрузку с высоким напряжением питания, чем питание микроконтроллера.

Резистор на базе – ограничительный. Может изменяться в широких пределах (1-10 кОм), во всяком случае транзистор будет работать в режиме насыщения.

Транзистор бывает разнообразной n-p-n транзистор. Показатель усиления, практически значения не имеет. Подбирается транзистор по току коллектора (необходимый нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка).

Еще имеет большое значение рассеиваемая мощность — чтобы не перегрелся.
Из популярных и очень легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с самыми разными буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf (Одна Загрузка)
1.3 Подключение нагрузки с помощью полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в границах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не выйдет, так как токи управления таким транзистором велики и быстрее всего превзойдут 20мА.

Выходом послужит или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто отличная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе.

Это выполняет возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.
Для нас подойдёт любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

Управление нагрузкой постоянного тока

При включении полевого транзистора необходимо принимать во внимание ряд факторов:
— так как затвор, практически, считается конденсатором, то во времена переключения транзистора через него текут большие токи (краткосрочно). Для того чтобы уменьшить эти токи в затвор ставиться резистор ограничивающий ток.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, очутится в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера необходимо «прижать» к земля резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его достоинств есть минус. Платой за управление малым током считается медленность транзистора.

ШИМ, разумеется, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.
Для использования можно посоветовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их нередко применяют и благодаря этому их легко достать.
IRF640.pdf (17242 Загрузки)
1.4 Подключение нагрузки с помощью составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой использования полевого транзистора при сильноточной нагрузке считается использование составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но в середине для управления мощным выходным транзистором применяется подготовительная усилительная схема. Это дает возможность малыми токами управлять мощной нагрузкой.

Использование транзистора Дарлингтона не так интересно, как использование сборки подобных транзисторов. Есть подобная отличная микросхема как ULN2003.

В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно с целью увеличения тока.

Индуктивные нагрузки и диодная защита

Управление нагрузкой постоянного тока

Микросхема не очень сложно подсоединяется к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует добавочной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 повсеместно применяется в радиолюбительской практике.

Исходя из этого достать ее не будет трудно.
ULN2003.pdf (18906 Загрузок)
2 НАГРУЗКА Электрического тока.
Если Вам необходимо управлять устройствами электрического тока (очень часто 220v), то здесь все сложнее, однако не на много.
2.1 Подключение нагрузки с помощью реле.
Довольно обычным и, наверное, наиболее надежным есть подключение с помощью реле. Катушка реле, сама собой, считается сильноточной нагрузкой, благодаря этому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь.

Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если необходимо несколько каналов.

Куда подключать нагрузку разрыв «+» или «-» твердотельного реле постоянного тока

Управление нагрузкой постоянного тока

Положительные качества подобного варианта большой коммутируемый ток (зависит от подобранного реле), гальваническая развязка. Минусы: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то советовать для использования бессмысленно — реле много, подбирайте по необходимым показателям и цене.
2.2 Подключение нагрузки с помощью симистора (триака).
Если необходимо управлять мощной нагрузкой электрического тока а тем более если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам не получиться обойтись без использования симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так же и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль).

Вот здесь начинаются трудности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно нужный момент подавать импульс для открытия симистора — это неизменная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора.

Приходится ее делать на некоторых элементах усложняя схему.

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

Управление нагрузкой постоянного тока

Довольно неоднозначный способ подсоединения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения.

С другой стороны дает возможность очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один минус использования симисторов — огромное количество цифрового шума, создаваемого при их работе — необходимы цепи подавления.
Симисторы довольно широко применяются, а не во всех областях просто незаменимы, благодаря этому достать их не составляет каких нибудь проблем. Чаще всего в радиолюбительстве используют симисторы типа BT138.
BT138.pdf (6389 Загрузок)
2.3 Подключение нагрузки с помощью твердотельного реле.
С недавней поры у радиолюбителей возникла очень отличная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (их еще называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светоизлучающий диод, а со второй полевой транзистор со светочувствительным затвором.

Управляется эта штука малым током, а манипулировать может существенной нагрузкой.

Управление нагрузкой постоянного тока

Управление мощным тиристором в цепи постоянного тока.

Подсоединять твердотельное реле к микроконтроллеру весьма просто — как светоизлучающий диод — через резистор.
Положительные качества налицо: небольшие размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать высоким током и напряжением и самое основное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка бывает как переменного, также и постоянного тока в зависимости от конструкции реле.

Из плохих качеств необходимо выделить относительную медленность (очень часто для коммутации применяется полевик) и довольно большую цену реле.
Если не бежать за завышенными свойствами можно выбрать для себя прибор по подходящей цене. К примеру, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку постоянного и переменного тока 120мА и 350v (весьма полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf (14084 Загрузки)

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку? : 229 комментариев

Да, он. Благодарю за объяснение, я просто считал что он рассчитывается как-то по иному из за ёмкости) а не как токоограничивающий. По большей части везде пишут будто бы 50-150 Ом устанавливать)
Вопросы в тему))
1. К МК через резистор 3к и тр-р КТ917 (ОЭ) была подключена нагрузка (обмотка) в коллектор. Нагрузка на 12В.

Управление по импульсу на выходе МК. Схема не заработала, сгорел порт МК и понадобилось поставить взамен обмотки реле на 5В по управлению, а на контакты — нагрузку коммутировал на 12В.

Почему не заработала первая схема и почему сгорел порт?
2. В литературе показано, что нагрузки подсоединяют в слив транзисторов MOSFET независимо от типа канала. В вариации http://www.forum.getchip.net/viewtopic.php?f=24&t=495&sid=d75b21e0a6fe8fecd31e2e764d51beac нагрузка включена в исток.

Хотя считаю, что подобные активные нагрузки как усилитель, лучше коммутировать по +, как сделал автор, а не по земля.
2.1. Я пробовал включить усилитель TDA в исток по схеме на одном IRF630, но усилитель не заработал, т.к. с потенциалом на ноге Vcc творилось непонятное, значение было ни как не Vcc.
2.2. Почему автор включил усилитель в исток, а не применял p-канальный транзистор с включением нагрузки в слив?
1 через резистор 3кОм 12 вольт можно подсоединять смело к ножке МК и порту ничего не станется (12/3000=0.004А при допустимых 0.02А). Причина перегорания порта, наверняка, в индуктивной нагрузке, на которой создалось внушительное ЭДС самоиндукции, ток от которого сжег и транзистор и порт МК.

В случае подсоединения индуктивных нагрузок обязательно использование защитного диода (к примеру, как в п.2.1).
2 по вариации не могу ничего сказать, так как она не моя.
@GetChiper
Евгений,
1. в том то и дело, что транзистор выжил, а сгорел только порт. Необходим ли теперь шунтирующий (защитный) диод на индуктивную нагрузку, которая подсоединяется к +12В и GND при помощи реле для стабилизации (защиты) этого самого источника +12В?
2. Можно ли подсоединять нагрузку в исток полевых транзисторов?
1 в этом случае я не знаю причину перегорания порта. Защитный диод необходим во всяком случае на индуктивной нагрузке (лучше всего еще и шотки).
2 можно нагрузку включать куда угодно. есть любые способы включения (как и в биполярном транзисторе) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80
А не задействованые входа ULN2003 необходимо объединить с землёй? (к примеру у меня остались 1-2 лишних)