Mosfet driver

Page

Stránky / Softvér / LTspice IV /

Cieľom týchto simulácií je vytvoriť driver, ktorý je možné bezpečne pripojiť ku Arduinu a ktorý môže ovládať veľké prúdy aj napätia. Mal by byť čo najrýchlejší pri spínaní a zbytočne sa nezahrievať.

Najprv trochu objasnenia, čo v simulácii je čo:

  • V2 je zdroj PWM signálu. Predpokladá sa, že toto produkuje Arduino a je to signál amplitúdy 5 V a na približnej frekvencii ako dáva bežne nastavené Arduino, na 500 Hz.
  • V1 je 12 V zdroj. Na ten je pripojená záťaž, ktorú predstavuje rezistor R3.
  • M1 je mosfet. Vybral som taký, aký sa dá bežne kúpiť. IRF530 zvláda až 14 A a 100 V. Gate sa otvára pri 2-4 V. Mosfet v simulácií nie je pripojený cez väčší rezistor medzi gate a GND, v reálnom zapojení by to samozrejme bolo nutné.
  • Simulácia beží 30 ms.
  • R3 je nastavený na niekoľko rôznych hodnôt, aby sme videli, ako si poradí s vyšším prúdom.

Príklad 1 - Priame zapojenie Arduina na gate mosfetu

Najjednoduchšie zapojenie priamo na výstupný pin Arduina. Zdanlivo všetko funguje. Maximálny prúd je síce obmedzený, lebo na gate nie je dostatočne vysoké napätie, ale podľa obrázku sa zdá, že princíp funguje.

Problémom je ale vysoký prúd na rezistore R2. Takýto prúd nie je mikrokontrolér Arduina schopný dodať, pretože prekračuje jeho možnosti asi 10x. Istá smrť pre nášho miláčika.

Príklad 2 - Arduino cez NPN tranzistor spína gate mosfetu

Zapojenia obdobného typu sa nájdu na ľubovoľnej stránke o Arduine. Takto to bude fungovať, jediný drobný problém je, že signál z Arduina je presne naopak s prúdom na rezistore R3. Ale to je pre mikrokontrolér drobnosť a otočením PWM signálu dosiahneme želaný efekt.

To čo na obrázku nie je vidno je to, že pokiaľ spíname párkrát za sekundu, bude sa stačiť gate mosfetu dobíjať a vybíjať, nedosiahneme ale ani náhodou časy uvedené v datasheete. Ak si v simulácii poriadne zväčšíme jednu hranu (v nanosekundách), uvidíme tam krásny oblúčik, čo ale nie je želaný stav, pretože oblúčik znamená, že sa gate nespína dostatočne rýchlo a pomalé spínanie znamená pre nás teplo. Teplo, ktoré nepotrebujeme. Ak môžeme veriť internetu, tak tí, čo majú k dispozícii osciloskop uvidia ešte podivnejšie tvary krivky.

Vysvetlením problému je to, že náš obvod nie je dostatočne rýchly, aby dodal v okamihu dostatok prúdu.

Príklad 3 - Totem pole zapojenie na 5 V

Riešením na predchádzajúci problém je zapojenie totem pole. Toto zapojenie by malo byť alternatívou ku relatívne drahým (0,5-3 USD) integrovaným obvodom, ktoré riešia ten istý problém. Námatkovo som nakukol do obchodu GME a tam vidím obvod UCC37324P za 3,2 EURa, kde podľa schémy je prakticky identické zapojenie. Toto zapojenie stojí pár centov.

Zapojenie už dodáva aj odoberá rýchlo prúd do gate. Problémom ale je, že tranzistor Q1 je zapojený ako emitorový sledovač a preto je na gate iba napätie asi 4,4 V. To na väčšie prúdy na výstupe nestačí. Treba pridať ešte jeden stupeň, ktorý na gate dodá vyššie napätie.

Zapojenie funguje tak, že striedavo otvára NPN a PNP tranzistor. Jedným sa do gate dodáva prúd, druhým sa zase doberá.

Príklad 4 - Totem pole zapojenie na 12 V

Finálne zapojenie je na nasledovnom obrázku. Do obvodu sa pridal ešte jeden tranzistor, ktorý dodá do totemu 10 V a preto nevzniká problém ani ďalej na gate. Zapojenie je rýchlejšie asi 10x v dodávke prúdu a aj po zväčšení na nanosekundy je nábeh hrany pekne strmý.

Poznámky ku praktickým testom

Obvod som aj poskladal, najprv v menšej verzii na skúšobnom poli s mosfetom BS170, neskôr na prototypovej doske aj s mosfetom IRF540, čo je mierne výkonnejšia verzia. V oboch prípadoch to fungovalo nádherne. PWM som dodal z malého obvodu, poskladaného priamo na tento účel, ktorý je na báze ATtiny85.

V oboch prípadoch to poblikávalo pomocou rôznych úrovní PWM signálu niekoľko hodín. V oboch prípadoch boli mosfety úplne studené (pri prúde 100 mA cez malý LED pásik). Nebol potrebný žiaden chladič.


13.06.2016


Menu