Інжиніринг, обчислювальна техніка та дизайн
У попередньому дописі ми бачили, як використовувати транзистор BJT як електрично керований перемикач для живлення навантажень на рівнях напруги та інтенсивності набагато вищих, ніж ті, які ми могли б забезпечити цифровими виходами або ШІМ-виходами Arduino.
У цій публікації подивіться, як досягти такої ж поведінки за допомогою транзистора MOSFET. MOSFET мають переваги в деяких аспектах порівняно з BJT, але, що стосується нас у цій публікації, найбільшою перевагою є те, що дозволяють нам обробляти великі навантаження.
Тим не менше Транзистори MOSFET також мають свої мінуси та особливості, які ми побачимо пізніше. Таким чином, ми дізнаємось, коли зручно використовувати транзистор BJT, транзистор MOSFET, або навіть їх комбінацію.
Під час цього допису ми будемо постійно згадувати транзистори BJT та їх роботу, що ми будемо брати за основу для пояснення транзисторів MOSFET. Отже, якщо ви ще не знайомі з його роботою, настав час переглянути вхідні дані транзисторів BJT.
Транзистор MOSFET - це електронний пристрій, який широко використовується в сучасній електроніці. Наприклад, це головний компонент більшості процесорів, де в кожному інтегрованому є мільйони транзисторів.
MOSFET-транзистори є підсімейством сімейства транзисторів FET (польовий транзистор). Існує багато інших підсімейств транзисторів, таких як JFET (транзистор з приєднаним польовим ефектом), CMOS і TFT.
Як і транзистори BJT, транзистори FET корисні в багатьох додатках. Одними з основних є виступати в ролі підсилювача і діяти як електрично керований вимикач. У цій публікації нас цікавить ця остання функція транзистора.
Ще одна схожість з транзисторами BJT полягає в тому, що існує безліч моделей транзисторів FET, кожна з яких має свої особливості. Вони також представлені у великій різноманітності інтегрованих, тому неможливо на перший погляд розрізнити характеристики транзистора, щоб отримати інформацію про його характеристики.
Як транзистори BJT транзистор FET має три клеми, хоча їх імена відрізняються від тих, які ми знаходимо в транзисторах BJT.
- Ворота, подібний до бази BJT
- Джерело, подібний до емітента BJT
- Злити, подібний до колектора BJT
Також схожий на транзистори BJT Транзистори FET мають 3 режими роботи, хоча активна зона BJT замінена лінійною або омічною зоною. (І це не тільки проста зміна назви, насправді обидві зони мають дуже різні операції)
- суд, транзистор поводиться як розімкнута ланцюг між джерелом та стоком
- Насиченість, поводиться як короткий проміжок між джерелом та стоком
- Лінійна зона, поводиться як резистор зі змінним значенням
І подібно до випадку з транзисторами BJT, для включення навантаження ми зацікавлені в тому, щоб функціонувати поле транзистора як електричний перемикач, для якого ми будемо використовувати режими в режимах зрізу та насичення, уникаючи лінійної зони.
Однак транзистори FET мають важливі відмінності від транзисторів BJT. По-перше, його функціонування базується не на об’єднанні напівпровідникових матеріалів, а у створенні каналу каналу між джерелом та каналізацією в межах одного напівпровідникового матеріалу. Ширина цього каналу контролюється терміналом Gate.
Інша важлива відмінність полягає в тому, що стан транзистора FET контролюється напругою, що подається на затвор, на відміну від BJT, стан яких залежав від струму, що протікає через базу. Тому, Польові транзистори є пристроями, що контролюють напругу, тоді як BJT є пристроями, що контролюються струмом.
Ще одна велика перевага - це в режимі насичення транзистори MOSFET поводяться як опір дуже малого значення, тоді як транзистори BJT завжди накладали падіння напруги. Це дозволяє транзисторам MOSFET витримувати величезні навантаження з невеликим розсіюванням потужності.
Існує більше відмінностей між обома пристроями, які, хоча вони безпосередньо не впливають на цей запис, зручні для перегляду.
MOSFET - це набагато симетричніші пристрої, ніж BJT (поведінка від Drain до Source і навпаки схожа). Крім того, вони мають високий імпеданс від затвора (порядку 100 МОм), що є великою перевагою при їх комбінуванні для формування цифрових схем.
Загалом, час переключення швидший, ніж BJT. Вони також генерують менше шуму і менш чутливі до температури.
Нарешті, транзистори MOSFET простіші у виготовленні, крім того, що вони можуть імітувати поведінку опору з ними. Це робить їх чудовими кандидатами для навчання чіпів та процесорів.
Якщо згадати вхідні дані транзисторів BJT, транзистор BJT поводиться як лінійний підсилювач сили струму в основі (Ib) та інтенсивності колектора (Ic), з певним коефіцієнтом hFE, що породжує ряд моделей та розрахунків.
У випадку MOSFET, струм через сток (Id) має квадратичну залежність від напруги між затвором та джерелом (Vgs). Враховуючи цю квадратичну залежність, ми рекомендуємо замість того, щоб представляти математичну модель зверніться до графіків таблиці даних для визначення робочої точки транзистора.
Однак, щоб мати можливість використовувати і, перш за все, мати можливість правильно вибрати модель транзистора для нашої збірки, ми повинні розуміти два аспекти роботи транзисторів.
З одного боку, транзистор MOSFET поводиться як змінний резистор між стоком і джерелом. У лінійній зоні значення опору залежить від напруги Vgs. Мимо точки насичення опір Rds різко зменшується (при цьому значенні Rds в насиченні його часто називають Rdson)
З іншого боку, затвор транзистора поводиться як конденсатор. Тобто транзистору потрібно поглинути певну кількість електричного заряду (еквівалентно інтенсивності протягом певного часу), щоб змінити свій робочий режим.
Коротше кажучи, для насичення MOSFET нам знадобляться дві речі
- Перевищення порогу напруги на затворі (Vgs)
- Забезпечте достатнє навантаження для насичення MOSFET-транзистора
Ці два факти мають фундаментальне значення для розуміння роботи MOSFET і для того, щоб мати можливість вибрати відповідну модель для нашої збірки, і коли переважно використовувати транзистор BJT.
Іншим фундаментальним аспектом для проектування схем з MOSFET є підтримувана ним потужність, оскільки транзистор повинен мати можливість розсіювати цю енергію, не пошкоджуючись.
Потужність, що підтримується MOSFET, - це його опір, помножений на квадрат струму, що проходить через нього.
Кількісно для кожного з напрямків роботи можливо
- У зоні зрізу Rds визначається Vgs, але Ics дорівнює нулю, тому потужність, що розсіюється, дорівнює нулю
- У зоні насичення Ідентифікатори великі, але Рдсон дуже малий, тому потужність, що розсіюється, дуже мала
- У лінійній зоні Ідентифікатори можуть бути великими, а Rds - "не малим", тому потужність, що розсіюється, може бути великою
Тому, транзистор з МОП-транзистором повинен протистояти дійсно великій потужності в лінійній зоні, особливо, коли ми наближаємось до точки насичення. Після насичення MOSFET здатний витримувати високу інтенсивність, з невеликим розсіюванням енергії.
Тому, якщо ми хочемо використовувати MOSFET як комутатор ми уникнемо лінійної зони оскільки в цій області енергія, що розсіюється, висока, що перетворюється в тепло і підвищення температури, що може пошкодити транзистор.
Ми дійшли до того, як вибрати MOSFET, який належним чином працює з Arduino, і ось тут наші ідилічні стосунки з транзисторами FET стають складними.
Коли ми збираємося вибирати MOSFET, ми можемо вразити великі значення номінального струму (20-60A), які роблять їх набагато кращими, ніж транзистор BJT або пара Дарлінгтона (0,5-4A).
Крім того, хоча дещо дорожчі, ніж BJT, MOSFET все ще є дешевими пристроями. Ми знайдемо всі види цін, оскільки існує безліч моделей з різними характеристиками. Але загалом можна сказати, що звичайний діапазон цін становить від 0,10 до 0,60 євро.
Однак, щоб вибрати MOSFET для Arduino, ми повинні пам’ятати про це Виходи Arduino працюють при номінальній напрузі 5 В (або 3,3 В, залежно від моделі) та надайте максимальний струм 40 мА, що є максимально рекомендованим 20 мА.
Більшість МОП-транзисторів мають напругу Vgs 10В, отже, при напрузі 5 В, що забезпечується Arduino, максимальна інтенсивність, яку може забезпечити MOSFET набагато менше його номінальної інтенсивності. Навіть на деяких транзисторних моделях може бути недостатньо для насичення МОП-транзистора. Ця ситуація логічно ще гірша у випадку з моделями Arduino на 3,3 В.
Більше того, навіть якщо ми приймаємо це значення менше ніж номінальний струм Id, ми повинні пам'ятати це MOSFET повинен поглинути певний заряд змінити стан. З поточним обмеженням виходів Arduino переходи повільніші, і час, який транзистор проводить у лінійній зоні, довший, що означає більшу витрату енергії та опалення.
Є багато моделей MOSFET, але не всі рекомендується використовувати безпосередньо з процесором, таким як Arduino через обмеження напруги та інтенсивності на його виходах.
Типовими моделями MOSFET є IRF520, IRF530 та IRF540, з номінальним значенням струму Id, відповідно, 9,2А, 14А та 28А. Однак при використанні цих транзисторів з Arduino та Vgs 5V значення Id падають до 1A, 2A та 11A.
З іншого боку, серії N, IRF520n, IRF530n та IRF540n, з номінальним струмом Id 9,7A, 17A та 33A, при безпосередньому підключенні до Arduino та напрузі Vgs 5V значення Id падають до 3A, 11A і 12А, кращий за попередні, але далеко не вражаючий.
Для вирішення цієї проблеми існує спеціальний тип MOSFET-конденсаторів, який називається транзистори логічного рівня (логічний рівень), спеціально розроблений для перемикання на типові низькі напруги в TTL. До мінусів, ціна дещо перевищує звичайні МОП-транзистори.
Таким чином, серія логічних транзисторів IRL520, IRL530 та IRL540 без проблем насичує при 5 В, забезпечуючи Id, відповідно, 9,2 А, 15 А і 28 А.
Але це не єдині доступні логічні транзистори MOSFET. Серед багатьох моделей ми знаходимо IRLZ44, який забезпечує ідентифікатор 50A, або IRLB3034PbF, який забезпечує жорстокий ідентифікатор 190A
Подібно транзисторам BJT, які входили до двох підсімейств, що називаються NPN і PNP, є два варіанти транзисторів FET. називається Канал N і Канал Р.
Робота обох варіантів аналогічна, але визначає положення в збірці.
Два резистори, які використовуються в збірці, необхідні для правильної роботи системи, і вони виконують різні функції.
З одного боку, Rg, опір у затворі, служить для обмеження струму, який "вимагає" затвор. Більш високі значення означають меншу інтенсивність, а отже, і нижче споживання в Arduino. На відміну від цього, зменшення значення опору сприяє швидшим переходам, тому транзистор витрачає менше часу в лінійній зоні і менше нагрівається під час перемикання. Звичайні значення - від 470 до 4k7.
З іншого боку, Rs просто встановлює транзистор у відомий стан (GND), коли контакт знаходиться у невизначеному стані (високий опір), наприклад під час запуску програми, що може призвести до включення та вимкнення MOSFET. Високого значення опору, від 100K до 1M, достатньо для заземлення воріт.
Точно так само, як і з транзисторами BJT, у випадку використання MOSFET для живлення індуктивних навантажень (двигунів, котушок, електромагнітів) ми повинні додати захисний пристрій, який називається Flyback-діодом.
Цей діод забезпечує шлях мінімального опору, що дозволяє розсіювати індуковані струми, що створюються магнітним полем індуктивного навантаження при його відключенні від струму, і це може пошкодити транзистор або Arduino.
Отже, для індуктивних навантажень та вбудованого діода Flyback складання буде таким.
На вході BJT ми побачили, що вони підходять для генерації посиленого ШІМ-сигналу без потреби, крім підключення їх до аналогового виходу Arduino.
Можна подумати, що транзистори MOSFET ще краще генерують ШІМ-виходи, оскільки вони здатні живити більші навантаження, і час їх перемикання набагато швидший, ніж транзистори BJT.
Однак це не так. Зазвичай, Транзистори MOSFET не підходять для генерації ШІМ-сигналів просто підключаючи їх безпосередньо до виходу Arduino, навіть не на моделях транзисторів на логічному рівні.
Це пов'язано з тим, що і напруга, і, перш за все, інтенсивності, яку забезпечує вихід Arduino, недостатньо для швидкого насичення MOSFET. Це змушує транзистор витрачати надмірно багато часу в лінійній області, збільшуючи втрати.
Для вирішення цих обмежень ми можемо:
- Обмежимося невеликими навантаженнями, інтенсивність попиту яких нижча за номінальну
- Подумайте про заміну його парою Дарлінгтон
- Виконайте попередню стадію підсилення потужності за допомогою BJT (див. Нижче)
Ми бачили на вході, що обмеження напруги та струму, накладені виходами Arduino (і взагалі будь-якого процесора чи автомата) змушують нас зменшити навантаження, які ми можемо забезпечити MOSFET, або використовувати логічні транзистори спеціального рівня.
Ця ситуація ще гірша у випадку з ШІМ-виходами, оскільки обмеження струму змушує MOSFET проводити більше часу в лінійній зоні, збільшуючи розсіювану потужність та її температуру.
Одним із способів зняти ці обмеження є використання каскаду попереднього підсилювача між виходом Arduino та MOSFET. Цей етап або драйвер може бути схемою, утвореною простим невеликим BJT (N2222, BC337 або подібним).
Цей каскад отримує вихід від Arduino і забезпечує МОП-транзистор напругою і струмом, необхідними для повного насичення, і з швидкою швидкістю перемикання.
За допомогою цього типу ланцюга використовуйте всі переваги MOSFET, що дозволяє забезпечувати високий струм навіть на ШІМ-виходах. Але, навпаки, це додає вузлів та складності.
Тому немає єдиного рішення, коли BJT, MOSFET безпосередньо або MOSFET з попереднім підсилювачем є більш доречними. Це дизайнерське рішення, яке ви повинні приймати індивідуально для кожної з ваших збірок, відповідно до всього, що ми бачили в цій публікації.