Mikrokontrolery - Jak zacząć?

... czyli zbiór praktycznej wiedzy dot. mikrokontrolerów.

wtorek, 22 marca 2011

Tranzystor MOSFET: Wiedza tajemna


Autor: Dondu

Tranzystory MOSFET są dla mikrokontrolerów, tym czym woda dla fauny i flory. Mają super możliwości, ale trzeba je rozumieć, bo kąsać potrafią okrutnie!

Często niestety zdarza się, że stosowane są bez zachowania należytej staranności, co pokutuje uszkodzeniami urządzeń, z bliżej nieokreślonych i trudnych do wykrycia powodów. Wiedza ta jest tak prosta, a jednocześnie tak tajemna, że ... postanowiliśmy się nią podzielić :-)



1. Bramka MOSFET'a bez wymuszonej polaryzacji

MOSFET: Rezystor polaryzujący bramkę (rozładowanie bramki).
Rys. Rezystor polaryzujący
bramkę (rozładowanie bramki).
SeerKaza
Ja nie wiem po co te rezystory??

beznazwy
Ale po co pogłębiać dzielnik wpinając równolegle z RGS rezystor R2? No nie ma po co.


Tranzystor MOSFET sterujemy napięciem na bramce, a nie prądem bazy jak to jest w przypadku tranzystorów bipolarnych (npn i pnp). MOSFET zaczyna się otwierać wtedy, gdy poziom napięcia na bramce względem źródła (UGS) wzrośnie powyżej progu określanego parametrem UGS(th). Następuje to w momencie zgromadzenia się na bramce MOSFET'a odpowiedniego ładunku (dodajmy, że bardzo niewielkiego).

Problem leży w tym, że:
  • ładunek utrzymuje się na bramce MOSFETA (nawet po wyłączeniu urządzenia!), aż nastąpi jego rozładowanie wymuszone przez nas lub samoistne z powodu upływności (bardzo długi czas),
  • ładunek może pojawić się na bramce z powodu zewnętrznych zjawisk elektrostatycznych (np. zbliżenie ręki ubranej w naładowany sweter), czy działanie urządzenia w zmiennym polu elektromagnetycznym.

Pozostawienie bramki MOSFET'a bez wymuszonej polaryzacji zamykającej tranzystor, może w niesprzyjających warunkach skutkować, niekontrolowanym włączeniem tranzystora, co może doprowadzić do uszkodzeń wielu elementów danego urządzenia (w zależności od jego konstrukcji).


Poniżej filmik pokazujący dlaczego jest to tak istotne:




Jak wymuszać polaryzację? 

To proste, wystarczy jeden rezystor pull-x:
  • pull-down dla MOSFET'a typu N,
  • pull-up dla MOSFET'a typu P.

Rys. Rezystory wymuszające zatkanie tranzystorów w przypadku braku sygnału sterującego.
Rys. Rezystory wymuszające zatkanie tranzystorów w przypadku braku sygnału sterującego.

Co to jest LOAD wytłumaczyłem tutaj: Datasheet: LOAD

Jak to działa?

MOSFET jest zatkany, gdy jego bramka ma ten sam potencjał co źródło. Jeżeli więc na wejściach sterujących nie ma żadnego sygnały (jest ustawiona wysoka impedancja), to rezystory R2 ustalają ten sam poziom napięcia na bramce, jaki występuje na źródle danego tranzystora. W przypadku MOSFET-N będzie to potencjał masy (0V), w przypadku MOSFET-P, będzie to potencjał Vcc.



Jakie wartości rezystora?

Niestety na to pytanie nie jest łatwo odpowiedzieć, ponieważ zależy to tylko i wyłącznie od układu w jakim pracuje tranzystor MOSFET. W ciemno możesz dawać rezystory z przedziału 47k - 100k.

Jeżeli chcesz użyć mniejszy rezystor powinieneś się zastanowić, jaki wpływ będzie miał na sygnał sterujący bramką MOSFET'a.



Gdzie umieszczać rezystory pull-x na PCB?

Jeżeli jest to możliwe, to jak najbliżej nóżek tranzystora, co w zależności od zastosowanej obudowy, może być bardzo proste lub nieco trudniejsze. Jeżeli jednak nie masz takiej możliwości, nic wielkiego się nie stanie, gdy będą one w zupełnie innym miejscu.



Przykład krytycznego układu dwóch MOSFET-ów.
Rys. Half Bridge - przykład
krytycznego układu dwóch
MOSFET-ów.
Kiedy bezwzględnie stosować rezystory pull-x?

Na pewno:
  • gdy niekontrolowane włączenie urządzenia sterowanego przez MOSFET, może Ciebie drogo kosztować,
  • w krytycznych układach tak jak na rysunku po prawej, gdzie niekontrolowane włączenie MOSFET-a (-ów), może doprowadzić do zwarcia,
  • w prototypach, gdzie możesz popełnić błąd w programie i dopuścić do sytuacji, w której bramka MOSFET'a jest niekontrolowana (stan wysokiej impedancji na pinie mikrokontrolera),
  • w urządzeniach produkowanych seryjnie, by nie mieć problemów awarii.


Kiedy można odpuścić dodawanie rezystora pull-x?

Jak we wszystkim, także i tutaj można zastosować kompromis i nie dawać rezystora w przypadkach, w których ewentualne samo-włączenie MOSFET'a nie spowoduje, żadnych szkód. Wymyślając na szybko przykłady, można pomyśleć o przypadkach, gdy MOSFET włącza:
  • oświetlenie (najwyżej będzie świecić pomimo, iż nie powinno),
  • ... masz jakiś inny przypadek - napisz komentarz,
  • ... itp.


Czy warto ryzykować?

Rezystor kosztuje  4 grosze (cena brutto 2012r.). Jego dodanie chroni tranzystor MOSFET i/lub elementy sterowane przez niego, a których wartość może być liczona w dziesiątkach lub setkach złotych.

Czy warto ryzykować i nie dawać rezystora za 0,04zł?
Decyzja jest w Twoich rękach :-)





Ciąg dalszy nastąpi ...
Oceń artykuł.
Wasze opinie są dla nas ważne, gdyż pozwalają dopracować poszczególne artykuły.
Pozdrawiamy, Autorzy
Ten artykuł oceniam na:

15 komentarzy:

  1. Rezystory można też odpuścić, jeśli używa się dedykowanych driverów do mosfetów.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Bzdura do kwadratu...;]

      Usuń
  2. do rezystora podpinamy to samo zasilanie co do atmegi, a do mosfeta już nasz wyzszy prąd np. 20v?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Trochę słabo mi się robi, jak czytam: "wyższy prąd np. 20V" na stronie poświęconej elektronice. Może na stronie o hodowli motyli owszem, ale tu?

      Usuń
    2. Oj, pomylił się Kuba, ale to ma do tego prawo - jest mega początkującym :-)
      ... a może wpływ miał 1 kwietnia kiedy pisał swój post :D :D :D

      Usuń
  3. Świetny artykuł. Dziękuję! Sporo mi rozjaśnił i bardzo pomógł :)

    OdpowiedzUsuń
  4. Witam
    Dobry artykuł, wiele wyjaśnia. Mam jedno pytanie. Steruję tranzystorem MOSFET wyprostowanym jednopołówkowo prądem z gniazda, za pomocą mikrokontrolera i tranzystora bipolarnego. Biopolar jest zasilany napięciem 9V. Czy mogę podłączyć zerowanie MOSFETA do tego 7V, czy muszę do 230V ?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Masz na myśli MOSFET typu P? Pokaż może schemat.

      Usuń
  5. Dla stabilengo działania układu napięcie sieciowe powinno być odseparowane galwanicznie.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Nie ma to znaczenia dla omawianego problemu. Nawet jeśli zasilanie będzie bateryjne, problem nadal będzie taki sam.

      Usuń
  6. nie rozumiem przecież podłączając pull-up dla MOSFET'a typu P będziemy mieli ciągle zamknięty MOSFET, wiec chyba coś jest nie tak?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Właśnie o to chodzi :-)
      Czego nie rozumiesz?

      Usuń
    2. Coś mi się namieszało... jeżeli damy 5V na mikrokontrolerze i pull-up 5V to myślałem,że mosfet to czyta jako 0V, najwyrazniej jest to dla niego 10V.

      Dodatkowo wydawalo mi się że jak damy na mikrokontroler 0V to dla MOSFETA dalej bedzie 5V od Vcc, ale najwyrazniej cale 5V odklada się na rezystorze więc MOSFET odczytuje 0, wychodzi na to ze jezeli damy wiekszy rezystor przy μC niz przy Vcc to nie bedziemy w stanie wlaczyc mosfeta, teraz chyba dobrze rozumuje? :)

      Usuń
  7. Został pominięty jeszcze jeden bardzo istotny powód aby ZAWSZE stosować rezystory polaryzujące bramkę, mianowicie:
    nowe procki wyjęte z pudełka nie mają jeszcze w sobie żadnego softu, i na ich pinach będą panować stany domyślne, czyli te, co w resecie, i od procka zalezy, czy to będzie HiZ, czy PU.
    Zanim zdążymy zaprogramować procesor, mosfety mogą już odparować, bo bramka będzie w stanie HiZ (więc tranzystor będzie włączony, lub nie), albo w stanie 1 (przez obecność PU) - więc tranzystor również włączony. Dramat się dzieje wtedy, gdy ten tranzystor jest np. kluczem w przetwornicy impulsowej...
    To samo sie dotyczy driverów - to jest bzdura że można pominąć jakiekolwiek rezystory. Jak jest driver, to trzeba spolaryzować i bramkę tranzystora, I KONIECZNIE RÓWNIEŻ samo wejście drivera - ono ma wielką impedancję (CMOS) i nie może wisieć w powietrzu jak procesor jest w resecie lub niezaprogramowany. A bramkę polaryzować na przypadek, gdy driver jest uszkodzony lub niedolutowany lub ma wyłączone zasilanie (energooszczędność)...

    OdpowiedzUsuń
  8. Dondu niestety manipuluje wypowiedzią z elektrody, cytując:
    "beznazwy
    Ale po co pogłębiać dzielnik wpinając równolegle z RGS rezystor R2? No nie ma po co."

    Po kliknięciu odnośnika i przeczytaniu wątku na forum elektroda staje się jasne, że autor tego posta nie miał wcale na myśli pozbywania się rezystora podciągającego, tylko chodziło mu o nietworzenie dzielnika napięcia od strony sygnału wejściowego, czego użytkownik Dondu nie potrafił zrozumieć myśląc, że w ten sposób bramka nie będzie podciągnięta.
    Cytując:
    "Wyobraź sobie co się stanie jeżeli pin mikrokontrolera sterujący MOSFET'em przez R1, będzie ustawiony w stan wysokiej impedancji np. w czasie resetu?"
    Na co dostał wyjaśniającą odpowiedź:
    "Ot, jeśli to HIZ, to rezystory R1, R2 ściągną potencjał bramki do masy."

    Niby to wszystko było dawno temu, ale rażą mnie takie nadużycia, tym bardziej jeśli osoba nadużywająca nie miała racji ;)

    OdpowiedzUsuń

Działy
Działy dodatkowe
Inne
O blogu




Dzisiaj
--> za darmo!!! <--
1. USBasp
2. microBOARD M8


Napisz artykuł
--> i wygraj nagrodę. <--


Co nowego na blogu?
Śledź naszego Facebook-a



Co nowego na blogu?
Śledź nas na Google+

/* 20140911 Wyłączona prawa kolumna */
  • 00

    dni

  • 00

    godzin

  • :
  • 00

    minut

  • :
  • 00

    sekund

Nie czekaj do ostatniego dnia!
Jakość opisu projektu także jest istotna (pkt 9.2 regulaminu).

Sponsorzy:

Zapamiętaj ten artykuł w moim prywatnym spisie treści.