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.