A cikk a MOSFET-ek, különösen az IRLZ34N típus működésének alapvető kihívásaira fókuszál, különös tekintettel a gate-feszültség és az áramáteresztő képesség közötti kapcsolatra. A gate-feszültség kulcsszerepet játszik a MOSFET áramvezetési képességében: alacsonyabb feszültségnél az áram jelentősen csökken, és így a teljesítmény is korlátozottá válik. Az írás rávilágít, hogy a tervezett 15 A helyett egy 3.3 V-os vezérlés esetén mindössze 5-7 A érhető el, ami hűtőborda nélküli alkalmazásoknál korlátozott lehetőségeket nyújt. A cikk kitér az impulzusszélesség-moduláció (PWM) fontosságára is, mint hatékony megoldás a hőtermelés csökkentésére és az áram szabályozására, amely lehetővé teszi a MOSFET számára a nagy áramerősség gyors és hatékony ki-bekapcsolását, miközben minimalizálja a hőveszteséget.
Probléma a FET gate-feszültséggel
De nem minden olyan egyszerű, mint amilyennek látszik: nem számoltunk azzal, hogy 3.3 V-os (5 V-os) gate-feszültségünk van… Pedig még az IRLZ34N adatlapja is kitért erre:
Részletesen kicsit hátrébb komplett grafikon is megtalálható:
Ez az egyik legfontosabb grafikon a MOSFET-eknél. A különböző gate-feszültségeknél a jellemzőket tünteti fel. Amolyan 8-in-1 stílusban…
Látható, hogy kis feszültségeknél az IRLZ34N FET-en áthajtható áram messze van a maximálistól. Ez 3.3 V esetén 7 A – a 30 A helyett! Így a 15 A-ről ne is álmodozzunk. Az adatlap alapján 7 A a felső limit…
A grafikon még egy dolgot megmutat: a drain/source közti maradék-feszültség különböző áramok esetén. Például 3 V gate-feszültség esetén (alulról a 2. görbe) 5.5 A a maximum áram, ahol a FET-en eső feszültség (drain-source közt) 1 V esik! Más szóval: 5.5 W hőtermeléssel számolhatunk ekkor az eszközön – ez egész jól managelhető egy egyszerű hűtőbordával…
Még egyszer: 3.3V gate feszültség esetén kisebb áramot tudunk csak kapcsolni, mint a tervezett 15 A. Így nagyobb gate-feszültség esetén jobbak a kilátások. Ekkor felmerül a kérdés, hogy “MOSFET vagy tranzisztor?”.
MOSFET megközelítés: Amint látod, minden gate feszültséghez található olyan áramérték, ami a kapcsolás határa. Ha adott gate feszültség esetén nagyobb áramot szeretnénk kapcsolni – az nem fog sikerülni. A kisebb áram kapcsolásakor úgy viselkedik, mint egy nagyon kis átmeneti ellenállású kapcsoló. A grafikonon a határ-áramerősség feletti részen áramgenerátorként viselkedik. Ekkor azonban a szabályozás során a drain-source feszültség növekedik! A kommersz IRLZ34N 3.3 V-ról hajtva 5…6 A kapcsolására alkalmas. Természetesen hűtőbordával is illik ellátni ekkor már a FET-et. A grafikonon látható, hogyha borda nélkül akarjuk használni, akkor 2 A körül van a kapcsolható áram maximuma.
Tranzisztor megközelítés: na, ez csak a következő lecke témája lesz…
FET alapú kapcsolóelem
És mi van, ha szabályozni szeretnénk az áramot? Például valamilyen fokozatos módon, nem pedig egyszerű ki/bekapcsolóként? Az első ötlet, hogy kisebb gate feszültséggel valamelyest lehet szabályozni – de ez nem lineáris. Sőt, súlyosbító körülmény, hogy 1-2 V alatt a FET zárt állapotban van. Meg úgy általában is: az ok a fokozott hőtermelés – mint mindig.
De nézzük a kapcsolást reprezentáló ábrát:
A lerajzolt mintaalkalmazásban egy 12W-os (12V, 1A áramfelvételű) lámpát kapcsolunk valamint a lámpánk fényerejét változtatni próbáljuk a MOSFET segítségével. Első megközelítésként az izzólámpa ellenállását állandónak tekintjük, így a fele áram áthaladásához a feszültség is feleekkora kell legyen (lsd. Ohm-törvény). Itt ekkor ez 6V feszültséget jelent.
Feltételezzük, hogy a gate feszültséget szabályozva elérhető hogy a drain-source feszültségesés 6V legyen. Ha ez sikerül, akkor a lámpa dimmelése el is készült: tudjuk a fényerőt szabályozni! De mondhatjuk másként is: a FET úgy viselkedik, mintha egy 12 ohmos ellenállás lenne a drain és a source közt.
Ebben a szabályzásban így mind a lámpán, mind a FET-en 6V feszültség esik.
És mi van a hőtermeléssel? Hát, igen. A MOSFET-en 6V feszültség esik és 0.5A áram folyik át. Így 6V x 0.5A = 3W hőt ad le.
Teljesen a számok bűvöletében élve: amikor a teljes fényerővel világítunk, akkor <0.1 W hő keletkezik a FET-en (nézd meg a grafikont!). Ám, ha így dimmeljük a fényt, akkor bizony kell a MOSFET-re a hűtőborda.
Azért gondoljuk csak végig a szabályozást: a 12V adott volt. A kisebb feszültség jobb lett volna a kisebb fényerőhöz – így kénytelenek vagyunk a felesleget elfűteni. Mind a MOSFET, mind a tranzisztor esetén csak így tudjuk megoldani a feszültségszabályozást.
Van más lehetőségünk? Igen, szerencsére van.
Ez az impulzusszélesség moduláció, ismertebb néven: PWM. Ahelyett, hogy a fölös energiát elfűtjük, inkább a lámpát kapcsolgassuk gyorsan ki- és be. Így egy pulzálást hozunk létre a lámpán, mely igen gyorsan történik. A belső izzószál így melegszik, majd hűl – ezért nem teljes fényerővel fog világítani.
Miért jó nekünk a PWM? Erre néhány ok:
Nem kell szabályzott analóg feszültséget előállítani, egyszerű digitális ki/bekapcsolásokat végzünk csak. A MOSFET így újra egyszerű kapcsolóvá válik, és megmarad a nagy előnye: nem kell rá hűtőborda.
Nem gyártunk egy csomó hulladékhőt, szinte minden a világításra fordítódik. Csak rövid és gyors impulzusokkal operálunk. A PWM nem csak izzólámpára jó, hanem számos eszköz vezérlését megoldhatjuk vele. Például egy DC-motor esetén a sebessége válik szabályozhatóvá.
A korábbi PWM leírás nagy segítség a megértésében. A MOSFET nagy áramok ki/bekapcsolására alkalmas és a PWM technikával sikerült szabályzókörbe helyezni.
Mi a trükk? A PWM esetén a teljesen nyitott állaptú MOSFET-en szinte nincs feszültségesés (3.3 V @ 7A). Zártan meg nincs átfolyó áram. Hűtőborda nem kell és így egy gyors kapcsolónak használjuk.
Egyszerű elektronika – Tartalomjegyzék
- Egyszerű elektronika – Kezdőlap
- Energia
- Elem
- 3.3V vagy 5V
- Ellenállás
- Kondenzátor
- Kondenzátor, kapacitás és szuperkapacitás
- Dióda
- LED – Fénykibocsátó Dióda
- Tranzisztor I.
- Tranzisztor II.
- Tranzisztor alkalmazások I.
- Tranzisztor alkalmazások II.
- Tranzisztor alkalmazások III.
- MOSFET I. rész
- MOSFET II. rész
- Felhúzó-ellenállás
- DHT11, DHT22 hőmérséklet- és páraszenzor
