Перейти к содержанию

Ключ на MOSFET

N-канальный MOSFET с логическим уровнем включает от вывода микроконтроллера нагрузку в единицы и десятки ампер: светодиодную ленту, двигатель, нагреватель. Выбирать его нужно по сопротивлению открытого канала при вашем напряжении управления — 5 или 3,3 В, — а не по пороговому напряжению.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Ключ на MOSFET — то же, что ключ на биполярном транзисторе, но вместо тока базы транзистором управляет напряжение затвора. В открытом состоянии N-канальный MOSFET — это сопротивление в миллиомы, а ток управления нужен только на перезаряд затвора при переключении. Поэтому MOSFET — основной выбор для токов в амперы и для ШИМ.

Коротко

Схема

Ключ на N-канальном MOSFET с логическим уровнем, управляемый микроконтроллеромВывод ШИМ микроконтроллера через резистор 150 Ом подключён к затвору IRLZ44N, между затвором и истоком — резистор 10 кОм. Исток на общем проводе, сток через двигатель подключён к плюсу 12 В, параллельно двигателю включён диод: катод к плюсу питания, анод к стоку.+12 ВMVD1VT1 IRLZ44NМКвывод ШИМ, 5 ВR1150 ОмR210 кОмR1 ограничивает пиковый ток вывода МК, R2 держит затвор закрытым при сбросе МК

Нагрузка — здесь двигатель — между плюсом питания и стоком, исток на общем проводе. Вывод микроконтроллера через R1 заряжает затвор; R2 разряжает его и держит транзистор закрытым после сброса. Диод VD1 нужен для индуктивной нагрузки — двигателя, соленоида, катушки: без него выброс при выключении пробьёт транзистор. Для светодиодной ленты и нагревателя диод не нужен.

Выбор транзистора

Пороговое напряжение VGS(th) — это напряжение, при котором через транзистор течёт ток в доли миллиампера: у IRLZ44N — от 1 до 2 В при 250 мкА. Полностью открыт транзистор только при напряжении, для которого в таблице указано RDS(on). Microchip в DS41285A (TIP #19) приводит пример: транзистор с током 250 мкА при 1 В на затворе не обязательно хорошо работает на нагрузку 100 мА при 3,3 В.

ТранзисторVDSRDS(on), не большеVGS(th)VGS maxУправление
IRLZ44N (TO-220)55 В25 мОм при 5 В, 35 мОм при 4 В1,0–2,0 В±16 В5 В
Si2302DDS (SOT-23)20 В57 мОм при 4,5 В, 75 мОм при 2,5 В0,40–0,85 В±8 В3,3 и 5 В
IRFZ44N (TO-220)55 В17,5 мОм при 10 В2,0–4,0 В±20 Втолько 10 В — драйвер

Напряжение сток–исток берут с запасом над напряжением питания нагрузки. Низкий порог удобен для 3,3 В, но у таких транзисторов меньше допустимое напряжение затвора: у Si2302DDS — всего ±8 В.

Расчёт

Пример: светодиодная лента 12 В, 2 А от Arduino (вывод 5 В), IRLZ44N.

  1. Транзистор. 55 В > 12 В; при 5 В на затворе RDS(on) ≤ 25 мОм.
  2. Потери проводимости: P = I2RDS(on) = 22 · 0,025 = 0,1 Вт. При нагреве кристалла сопротивление растёт (подробнее — в статье о MOSFET), но и вдвое большие 0,2 Вт для TO-220 немного.
  3. Нагрев без радиатора. Тепловое сопротивление кристалл–воздух IRLZ44N — 62 °C/Вт: 0,1 · 62 = 6,2 °C над температурой воздуха. Радиатор не нужен.
  4. Резистор затвора. Пиковый ток заряда затвора не должен превышать ток вывода: у ATmega328P предел 40 мА. R1 = 150 Ом даёт 5/150 ≈ 33 мА.
  5. Время переключения. По APT0103 ток затвора при управлении напряжением — IG = VDR/RG, а время — около Qg/IG. Полный заряд затвора IRLZ44N при 5 В — до 48 нКл: 48 нКл/33 мА ≈ 1,5 мкс. Ток затвора к концу заряда падает, так что это оценка снизу.
  6. Потери переключения при ШИМ. Пока транзистор переключается, на нём одновременно напряжение и ток: за одно переключение — около UIt/2 = 12 · 2 · 1,5 мкс/2 = 18 мкДж, два переключения за период. На 1 кГц это 36 мВт — вместе с потерями проводимости меньше 0,2 Вт.

Чем выше частота ШИМ и ток, тем больше доля потерь переключения: для двигателя 10 А на 20 кГц они больше потерь проводимости, и вывод микроконтроллера уже не справляется — нужен драйвер затвора. Этот расчёт разобран в статье о MOSFET и IGBT.

Если транзистор греется — введите мощность потерь и тепловые сопротивления из даташита (у IRLZ44N кристалл–корпус 1,4 °C/Вт, кристалл–воздух 62 °C/Вт) в калькулятор радиатора:

Исходные данные

Вт

для стабилизатора — (Uвх − Uвых) · I, для ключа — I² · Rds(on)

°C

внутри корпуса прибора

°C

из даташита, с запасом 10–20 °C

°C/Вт

из даташита прибора

°C/Вт

термопаста или прокладка

°C/Вт

из даташита; у TO-220 обычно около 60–65 °C/Вт

Результат

Тепловое сопротивление радиатора
не больше 22,8 °C/Вт
Кристалл без радиатора
235 °C
Предел без радиатора
1,31 Вт
Предел с идеальным радиатором
15,5 ВтθSA = 0: ограничивают θJC и θCS

Детали

ПозицияДетальЗамены и примечания
VT1IRLZ44N (TO-220, логический уровень)для 3,3 В — Si2302DDS или другой с RDS(on) при 2,5 В; IRFZ44N — нельзя
R1150 Ом100–220 Ом: меньше — больше ток вывода, больше — медленнее переключение
R210 кОм10–100 кОм
VD1диод на ток нагрузкитолько для индуктивной нагрузки: двигатель, соленоид, катушка

Варианты

Управление от 3,3 В. Возьмите транзистор, у которого RDS(on) нормировано при 2,5–3 В, как Si2302DDS, и проверьте его допустимую мощность в корпусе SOT-23 по даташиту. Другой путь — поднять напряжение затвора: биполярный транзистор или драйвер, питающийся от напряжения нагрузки.

Драйвер затвора. Для ШИМ десятки килогерц и токов в десятки ампер затвор перезаряжают специализированной микросхемой с током в амперы.

Верхний ключ. Если нагрузка должна быть подключена к общему проводу, ключ ставят в плюсовой провод — на P-канальном MOSFET; схема и защита от переполюсовки на P-канальном транзисторе разобраны в статье о MOSFET.

Почему не работает

  • Транзистор греется даже при малом токе. Это не транзистор с логическим уровнем (IRFZ44N, IRF540N): от 5 В он открыт частично. Проверьте строку RDS(on) при вашем напряжении затвора.
  • Нагрузка не выключается. Перепутаны сток и исток или выводы корпуса: встроенный диод транзистора проводит ток от истока к стоку всегда. Нет резистора R2 — затвор заряжен и транзистор остаётся открытым.
  • Нагрузка включается при старте. Затвор «висит», пока программа не настроила вывод: нужен R2.
  • Транзистор пробит после выключения двигателя. Нет диода VD1 на индуктивной нагрузке.
  • Микроконтроллер сбрасывается при включении нагрузки. Большой ток нагрузки идёт по общему проводу микроконтроллера: разводите силовой минус отдельно и соединяйте с минусом схемы в одной точке.
  • Пробит затвор. Превышено напряжение затвор–исток: у Si2302DDS всего ±8 В, при управлении от 12 В его не подключают напрямую.

Частые вопросы

Подойдёт ли IRFZ44N для Arduino?

Нет: у IRFZ44N сопротивление открытого канала гарантировано только при 10 В на затворе, а пороговое напряжение может доходить до 4 В. От 5 В он откроется не полностью и будет греться. Для 5 В нужен транзистор с логическим уровнем, у которого RDS(on) указано при 4–5 В, например IRLZ44N: до 25 мОм при 5 В.

Какой MOSFET взять для 3,3 В?

Тот, у которого в даташите указано RDS(on) при напряжении затвора 2,5–3 В. Microchip в DS41285A прямо советует выбирать по этой строке, а не по порогу. Пример — Si2302DDS: 75 мОм при 2,5 В. У IRLZ44N сопротивление дано только при 4 В и выше, и от 3,3 В он не годится.

Зачем резистор в затвор?

Затвор — это ёмкость: в момент переключения вывод заряжает её, и без резистора пиковый ток ограничен только сопротивлением вывода. Резистор 150 Ом при 5 В ограничивает его 33 мА — меньше предельных 40 мА вывода ATmega328P. Второй резистор, 10 кОм между затвором и истоком, держит транзистор закрытым, пока вывод после сброса не настроен.

Нужен ли радиатор?

Потери проводимости — I²·RDS(on). Для ленты 2 А на IRLZ44N это 0,1 Вт, и корпус TO-220 нагреется всего на 6 °C. Для 10 А — уже 2,5 Вт при холодном кристалле и почти вдвое больше при горячем, а без радиатора при 62 °C/Вт это перегрев. Нужное тепловое сопротивление радиатора считает калькулятор.

Источники

  1. International Rectifier (Infineon). IRLZ44NPbF HEXFET Power MOSFET (PD-94831) — VDS, RDS(on) при 5 и 4 В, пороговое напряжение, VGS max, заряд затвора, тепловые сопротивления
  2. Vishay. Si2302DDS N-Channel 20 V (D-S) MOSFET (Document Number 63653) — RDS(on) при 4,5 и 2,5 В, пороговое напряжение, VGS max
  3. Microchip. 3V Tips 'n Tricks (DS41285A) — TIP #19: выбор N-канального MOSFET для управления от 3,3 В
  4. Advanced Power Technology (Microchip). APT0103: Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Data Sheets, 2001 — ток затвора IG = Qg / ts и IG = VDR / RG, расчёт на полный заряд Qg
  5. Infineon. MOSFET Power Losses Calculation Using the Data-Sheet Parameters, Application Note V 1.1, 2006 — потери проводимости и переключения по параметрам даташита
  6. Microchip. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P Data Sheet (DS40002061B) — разд. 29.1: предельный ток вывода 40 мА

Нашли ошибку?

Смотрите также