Mikrokontrolery - Jak zacząć?

... czyli zbiór praktycznej wiedzy dot. mikrokontrolerów.

środa, 6 kwietnia 2011

TIPS & TRICKS: MOSFET w trybie PWM

Autor: janbernat
Redakcja: Dondu


Tranzystor MOSFET jak wiadomo silny jest i dzielny jest. Potrafi włączyć prąd kilka, a nawet kilkaset amperów (!) i wytrzymuje napięcie kilkadziesiąt - a nawet kilkaset (!) woltów. A tu często przy kilkunastu woltach i kilku amperach, grzeje się, pali - no w ogóle nie działa tak jak chcemy. Jak nim sterować w trybie PWM po bożemu?



MOSFET jest bardzo wrażliwy na sterowanie. Jak jest niedobre, to wcale nie chce pracować. Dlatego z MOSFET-em jest jak z mężem,  Zapytajcie swojej żony jak zmusić silnego i dzielnego męża do roboty? Ano delikatnie, intuicją, sposobem i wiedzą. 

MOSFET na Wikipedia: MOSFET

To sterowanie dotyczy procesorów zasilanych z 5V albo nawet z 3.3V. Ale MOSFET ma włączać odbiornik zasilany z 12V (albo nawet dużo więcej). No bo po co taki dzielny MOSFET miałby pracować na 5V?


No to popatrzmy na schemat. Zaznaczyłem tam największą słabość mosfeta - pojemność bramki (C2). 
Nie podłączoną, ale jednak jest!





MOSFET chciałby, aby ta bramka bardzo szybko się rozładowywała i ładowała. Bo jak na bramce jest jakiś ładunek, to MOSFET trochę przewodzi, a wtedy się grzeje.

Najlepiej gdyby ta pojemność w bramce była pusta, to wtedy nie przewodzi wcale, albo pełna, to wtedy przewodzi i jego oporność kanału jest mała, a mała rezystancja, mało się grzeje.

No ale przy PWM ta bramka (kondensator) stale się ładuje i rozładowuje. Powinna to robić szybko. Albo naładowana, albo rozładowana. No ale nieskończenie szybko to się nie da - to jest świat realny.


Policzmy
No to może popatrzmy - a może policzmy - jak szybko się da naładować i rozładować kondensator będący tak naprawdę pojemnością bramki.

Ano taki IRF540 ma pojemność bramki 1.4nF. A tranzystory BC nim sterujące mają dopuszczalny prąd 800mA. 

Przyjmijmy, że dla naszych zastosowań 500mA. Czyli dobieramy prąd bramki na 500mA. Prąd płynie z napięcia 12V przez Q1 i wypływa z bramki (kondensatora) przez Q2. No i nie może przekroczyć 500mA.

Stąd to opornik R3 powinien mieć 24ohm. Bo więcej tranzystory Q1 i Q2 mogą nie wytrzymać (oczywiście można zastosować inne).

No to teraz popatrzmy na tranzystor Q4, a w zasadzie na opornik R1 w kolektorze. Powinien być on o małej wartości rezystancji - tyle ile tranzystor Q4 wytrzyma. Bo od wartości tego opornika zależy po części szybkość przełączania.


Dobór rezystora R2 w bazie tranzystora jest taki:
  • nie może nadmiernie obciążać wyjścia procesora 
  • musi zapewnić nasycenie tranzystora. 

Załóżmy że:

  • w kolektor tranzystora wstawiamy opornik 120ohm.  
  • wzmocnienie  prądowe tranzystora wynosi 100.

Czyli gdy jest całkiem otwarty to płynie przez niego 100mA.


Prąd bazy musi być znacznie większy niż 1mA (od 3 do 10 razy).
Dla rezystora R2 o wartości 1.2 kohm prąd będzie 4.5mA. Obliczamy wzorem:




gdzie:
Ib - prąd bazy
Ic - prąd kolektora
ß  - współczynnik wzmocnienia tranzystora (beta)

R6 powinien spowodować zwarcie do masy bazy Q4 - może być 100k - to i tak na wszelki wypadek.
C1- bardzo przyspieszy przełączanie. W praktyce stosuje się kondensatory kilkadziesiąt- kilkaset pF.

Zainteresowanych odsyłam do literatury:

Paul E.Gray, Campbell L. Searle
"Podstawy Elektroniki"
PWN 1976, str.706.

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

25 komentarzy:

  1. Na rynku pojawiły się mikrokontrolery zasilane z 1.8V.
    Jeśli diody zasilić z 3.6V (bateria lipo) to pojawia się różnica w zasilaniu.
    Jak sterować takimi diodami? Czy tu także uzasadniony jest MOSFET?

    OdpowiedzUsuń
  2. Mam pytanie skąd się wzięła pojemność bramki 1.4nF w datasheet nie ma 870 pF?

    OdpowiedzUsuń
  3. Faktycznie w dokumentacji nie ma takiej wartości. Niestety autor (janbernat) nie odpowie w najbliższym czasie na to pytanie. Ale z mojej winy, nie została opublikowana nowa wersja artykułu, którą janbernat opracował. Postaram się jak najszybciej nadrobić to półroczne opóźnienie.

    OdpowiedzUsuń
  4. Wracając jeszcze do pojemności bramki. Nie wiem może to jakiś skrót myślowy albo coś do mnie nie dociera (początkujący jestem).

    Jest mowa o pojemności potem wchodzi dopuszczalny prąd tranzystora bipolarnego sterującego mosfetem. Reszta wyliczeń do mnie dociera (prawo Ohma). Jednak jak ma się te 1,4n F czy tam 870 pF do prądu kolektora itp.? Nie widzę tam żadnych zależności z dobieraniem elementów dla pojemności bramki MOSFET-a

    Czy coś "urwało" w tekście?

    OdpowiedzUsuń
  5. Proszę poczekać do niedzieli - opublikuję właściwą wersję tego artykułu.

    OdpowiedzUsuń
  6. I jak z tą nową wersją?

    OdpowiedzUsuń
  7. Anonimowy: wydaje mi się, że tu chodzi o to, jak szybko jest w stanie rozładować się ładunek zgromadzony na bramce, za pomocą określonego prądu, ilustracja hydrauliczna:
    masz zbiornik z wodą (kondensator) o określonej objętości (ładunku) powiedzmy 100l, pytanie: jeśli woda będzie odpływać z prędkością 5l na minutę, to jak szybko opróżni się zbiornik.
    A jest to ważne, ponieważ zależy nam na jak najkrótszym czasie przejścia z nasycenia do odcięcia (tranzystor grzeje się głównie w stanach pośrednich)

    OdpowiedzUsuń
  8. Nowa wersja zaraz po skończeniu cyklu o BLDC.

    OdpowiedzUsuń
  9. Możliwe, że czegoś nie rozumiem, ale baza Q1 powinna być chyba podłączona do emitera Q4 (na rysunku jest podłączona w tym samym miejscu co Q2)?
    Bo jeżeli Q1 i Q2 mają naprzemian ładować i rozładowywać bramkę mosfeta to chyba tylko w taki sposób?
    Jaką rolę pełni dioda D2?

    OdpowiedzUsuń
  10. D2? wydaje mi się że ma zabezpieczyć bramkę przed wyższym napięciem niż 12V.

    OdpowiedzUsuń
  11. Witam
    Użyłem tranzystorów BC807/817 (Ic=500mA), napięcie zasilania drivera 12V, napięcie pracy silnika 12/24V, sterowanie drivera z wyjścia uP no i tranzystory palą się bez przerwy. Rezystor R1 przy 12V chce odparować (to mnie akurat nie dziwi, I = (12 V-0.7 V)/120 Ohm = ~100 mA, P = I*I*R ~1.06 W).

    OdpowiedzUsuń
  12. Kiedy w końcu będzie aktualizacja i dokończenie tego artykułu? bo w chwili obecnej wnosi więcej zamętu niż pożytku.

    Nie jest wyjaśnione (obliczone) jak rozładowanie bramki mosfeta. Słowem nie ma o R4 (w zasadzie po co on skoro jest pull-down R6?
    Wartość C1 też powinna być poparta jakimiś wyliczeniami albo choć podać z czego wynika i kiedy stosować 50pF a kiedy 300pF

    Artykuł wisi od września, czy autor lub prowadzący bloga naprawdę nie znaleźli do tej pory czasu, aby rzetelnie to przygotować?

    OdpowiedzUsuń
  13. Przepraszam, to moja wina, a opóźnienie spowodowane jest pisaniem innych artykułów oraz brakiem czasu. Postaram się zrobić to w pierwszym możliwym terminie.

    OdpowiedzUsuń
  14. Ale trochę prądożerny ten układ jednak. Im większe wypełnienie PWM, tym więcej prądu ucieka przez tranzystor Q4, i to sporo prądu skoro R1 ma być dobrane jak najmniejsze. Nie da się coś na to poradzić?

    OdpowiedzUsuń
  15. Czy dobrze rozumiem, że przy stanie H na pinie atmegi, mosfet jest wyłączony?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Przy stanie wysokim wyjścia IC1, popłynie prąd poprzez opornik R2 i R6, który spowoduje przewodzenie Q4. Rezystor R4 ma na celu zapewne ustalenie punktu pracy Q4. Odetkany Q4 spowoduje odetkanie Q2 i zatkanie Q1 co spowoduje odpływ ładunku z pojemności Mosfeta do masy a tym samym jego wyłączenie.

      Pojawienie się stanu niskiego na IC1 spowoduje zatkanie Q4 co w następnie spowoduje pojawienie się napięcia +12 na bramce Q1, które go odetka a jednocześnie to samo +12V zatka tranzystor Q2, co spowoduje ,że ładunek płynący przez kolektor Q1 i R3 załączy Mosfeta.

      Dioda zenera D2, zabezpiecza bramkę Mosfeta przed przepięciem ze strony zasilania.

      Któryś z kolegów wyżej pisał, że układ jest prądożerny, co jest niestety prawdą. Aby temu zapobiec trzeba do sterowania "dużego" mosfeta zaprząc.. Małe mosfety a nie tranzystory typu BC. Najlepiej jest zaś zastosować driver scalony taki jak np. TC4451, który potrafi wygenerować w bardzo krótkim czasie prąd rzędu 13A przy poborze prądu na poziomie 200uA(w stanie wysokim).

      Gdyby był zrzut ekranu z oscyloskopu, zrobiony na poszczególnych elementach (IC1, Q1,Q2,Q3 i Q4), to przykład byłby jednym z najlepszych w Internecie. Bardzo dziękuję i pozdrawiam autora.

      Usuń
  16. Mam nadzieje, że nowa wersja artykułu wkrótce się ukaże!

    OdpowiedzUsuń
  17. szkoda że tak słabo opisany artykuł... początkujący nie jest w stanie załapać o co chodzi gryby nie powyższy komentarz...

    OdpowiedzUsuń
  18. Czy doczekamy się w końcu dokończenia artykułu ?

    OdpowiedzUsuń
  19. Witam , i co z dalszą częścią artykułu ?????

    OdpowiedzUsuń
  20. Witam

    Jest szansa aby w najbliższej przyszłości pojawiała się aktualizacja artykułu?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Raczej kontynuacja, bo aktualizować nie ma co - tranzystory ostatnio nie przeszły drastycznych zmian :)

      Usuń
    2. Tak to miałem na myśli :)

      Usuń
  21. Dla tych którzy chcą wiedzieć jaką wartość prądu bramki zastosować dla oczekiwanego czasu przełączania podaje zależność czasu przełączania Mosfeta od prądu a w zasadzie rezystancji Rb (bramki): Vtemp=Vgs*(1-e^(-t/Rg*Ciss)), gdzie Vgs to w powyższym schemacie w przybliżeniu napięcie zasilające Q1 czyli 12V, Rg rezystancja bramki dla szukanego prądu, t-czas przełączania mosfeta a Ciss wspomniana na początku pojemność bramki 1.4 nF. Zakładając czas przełączania jako odpowiadający naładowaniu / rozładowaniu bramki do wartości 0,9 Vgs otrzymujemy zależność 0,9=(1-e^(-t/Rg*Ciss)) którą należy przekształcić względem Rg albo jak się komuś nie chce wstawić wzór do excela i wyliczyć dla określonego przedziału wartości t. Szukany prąd to oczywiście Id=Vgs/Rg.
    Dla powyższych wartości wyliczony czas przełączenia wynosi ok 80 nS i jest to wynik zadowalający nawet dla wysokich częstotliwości PWM

    OdpowiedzUsuń
  22. Ten komentarz został usunięty przez autora.

    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.