Меню

Mosfet транзистор регулятор напряжения

Сетевой регулятор мощности на MOSFET-транзисторах с фазоимпульсным управлением

В сетевых регуляторах мощности в основном применяют фазоимпульсное управление, когда момент открывания полупроводникового ключа (тиристора, симистора) задерживается относительно момента перехода сетевого напряжения через ноль, а закрывание происходит, когда ток через прибор становится меньше тока удержания. Особенность регулятора мощности, рассмотренного в этой статье, в том, что силовые ключи на MOSFET-транзисторах открываются при переходе сетевого напряжения через ноль, а закрываются после формирования временной задержки 555-м таймером.

С появлением мощных полевых высоковольтных транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) появилась возможность разрабатывать схемы регуляторов с применением их в качестве полупроводниковых ключей. Одна из таких конструкций описана в [1]. Но в этой схеме не применяется фазоимпульсное управление.

В конструкции, предложенной в [2], рассмотрен сетевой регулятор на мощном триаке типа ВТ136-600Е с фазоимпульсным управлением. При сопоставлении этих двух схем возникла мысль взять самое лучшее из рассматриваемых конструкций и создать новую на мощных полевых транзисторах с фазоимпульсным управлением на 555-м таймере. В результате была разработана схема, показанная на рис.1.

Рис. 1

Схема управления ключами \/Т2 и \/ТЗ типа IRF840 взята из [2], только 555-й таймер в этой схеме обеспечивает не задержку включения, как в [2], а формирование времени включенного со­стояния полупроводниковых ключей VТ2 и VТЗ. Длительность включённого состояния транзисто­ров можно определить по формуле:

Диоды VD7 и VD8 — это двухсторонний диодный ограничитель напряжения на затворах полевых транзисторов VT2, VТЗ. Питание таймера DА2 ор­ганизованно так, как предложено в статье [3], с по­мощью ограничителя на стабилитроне VD10 и ре­зисторах R12, R1З и выпрямителя VD9, С5.

Конструкция и детали

В предлагаемой схеме необходимо использо­вать заведомо исправные радиоэлементы. По­стоянные резисторы типа МЛТ, не менее указанной на схеме мощностью. Переменный резистор типа СПЗ-4аМ. Элементы, обведенные на схеме пунк­тирной линией, относятся к схеме формирования импульса при переходе сетевого напряжения че­рез ноль. Схема выполнена на SMD-элементах ти­поразмера 1206, исключая оптрон DA1 и диоды мо­ста VD1-VD4, но вместо КД102Б в этих позициях можно использовать SMD-диоды типа GS1K.

Детали формирования импульса при переходе сетевого напряжения через ноль установлены на плате из одностороннего фольгированного стекло­текстолита размерами 36×36 мм (фото 1). Оптрон запаян в отверстия с обратной стороны этой платы.

Фото 1

Чертеж печатной платы формирователя и рас­положение деталей на ней показано на рис.2.

Рис. 2

Остальные элементы, исключая мощные транзи­сторы VТ2, VТЗ и элементы R14, НL1,VD11, разме­щены на второй плате из одностороннего фольги­рованного стеклотекстолита размерами 66×36 мм (фото 2).

2

Чертеж этой платы показан на рис.3, а расположение деталей на ней — на рис.4.

3

4

Конденсаторы С2 и СЗ типа К73-17 или К73-9. Электролитический конденсатор С5 импортный, например, фирмы НIТАNО. Диоды VD7, VD8 мож­но заменить отечественными типа КД522Б. Светодиод может быть любого цвета свечения, как им­портный, так и отечественный. Он устанавливается в отверстие на лицевой панели конструкции.

Полевые транзисторы можно применить типа КП707В или иные, импортные, с характеристика­ми, соответствующими применяемой нагрузке. Элементы R14 и VD11 монтируются непосред­ственно на выводах розетки устройства.

Внутри корпуса установлена общая плата из стеклотекстолита размерами 80×110 мм. На пла­те имеются отверстия для крепления радиатора. Радиатор использован от устройства регулировки температуры РТ-3. Размеры радиатора 70×40 мм. Радиатор имеет 8 ребер высотой 20 мм. На ради­аторе через изоляционные прокладки из слюды закреплены транзисторы VТ2, VТЗ. Выводы тран­зисторов соединены с платой (фото 3) проводом МГТФ. Силовые цепи выполнены двойным прово­дом этого типа. Плата формирования импульса при переходе сети через ноль смонтирована с обрат­ной стороны общей платы, напротив радиатора. Плата управления транзисторами установлена на втулки над переменным резистором R8. Монтаж внутри корпуса также выполнен проводом МГТФ. Вся конструкция расположена в корпусе устрой­ства регулировки температуры РТ-3.

Фото 3

Налаживание

При наличии осциллографа, контролируя на­пряжение на выводе 3 таймера, необходимо про­верить длительность импульса, при вращении руч­ки резистора R8. Длительность должна меняться в пределах от 2 мс до 9,8 мс, но ни в коем случае она не должна превышать 10 мс, что может нарушить правильность запуска схемы. Времязадающие ре­зисторы R8, R9 и конденсаторы С2, СЗ имеют раз­брос параметров. Поэтому при налаживании воз­никнет необходимость подбора R9, С2 и СЗ.

Читайте также:  Реле напряжения диджей топ

Все пайки и замены элементов необходимо производить только при извлеченной вилки сете­вого шнура из розетки бытовой сети. В противном случае, можно получить поражение электрическим током, так как элементы конструкции находятся под потенциалом сети.

При отсутствии осциллографа настрой­ку схемы можно провести, включив вместо нагрузки лампу накаливания мощностью 40… 100 Вт, контролируя накал нити нака­ла. При минимальном напряжении нить на­кала светит еле заметным темно-красным цветом. При полностью выведенной ручке регуляторе вправо лампа накаливания должна светить в полный накал. Впрочем, при желании, можно сузить диапазон ре­гулировки. Работа этого регулятора прове­рялась совместно с электроплиткой мощ­ностью 1 кВт.

Литература

  1. Белоусов О. Регулятор напряжения на МОSFЕТ-транзисторах // Электрик. — 2012. -№12-С.64-66.
  2. Белоусов О. Сетевой регулятор напряжения на 555-м таймере // Радиоаматор. — 2013. — №5 — С.26-28.
  3. Калашник В. Мощный коммутатор с опторазвязкой // Электрик. — 2013. — №5 — С.51, 52.

Автор: Олег Белоусов, г. Черкассы

Источник



Полевой транзистор схема управления нагрузкой постоянного тока

Полевой транзистор схема

Полевой транзистор схема: эффективная регулировка нагрузки постоянного тока

Полевой транзистор схема, которого представлена в этой публикации способна управлять мощной постоянной нагрузкой также эффективно как и сборки Дарлингтона или биполярные транзисторы.

Полевой транзистор схема, которого работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением. МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.

Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

Читайте также:  Во сколько конденсатор поднимает напряжение

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.

Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.

Тут вариантов три:

  • На более мелких транзисторах соорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
  • применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.

Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных.

Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

    • Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I Drain или ID выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10.

Следующий важный для тебя параметр это VGS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость ID от VDS при разных значениях VGS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I 2 R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

Читайте также:  Схема стабилизатора напряжения 12 вольт 2 ампера

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или ton,toff, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора Ciss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие.

Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков

Источник

Регулятор Мощности на Mosfet-транзисторах

Данный регулятор предназначен для работы с нагревательными приборами. В качестве коммутационных элементов в схеме использованы mosfet -транзисторы IRF840 . Регулировка мощности нагревательного прибора осуществляется изменением количества подаваемых полупериодов сетевого напряжения. Из особенностей схемного решения стоит отметить, что переключение транзисторов осуществляется в момент перехода сетевого напряжения через нуль, поэтому регулятор не создаёт помех.

На элементах DD1.1 и DD1.2 инвертирующего буфера CD4049 собран генератор прямоугольных импульсов частотой 1 Гц и регулируемой скважностью переменным резистором R1 . На DD1.3 и DD1.4 реализован компаратор напряжения. Микросхема DD2.1 — CD4013 — D- триггер, а DD1.5 и DD1.6 являются буферными каскадами. Для питания DD1 и DD2 в схеме используется выпрямитель с параметрическим стабилизатором на элементах VD3R2VD4C2VD5 . Диоды VD6 и VD7 гасят выбросы напряжения на затворах VT1VT2 . На рисунке ниже представлены диаграммы работы схемы.

Положительная полуволна сетевого напряжения, пройдя через диоды VD3 VD4 и резистор R2 заряжает конденсатор С2 до напряжения стабилизации стабилитрона VD5 (12 В) , Напряжение на аноде диода VD4 представляет собой синусоиду, ограниченную снизу нулевым значением, а сверху — напряжением стабилизации стабилитрона VD5 . Компаратор на элементах DD1.3, DD1.4 делает перепады напряжения более крутыми. Сформированные им импульсы поступают на вход синхронизации (3) триггера DD2.1 , а на его вход D (5) — импульсы частотой 1 Гц с выхода генератора DD1.1 DD1.2.

Выходные импульсы триггера подаются через элементы DD1.5 и DD1.6 на затворы транзисторов VT1 и VT2 . Они отличаются от импульсов генератора « привязкой » перепадов по времени к пересечениям сетевым напряжением уровня близкого к нулевому в направлении от плюса к минусу. Поэтому открывание и закрывание транзисторов происходит только в моменты таких пересечений (что и гарантирует низкий уровень помех) и всегда на целое число периодов сетевого напряжения. С изменением переменным резистором R1 скважности импульсов генератора изменяется и отношение длительности включенного и выключенного состояния нагревателя, а, следовательно, и среднее количество выделяемого им тепла.

Печатная плата для схемы показана на рисунке ниже. При мощности нагревательного элемента более 0,5 кВт к транзисторам следует прикрепить теплоотвод.

Источник