Egyszerű elektronika: MOSFET II. rész

Az előző leckében a MOSFET hőtermelését számolgattuk és így egy 15 A-es kapcsolóelemet élesztettünk fel...

Probléma a FET gate-feszültséggel

De nem minden olyan egyszerű, mint amilyennek látszik: nem számoltunk azzal, hogy 3.3 V-os (5 V-os) gate-feszültségünk van... Pedig még az IRLZ34N adatlapja is kitért erre!

Ez az egyik legfontosabb grafikon a MOSFET-eknél. A különböző gate-feszültségeknél a jellemzőket tűnteti fel. Amolyan 8-in-1 stílusban...
Láthatjuk, hogy kis feszültségeknél az IRLZ34N FET-en áthajtható áram messze van a maximálistól. Ez 3.3 V esetén 7 A - a 30 A helyett! Így a 15 A-ről ne is álmodozz. Az adatlap alapján 7 A a felső limit...
A grafikon még egy dolgot megmutat: a  drain/source közti maradék-feszültség különböző áramok esetén. Például 3 V gate-feszültség esetén (alulról a 2. görbe) 5.5 A a maximum áram, ahol a FET-en eső feszültség (drain-source közt) 1 V! Más szóval: 5.5 W hőtermeléssel számolhatunk ekkor az eszközön - ez egész jól managelhető egy hűtőbordával...

Még egyszer: 3.3V gate feszültség esetén kisebb áramot tudunk csak kapcsolni, mint a tervezett 15 A. Így nagyobb gate-feszültség esetén jobbak a kilátások. Ekkor femerül a kérdés, hogy "MOSFET vagy tranzisztor?".

MOSFET megközelítés: Amint látod, minden gate feszültséghez található olyan áramérték, ami a kapcsolás határa. Ha adott gate feszültség esetén nagyobb áramot szeretnénk kapcsolni - az nem fog sikerülni. A kisebb áram kapcsolásakor úgy viselkedik, mint egy nagyon kis átmeneti ellenálású kapcsoló. A grafikonon a határ-áramerősség feletti részen áramgenerátorként viselkedik. Ekkor azonban a szabályozás során a drain-source feszültség növekedik! A kommersz IRLZ34N 3.3 V-ról hajtva 5..6 A kapcsolására alkalmas. Természetesen hűtőbordával is illik ellátni a FET-et. A grafikonon látható, hogyha borda nélkül akarjuk használni, akkor 2 A körül van a kapcsolható áram maximuma.

Tranzisztor megközelítés: ez a következő lecke témája lesz...

FET alapú kapcsolóelem

És mi van, ha szabályozni szeretnénk az áramot? Például valamilyen fokozatos módon, nem pedig egyszerű ki/bekapcsolóként? Az első ötlet, hogy kisebb gate feszültséggel valamelyest lehet szabályozni - de ez nem lineáris. Sőt, súlyosbító körülmény, hogy 1-2 V alatt a FET zárt állapotban van. Meg úgy általában is: az ok a hőtermelés - mint mindig.

De nézzük a kapcsolást reprezentáló ábrát:


A gate-n levő lehúzóellenállás későbbi fejezetekben kerül kifejtésre

A lerajzolt mintaalkalmazásban egy 12 W-os (12 V, 1 A áramfelvételű) lámpát kapcsolunk valamint a lámpánk fényerejét változtatni próbáljuk a MOSFET segítségével. Első megközelítésként az izzólámpa ellenállását állandónak tekintjük, így a fele áram áthaladásához a feszültség is feleekkora kell legyen (lsd. Ohm-törvény). Itt ekkor ez 6V feszültséget jelent.
Feltételezzük, hogy a gate feszültséget szabályozva elérhető hogy a drain-source feszültségesés 6 V legyen. Ha ez sikerül, akkor a lámpa dimmelése el is készült: tudjuk a fényerőt szabályozni! De mondhatjuk másként is: a FET úgy viselkedik, mintha egy 12 ohmos ellenállás lenne a drain és a source közt.
Ebben a szabályzásban így mind a lámpán, mind a FET-en 6 V feszültség esik.

És mi van a hőtermeléssel? Hát, igen. A MOSFET-en 6 V feszültség esik és 0.5 A áram folyik át. Így 6 V x 0.5 A = 3 W hőt ad le.
Teljesen a számok bűvöletében élve: amikor a teljes fényerővel világítunk, akkor <0.1 W hő keletkezik a FET-en (nézd meg a grafikont). Ám, ha így dimmeljük a fényt, akkor bizony kell a MOSFET-re a hűtőborda.
Azért gondoljuk csak végig a szabályozást: a 12 V adottnak tekintett volt. A kisebb feszültség jobb lett volna a kisebb fényerőhöz - így kénytelenek vagyunk a felesleget elfűteni. Mind a MOSFET, mind a tranzisztor esetén csak így tudjuk megoldani a feszültségszabályozást.

Van más lehetőségünk? Igen, szerencsére van.

Ez az impulzusszélesség moduláció, ismertebb néven: PWM. Ahelyett, hogy a fölös energiát elfűtjük, inkább a lámpát kapcsolgassuk gyorsan ki- és be. Így egy pulzálást hozunk létre a lámpán, mely igen gyorsan történik. A belső izzószál így melegszik, majd hűl - ezért nem teljes fényerővel fog világítani.

Miért jó nekünk a PWM? Erre néhány ok:
Nem kell szabályzott analóg feszültséget előállítani, egyszerű digitális ki/bekapcsolásokat végzünk. A MOSFET így újra egyszerű kapcsolóvá válik, és megmarad a nagy előnye: nem kell rá hűtőborda.
Nem gyártunk egy csomó hulladékhőt, szinte minden a világításra fordítódik. Csak rövid és gyors impulzusokkal operálunk. A PWM nem csak izzólámpára jó, hanem számos eszköz vezérlését megoldhatjuk vele. Például egy DC-motor esetén a sebessége válik szabályozhatóvá.
A korábbi PWM leírás nagy segítség a megértésében. A MOSFET nagy áramok ki/bekapcsolására alkalmas és a PWM technikával sikerült szabályzókörbe helyezni. Így lehetőségünk nyílt fűtőelemek, DC-motorok, izzólámpák vezérlésére.

Mi a trükk? A PWM esetén a teljesen nyitott állaptú MOSFET-en szinte nincs feszültségesés (3.3 V @ 7A). Zártan meg nincs átfolyó áram. Hűtőborda nem kell és így egy gyors kapcsolónak használjuk.

Tags: 

TavIR-Facebook