Меню

Датчик тока из mosfet

Расчет ограничительного резистора на затворе MOSFET

Недавно в сообществе «Рожденный с паяльником» проскальзывала тема про управление полевиком с помощью ШИМ-а. Автору дали много практических советов и ноль теории. Так совпало я недавно интересовался этим вопрос и кое-что нарыл.

Правильное управления любым полевиком — это переключение из полность закрытого в полностью открытое состояние за самое короткое время. Обычный MOSFET нельзя нормально управлять с помощью 3в/5в логики. Он просто до конца не откроется и будет сильно греться. Для решения этой проблемы применяют драйвер. Например IR2117. На eBay просят от $0.99 за две штуки. Второй способ использовать Logic-Level Gate Drive MOSFET. Такие полевики полностью открываются от 3в/5в. Недостаток — высокая емкость затвора. Типичный представитель IRLZ44N. Два раза заказывал на eBay и кажды раз получал подделку. Теперь немного скучной теории.


упрощенная схема включения MOSFET

Скоростные характеристики полевого транзистора определяются тем, насколько быстро меняются напряжения на 3-х конденсаторах у модели. Емкости между затвор-исток Cgs и затвор-сток Cgd зависят от физических размеров кристала. Емкость между сток-исток Cds зависит от паразитной емкости диода. Cgs стабильна в большом диапазоне токов и напряжений. Cgd не линейна и зависит от напряжения между питанием и стоком. Cds тоже не линейна и зависит от напряжения между питанием и затвором.


модель полевого транзистора

Открываем IRLZ44N datasheet на странице 4, график 5 — зависимость напряжения затвора и емкости затвора. Самый интересный параметр — суммарная емкость затвора Ciss = Cgs + Cgd.


зависимость напряжения через затвор от емкости затвора

У ESP8266 цифровые порты выдают 3.3в. При напряжении на затворе (Vgs) 3.2в, его емкость Ciss = 2100pF. Вот так процесс заряда Ciss выглядит на графике:


процесс заряда затвора сферического MOSFET в вакууме

процесс заряда затвора IRLZ44N

Время от нуля до t1 называется turn-on delay, потому что транзистор все еще закрыт. Напряжения Vth называется Gate Threshold Voltage и обязательно указывается в datasheet, смотрите таблицу Electrical Characteristics. Ток через сток (D) начинает линейно увеличиваться до максимума с t1 до t2. За этот время транзистор успевает полностью открыться, напряжение на стоке (D) больше не растет. Но есть нюанс. Дальнейшее увеличение заряда на затворе Qgd, в промежуток времени t2t3, уменьшает внутренне сопротивление перехода сток-исток до паспортного значения Rds(on). Это феномен называют эффектом Миллера.

Ну а теперь как я рассчитываю Rgate. В большинстве случаев при расчете Rgate напряжение на затворе (G) не является главным. Самый важный параметр — это время за которое напряжение на затворе полностью откроет/закроет транзистор. Пусть наш Rgate = 300Ohm и на нем будет падать 0.1в, тогда напряжении на затворе Vgs = 3.2в.

Заряд затвора:
Qiss = Ciss * Vgs = 2100pF * 3.2v = 6.73nC

Скрость нарастания:
S = Rgate * Qiss = 300Ohm * 6.73nC = 0.002mV*sec

Время на открытие или закрытие транзистора:
t=S / Vgs = 0.002mV*sec * 3.2v = 0.63uSec

Период — это открытие + закрытие:
T = t + t = ;0.63uSec + 0.63uSec = 1.26uSec

Источник

Мощные MOSFET-транзисторы с датчиком тока

MOSFET ключи Philips Semiconductors, произведенные по технологии TrenchMOS, представляют собой матрицу из нескольких тысяч полевых транзисторов с изолированным затвором, размещенных на одном кристалле, каналы которых соединены параллельно. Так как элементы матрицы идентичны, ток, а значит и выделяемая тепловая энергия, равномерно распределяются по всему кристаллу. Параллельное соединение позволяет значительно уменьшить сопротивление открытого канала.

Кроме того, такая конфигурация позволяет изолировать соединенные истоки нескольких ячеек и вывести их с кристалла отдельным выводом. Такой прибор может быть представлен в виде двух MOSFET силовых транзисторов с объединенным стоком, затвором и раздельными истоками (рис. 1). В случае открытого канала ток нагрузки будет распределяться в отношении, пропорциональном сопротивлению каналов. Ток истока датчика тока значительно меньше тока истока основного силового транзистора. При этом токи пропорциональны площадям, занимаемым элементами на кристалле, и их отношение обычно составляет n = 500:1 (отношение тока истока основного транзистора к току истока датчика тока). Это отношение называется «sense ratio», и оно определено для случая, когда потенциалы истоков датчика тока и основного силового транзистора равны. Дополнительный отвод от области истока основного силового транзистора (отвод Кельвина) позволяет передать в анализирующую цепь точное значение потенциала.

Рис. 1. Эквивалентная схема MOSFET-транзистора с датчиком тока

В таблице приведены характеристики MOSFET силового транзисторов с датчиком тока, выпускаемых Philips Semiconductors.

Таблица. Линейка MOSFET-транзисторов с датчиком тока производства Philips Semiconductors

Устройство

Максимальное сопротивление открытого канала Rdson, мОм

sense ratio, n

Схема измерения тока нагрузки с виртуальной землей

Схема с виртуальной землей дает наилучшие результаты относительно точности измерения и подавления шумов во всем диапазоне рабочих температур силового ключа. Типовая схема измерения тока с виртуальной землей представлена на рис. 2.

Схема измерения тока нагрузки мощного MOSFET-транзистора с виртуальной землей

Рис. 2. Схема измерения тока нагрузки мощного MOSFET-транзистора с виртуальной землей

ОУ включен в схеме с токовой обратной связью, что обеспечивает равенство потенциалов отвода Кельвина и выхода датчика тока. Таким образом, выполняется условие, при котором отношение токов основного силового транзистора и датчика тока остается постоянным и равным заданному производителем sense ratio. Выходное напряжение схемы измерения тока составляет:

Читайте также:  Компания ооо источник тока

Типичная временная диаграмма напряжения на выходе схемы измерения тока нагрузки приведена на рис. 3. Из диаграммы видно, что форма напряжения полностью повторяет форму тока стока ключа во всем временном интервале.

Рис. 3. Временные диаграммы тока стока ключа и напряжения на выходе схемы измерения тока с виртуальной нагрузкой

Схема измерения тока нагрузки с резистивным шунтом

Включение резистивного шунта последовательно с выходом датчика тока представляет собой простейший способ мониторинга тока нагрузки (рис. 4, 5).

Схема измерения тока нагрузки мощного ключа с резисторным шунтом

Рис. 4. Схема измерения тока нагрузки мощного ключа с резисторным шунтом. Каскад с ОУ предназначен для усиления падения напряжения на резистивном шунте

На рис. 5 представлена эквивалентная схема открытого ключа с включенным между выходом датчика тока и отводом Кельвина резистивным шунтом. Сопротивление открытого канала основного транзистора обозначено как Rmf(on), сопротивление открытого канала транзистора датчика тока — как Rsf(on) . Сопротивление проводника, соединяющего исток основного транзистора с силовой землей, обозначено как Rwire.

Рис. 5. Эквивалентная схема измерения тока нагрузки мощного ключа с резисторным шунтом в случае открытого канала

Схема измерения тока нагрузки (рис. 4) представляет собой делитель напряжения, для которого справедливы следующие уравнения:

Конечное сопротивление открытого канала датчика тока приводит к тому, что отношение основного тока к току датчика отличается от заданного производителем sense ratio и определяется уравнением:

В пределе максимальное падение напряжения на резистивном шунте соответствует его бесконечному сопротивлению (разомкнутая цепь). В этом случае напряжение на выходе датчика тока относительно истока основного силового транзистора составит:

Для примера, силовой ключ с датчиком тока BUK7905-40AIE имеет сопротивление открытого канала основного силового транзистора Rmf(on) = 3 мОм, сопротивление открытого канала силового транзистора датчика тока Rsf(on) = 1,1 Ом, типовое отношение sense ratio — 500:1. Таким образом, если сопротивление резистивного шунта Rsense = 1 Ом, ток в нагрузке, равный 10 А, создаст падение напряжения на шунте Vsense ≈ 14 мВ. Для усиления этого сигнала можно использовать усилительный каскад на ОУ с однополярным напряжением питания.

Отвод Кельвина необходимо использовать для передачи в анализирующую цепь точного потенциала истока основного силового транзистора. В противном случае ток через канал основного силового транзистора создаст падение напряжения на сопротивлении соединения истока и силовой земли Rwire, что может привести к значительной ошибке измерения. Ранее считалось, что так как сопротивление соединения значительно меньше сопротивления открытого канала основного транзистора, им можно пренебречь. Однако современные полевые транзисторы обладают сопротивлением канала, сравнимым (или даже меньшим) с сопротивлением соединения, поэтому отказ от двухпроводной схемы измерения Кельвина может привести к критической ошибке.

Основным недостатком схемы измерения тока нагрузки с резистивным шунтом является температурная зависимость выходного напряжения.

Представим, что сопротивление шунта Rsense -> 0. Тогда сопротивления каналов основного транзистора и транзистора датчика тока изменяются пропорционально с изменением температуры, и их отношение, а, следовательно, и sense ratio, остается постоянным во всем диапазоне рабочих температур.

В случае, если, согласно формуле (3) напряжение Vsense является функцией сопротивления открытого канала основного силового транзистора и составляет:

Так как Rmf(on) является функцией температуры кристалла, то Rsense так же является функцией температуры. При изменении температуры кристалла в пределах от 25 до 175 °С (температура окружающей среды равна 25 °С), сопротивление Rmf(on) может измениться вдвое, и следовательно погрешность измерения тока нагрузки может превысить 100%, что естественно, недопустимо. Таким образом, необходимо выбрать такое значение Rsense, при котором температурная погрешность измерения будет лежать в заданных пределах. Рекомендуется выбирать значение Rsense > Rsense, и отношение токов каналов основного транзистора и транзистора датчика тока определяется sense ratio, заданным производителем.

Максимальное падение напряжения на резистивном шунте Rsense наблюдается в момент времени t1. Так как в этот момент времени напряжение на затворе максимально, сопротивление канала датчика тока Rsf(on) падает (рис. 7) и отношение Rsense/Rsf(on) становится более значимым (см. формулу 4). Процесс уменьшения sense ratio продолжается до полного установления напряжения затвор-исток Vgs (момент времени t2). Процесс выключения силового транзистора происходит в обратном порядке.

Рис. 7. Сопротивление канала датчика тока Rsf(on)

Таким образом, при использовании схемы измерения тока с резистивным шунтом, необходимо принимать во внимание выходное напряжение при полностью открытом основном силовом транзисторе ключа.

Источник

Подключение мощных Мосфетов к микроконтроллеру

В этой статье мы рассмотрим возможность подключения мощных Mosfet транзисторов для коммутации нагрузки с большим током сигналом с микроконтроллера. Это позволит подключать к микроконтроллеру цепи управления двигателями, светодиодами или любым устройством питания, которое работает с низким постоянным напряжением (DC).

Силовые мосфеты — это электронные компоненты, которые позволяют нам контролировать очень высокие токи. Как и в случае с обычными МОП-транзисторами, у них есть три вывода, которые называются: Сток (D), Исток (S) и Затвор (G). Основной ток проходит между истоком и стоком (I SD), в то время как управление этим током достигается путем подачи напряжения на клемму затвора (относительно клеммы источника), известной как V GS.

Читайте также:  Кратность пускового тока электродвигателя постоянного тока

подключение мосфета к микроконтроллеру

Принцип работы Мосфетов

В исходном состоянии ток затвора практически равен нулю, поскольку внутри компонента клемма затвора подключена к своего рода конденсатору. Поэтому ток затвора протекает только в тот момент, когда мы меняем уровень входного напряжения (изменение логического состояния), и это является причиной, почему потребление Mosfet (как в случае всех логических схем MOS) увеличивается пропорционально частоте переключения.

Существуют «силовые мостики» двух типов: те, что в канале N, и в канале P. Разница между ними заключается в полярности соединения исток-сток и в том, что напряжение затвора P-канала отрицательное (те же различия, которые существуют между NPN и PNP транзисторами).

принцип работы мосфетов

Мощный мосфет может работать в «линейном режиме» или в «насыщенности». В аналоговых системах, например на выходных каскадах усилителей звука, мосфеты работают в линейном режиме, тогда как в цифровых системах, в которых они используются в качестве цифровых выключателей питания, они работают в режиме отключения (ВЫКЛ) или насыщения (НА).

В этой статье мы проанализируем только тот мосфет, который используется в качестве цифровых коммутаторов. Когда mosfet находится в состоянии насыщения, значение внутреннего сопротивления между истоком и стоком (Rsd) очень низкое, следовательно рассеиваемая мощность в нем будет незначительной, однако ток через него может проходить очень высокий.

работа мосфета в качестве ключа

Чтобы довести Mosfet до насыщения, необходимо, чтобы управляющее напряжение на клемме затвора было достаточно высоким, и это может быть проблемой, если мы напрямую используем низкое выходное напряжение микроконтроллера.

Я лучше объясню на примере

Для насыщения биполярного транзистора (типа BC548) необходимо превысить пороговое напряжение базы, которое составляет всего 0,6 В. Управляющее напряжение 0,6 В может быть получено с любой цифровой схемы, работающей от 5 В, 3,3 В и до 1,8 В.

И наоборот, напряжение, необходимое для приведения в действие Mosfet (называемое «пороговым напряжением» или V th), намного выше (несколько вольт) и зависит от модели Mosfet.

Более того, даже если бы мы достигли этого значения, этого было бы недостаточно, потому что мы должны превысить значение линейной области работы, чтобы привести ее к насыщению. Если нет, проводимость не будет полной, и, следовательно, часть мощности будет рассеиваться в mosfet в виде тепла, потому что мощность, рассеиваемая mosfet, является результатом умножения между падением напряжения и током, проходящим по нему (Pmosfet = Vsd * Isd).

линейный режим работы мосфета

На графике мы видим кривые движения типичного N-канального мосфета с разными напряжениями на затворе в двух рабочих областях (линейная область слева от графика и насыщенность справа).

Как мы видим, если мы хотим получить максимальный выходной ток, напряжение на затворе (VGS) должно быть 7,5 В. Это значение варьируется в зависимости от используемой модели mosfet.

Для решения этой проблемы есть две возможности: использовать адаптер, который увеличивает выходные уровни микроконтроллера, или использовать mosfet, который работает с более низкими напряжениями на затворе. МОП-транзисторы с низким уровнем управления затвором известны как «силовые МОП-транзисторы логического уровня».

диаграмма управления затвором мосфета

На графике мы видим кривую движения мосфета «логический уровень» IRL530 (зеленого цвета) по сравнению с классическим мосфетом IRF530 (синим цветом).

Вертикальная полосатая линия указывает на логический уровень 4,75 В (типичный выходной уровень микроконтроллера, питаемого от 5 В). Как мы видим, максимальный выходной ток IRF530 не превышает 2,6 А, хотя эта модель способна выдавать гораздо больший ток, в то время как IRL530 превышает 20 А (полная проводимость).

Если бы наш микроконтроллер работал с напряжением 3,3 В, IRF530 даже не начал бы запускаться.

управление затвором мосфета

Поэтому выбор типа «логический уровень» Mosfet является лучшим выбором при работе с цифровыми цепями.

На рисунке мы видим соединение «логического уровня» mosfet с микроконтроллером для включения светодиодной ленты. Как объяснялось в начале этой статьи, когда логический уровень управления изменяется, на мгновение mosfet поглощает определенный ток, который заряжает внутренний конденсатор терминала Gate.

Импульсное регулирование мощности (ШИМ) с применением мосфетов

Резистор 4,7К служит для ограничения этого начального тока. Мы могли бы использовать любое значение сопротивления, но низкое значение позволяет получить быструю зарядку этого конденсатора и, следовательно, более быстрое переключение mosfet. Быстрая коммутация мосфета полезна если мы хотим использовать импульсное регулирование мощности (ШИМ).

В этом типе регулирования, если бы переключение mosfet было «медленным», оно было бы длиннее в линейной зоне и, следовательно, увеличивало бы рассеивание мощности в нем, особенно если мы работаем с высокими частотами. Как только Мосфет переключился, затвор больше не поглощает ток. Поэтому, если мы планируем использовать наш mosfet для простого включения и выключения, значение этого R может быть и 10K.

Напротив, если мы хотим модулировать выходную мощность с помощью ШИМ-модуляции, для нас удобно использовать значение сопротивления 4,7 К, 3,3 К или 1,2 К включительно. Лучший выбор зависит в основном от частоты ШИМ.

Читайте также:  Стабилизатор тока для светодиодов 220v своими руками

Сопротивление 100 К замкнутое на землю, служит для определения точного логического состояния в том случае, если микроконтроллер не сделал этого, как например в фазе инициализации того же самого.

Если у нас возникла необходимость подключить Mosfet без «логического уровня» к цифровой цепи, мы можем добавить транзистор, который позволит нам увеличить управляющее напряжение, как мы видим на следующем рисунке.

Импульсное регулирование мощности (ШИМ) с применением мосфетов

Принцип работы очень прост. Когда выход микроконтроллера имеет низкий логический уровень (0 вольт), транзистор не работает, и, следовательно, его коллектор, который подключен к затвору mosfet, будет иметь положительный потенциал 12 В через положительное сопротивление.

Когда выходной сигнал микроконтроллера становится высоким (1,8 В, 3,3 В или 5 В), транзистор приводит в действие и доводит затвор мосфета до 0 В, поэтому он прекращает движение. Как видите, эта схема имеет дефект, который работает наоборот, то есть активируется, когда уровень выходного сигнала микрофона низкий.

Несмотря на это, преимущество в том, что напряжение затвора достигает максимального напряжения питания, что гарантирует полное насыщение любого типа мосфета, который мы подключаем. Значение сопротивления затвора, связанного с положительным, изменяет скорость переключения полевого двигателя, как объяснено в предыдущем случае. (высокие значения для медленного переключения и низкие значения для быстрого переключения (ШИМ-модуляция).

Мосфет-шим модуляция

Если мы хотим использовать общий mosfet (не «логический уровень») с неинвертированной логикой управления, мы можем изменить его на P-канал, как показано на рисунке. Обратите внимание, что выходная мощность (в примере, светодиодная лента) подключена к земле (отрицательной) вместо положительной.

Единственная проблема, представленная этим последним решением, состоит в том, что его нельзя использовать, если мы хотим управлять светодиодной полосой RGB с 3 каналами, потому что эти полосы обычно имеют общий анод (уникальный положительный), в то время как мы использовали бы полосу RGB с общим катодом (общий негатив). В любом случае, это решение очень полезно во многих случаях и сможет пригодлится в ваших проектах.

Источник



Следящая обратная связь с датчиком тока и мощный MOSFET-транзистор позволяют увеличить выходной ток

Используя двоично-десятичную (BDC) матрицу токозадающих резисторов и MOSFET-транзистор можно увеличить ток нагрузки.

Предыдущая Дизайн-идея описывала программируемый источник тока, в котором использовался трехвыводный линейный регулируемый стабилизатор напряжения LM317 компании National Semiconductor. Несмотря на то, что эта схема позволяет программировать выходной ток, ток нагрузки течет через двоично-десятичные (BCD) переключатели. Однако могут встретиться определенные трудности в приобретении двоично-десятичных (BCD) переключателей с рабочим током более 25 мА, что существенно ограничивает выходной ток схемы. Использование простейшей, четырехвыводной микросхемы активного датчика тока ZXCT1010 компании Zetex, позволяет значительно увеличить выходной ток, поскольку он не будет протекать через двоично-десятичные (BCD) переключатели (рис.1). Ток нагрузки создает падение напряжения на резисторе датчика тока RSENSE.

Следящая обратная связь с датчиком тока и мощный MOSFET-транзистор позволяют увеличить выходной ток

Напряжение на резисторе R1, сопротивлением 100, будет тем же самым, что и на резисторе RSENSE, создавая выходной ток через резистор R1 : IOUT × 100=ILOAD × RSENSE, и выходное напряжение VOUT= IOUT × ROUT, где IOUT – выходной ток, ILOAD – ток нагрузки и VOUT – выходное напряжение. Выходное напряжение можно использовать как управляющее напряжение для регулировки тока нагрузки.

Одним из применений этой схемы может быть использование ее в устройствах для заряда аккумуляторов в портативных приборах. В таком случае, схема должно работать при входном напряжении 18 В. Транзистор IRF520 компании Fairchild Semiconductor представляет собой N-канальный, мощный MOSFET-прибор в алюминиевом охлаждающем корпусе с максимальным током 9.2 А и сопротивлением исток-сток в открытом состоянии 0.27.

Операционный усилитель управляет транзистором IRF520 в цепи обратной связи по выходному току. В рассматриваемом приложении, максимальный выходной ток составит 1 А, при значении сопротивления датчика тока 0.1. Печатная плата (PCB) также может иметь такое небольшое значение сопротивления, которое вычисляется, из толщины медного слоя в 35 микрон. Двоично-десятичные (BCD) переключатели подключены параллельно и к ним присоединены резисторы сопротивлением от 125 до 100 кОм для регулировки выходного напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя.

Значения сопротивлений резистора вычисляются по формуле: VSENSE = RSENSE × ILOAD, IOUT = RSENSE × ILOAD / 100 и R = VREF × 100/(RSENSE х ILOAD). Если для сопротивления датчика тока выбирается значение 0.1 и образцовое напряжение 0.1 В, то из уравнения получается R0 = 100 / ILOAD. Используя это уравнение, можно вычислить значения четырех весовых резисторов для трех двоично-десятичных (BCD) переключателей, с помощью которых можно задавать ток, протекающий всего через один резистор. Для токов 800, 400, 200, 100, 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2 и 1 мА, соответствующие значения сопротивлений резисторов будут 0.125; 0.25; 0.5; 1; 1.25; 2.5; 5; 10; 12.5; 25; 50 и 100 кОм. При токе нагрузки 1 А, выходной ток будет только 1 мА, а при токе нагрузки 1 мА, выходной ток будет всего 1 А. Заметим, что исток транзистора IRF520 соединен с его корпусом.

Источник