Difference between revisions of "MOSFET's en de brugschakeling in meer detail"

Latest revision as of 20:47, 24 February 2018

Hieronder staat een uitwerking van de MOSFET brugschakeling die gebruikt kan worden als bi-directionele motordriver.

MOSFET brugschakeling met onderdelen en weerstandswaarden

Bij het project over het aansturen met meer power is de kern van deze schakeling al vrij uitgebreid besproken. Hier is gekozen voor een aantal specifieke componenten. De twee N-channel MOSFET's (onderin, IRFZ40) zijn logic level MOSFET's. Dit betekent dat ze geschikt zijn om te gebruiken met logic level spanningen: spanningen tot 5 Volt. In de datasheet van deze MOSFET staan onder andere de volgende gegevens:

   Gate-Source Threshold Voltage: 2 to 4 Volt
   Continuous Drain Current: 50 A (bij 25°C), 36 A (bij 100°C)
   VDS: 60 Volt
   VGS: +20 Volt
   RDS(on): 0.03 Ω
   Max Junction Temp: 175 °C
   RθJA: 62 °C/W

Daarnaast zijn er vele andere details over de eigenschappen van de chip, waaronder grafieken die aangeven hoe deze eigenschappen veranderen met de temperatuur. Voor hier volstaan we met bovenstaand lijstje. De Gate-Source Threshold Voltage wijst op de spanning die nodig is tussen Gate en Source om de MOSFET in de doorlaatstand te zetten. Is die spanning lager dan de threshold, dan zal de MOSFET blokkeren, daarboven zal hij doorlaten. Een veilige spanning is dus 4 Volt waarmee deze inderdaad voldoet aan de eisen voor logic level MOSFET. De tweede parameter waar we naar kijken is de Continuous Drain Current. Deze geeft aan hoeveel stroom de MOSFET continu mag leveren. De hier opgegeven waarde van 50 Ampere is natuurlijk formidabel: zelfs bij 12 Volt is deze MOSFET geschikt om een vermogen van 600 Watt te besturen. Merk wel op dat deze waarde afneemt als de MOSFET het zwaarder krigt en heter wordt (36 A bij 100°C). De derde parameter betreft de maximale spanning die bij deze MOSFET gebruikt mag worden. Deze spanning staat tussen Drain en Source en V_DS blijkt 60 Volt te zijn. Als deze waarden goed zijn kun je nog kijken naar de maximale spanning tussen Gate en Source: V_GS om te zien of dat bij jouw specifieke toepassing past. Deze blijkt 20 Volt te zijn. Aannemende dat de Source aan de nul hangt, mag de Gate dus nooit meer dan 20 Volt voeren. Je mag de Gate dus niet aan voedingsspanning hangen als die hoger is dan 20 Volt. In de meeste gevallen zal dat echter geen probleem zijn.

De volgende drie parameters hebben te maken met het energieverbruik en het opwarmen van de MOSFET. De parameter R_DS(on) geeft aan hoe groot de weerstand is van de MOSFET tussen Drain en Source als hij aan staat (dus volledig geleidend is). Deze blijkt slechts 0.03 Ω te zijn. Doordat deze weerstand zo laag is, zal de MOSFET niet veel opwarmen. Als er I ampere door de MOSFET loopt, is de energie die wordt geproduceerd gelijk aan:

   P = RDS(on) * I2

Bij een stroom van 5 Ampere komen we dan op een energie van 0.03*25 = 0.75 Watt. Dit loopt snel op met de stroom: bij 10 Ampere is het namelijk al 3 Watt. Dit is belangrijk omdat de MOSFET niet te heet mag worden: de Max Junction Temperature is 175 °C. Dat is natuurlijk best hoog, maar met meer vermogen kan zo'n klein ding snel heter worden. Daarvoor hebben we dan de laatste parameter nodig: R_θJA. Deze is 62 °C/W. Dat betekent dat de kale chip, zonder koeling, 62 °C zal opwarmen per Watt die de MOSFET gebruikt. Als dat 0.75 Watt is, zal de MOSFET dus 0.75*62 = 46,5°C opwarmen (ongeveer - neem dit soort getallen altijd met een ruime marge). Geen probleem, zelfs niet als het in de omgeving 40°C is, en zelfs bij 80°C in een sauna zal het ding probleemloos moeten werken. Maar bij 10 Ampere is het verbruik 3 Watt en komt de opwarming uit op 3*62 = 186°C. Dit is op zich al te hoog, maar je moet daar ook de omgevingstemperatuur nog bij optellen. Dan kom je al snel uit boven de 200°C: zonder extra koeling gaat je MOSFET kapot! Bij nog grotere stromen moet je dus een behoorlijk koellichaam gebruiken om de MOSFET te koelen. Uiteraard is het verstandig om ruim buiten de maximale waarden te blijven. Een van de dingen die bijvoorbeeld zouden kunnen gebeuren is dat de R_DS(on) hoger wordt als de temperatuur stijgt. De weerstand neemt dan toe als de MOSFET heter wordt, waardoor hij meer energie gaat gebruiken en hij sneller zal opwarmen dan dat je hebt berekend.

Kijken we nu naar de datasheet van de P-channel MOSFET IRF9Z30, dan vinden we het volgende:

   Gate-Source Threshold Voltage: -2 to -4 Volt
   Continuous Drain Current: -18 A (bij 25°C), -11 A (bij 100°C)
   VDS: -50 Volt
   VGS: +20 Volt
   RDS(on): 0.14 Ω  (een stuk hoger!!)
   Max Junction Temp: 150 °C
   RθJA: 80 °C/W

Ten eerste valt op dat de genoemde spanningen hier negatief zijn. Dat heeft alleen te maken met het feit dat de Source aan de plus hangt en Gate en Drain dus aan lagere spanningen zitten dan de Source. In elk geval moet de spanning op de gate hoger worden van V_CC-2 Volt om de MOSFET in blokkering te krijgen en lager van V_CC-4 Volt om hem aan te zetten. Nog lager is beter, maar ga in elk geval niet lager dan V_CC-20 Volt omdat de MOSFET anders kapot gaat (V_GS is maximaal +20 Volt). Ook de maximale stroom die deze MOSFET's mogen hebben is een heel stuk lager dan de vorige. Dit heeft zonder twijfel te maken met de temperatuur-eigenschappen en dan vooral de relatief hoge D-S weerstand: R_DS(on) = 0.14 Ω. Daardoor produceert deze MOSFET meer warmte bij dezelfde stroom en die warmte wordt niet navenant sneller afgevoerd. Daar komt bij dat hij minder hitte kan hebben: tot max 150°C. Hij wordt dus sneller te heet en kan daardoor minder stroom aan.

Het zal duidelijk zijn dat de P-cahnnel MOSFET in bovengenoemde schakeling eerder een probleem vormt dan de N-channel MOSFET. Als jouw specifieke toepassing tegen de grenzen aanloopt van deze MOSFET, kun je proberen om een betere alternatieven te vinden en dan in de eerste plaats voor de P-channel MOSFET. Je komt dan bijvoorbeeld de FQP27P06 tegen. Deze heeft de volgende parameters:

   Gate-Source Threshold Voltage: -2 to -4 Volt
   Continuous Drain Current: -27 A (bij 25°C), -19.1 A (bij 100°C)
   VDS: -60 Volt
   VGS: +25 Volt
   RDS(on): 0.07 Ω
   Max Junction Temp: 175 °C
   RθJA: 62.5 °C/W

Deze past wat beter bij de IRFZ40 dan de in het schema gebruikte IRF9Z30 zodat je, met de juiste koeling, tot wel 20 Ampere kunt regelen.

In theorie kun je bovenstaande schakeling ook gebruiken voor het aansturen van bi-directionele stappenmotoren. In dat geval heb je meestal te maken met (minimaal) twee groepen van spoelen en heb je dus twee volledige brug-schakelingen nodig. Bovenstaande schakeling is pas echt nuttig voor echt zware toepasingen. Voor minder zware toepassingen zijn er chips te koop met kant-en-klare brugschakelingen, geschikt voor een redelijk vermogen. Dit soort chips hebben vaak twee brugschakelingen aan boord en zijn dan vaak ook bedoeld voor het aansturen van stappenmotoren, maar ze zijn ook zonder meer geschikt voor het aansturen van gewone gelijkstroommotoren.

De L298N beschikt bijvoorbeeld over twee volledige H-bruggen en is geschikt voor (stappen)motoren tot 2A. Als je de beide H-bruggen parallel schakelt kun je er ook een DC motor mee aansturen tot 4A.