MOSFETy - praktycznie w modelarstwie.

ssuchy · 30 Grudnia 2018

Jak dobrać tranzystor (na podmiankę za uszkodzony) lub do budowanego przez nas układu regulatora modelarskiego? Kilka uwag praktycznych, dotyczących mocy i prądów obciążenia przy sterowaniu statycznym, poniżej.

Ze względu na szczupłość miejsca w układach modelarskich spotykamy tranzystory w małych obudowach do druku powierzchniowego (SMT): D-PAK, SOP8, SOT23-3, SOT23-6. Tranzystory w tak małych obudowach mają ograniczenia co do rozproszenia max. mocy i możliwości obciążenia dużymi prądami (mimo, że podane katalogowe Imax mają często bardzo duże).

Ostatnio (TUTAJ) bawiłem się doskonałym tranzystorem NMOSFET IRLR6225 w obudowie D-PAK (czyli tej najkorzystniejszej w porównaniu z pozostałymi, wyżej wymienionymi), takiej:

oraz IRLML6244 w obudowie SOT23-3, takiej:

Polecam te tranzystory, szczególnie w układach zasilanych z LiPo 1S, gdyż przy małym napięciu sterującym U_gs=2,5V mają już naprawdę niewielkie rezystancje włączonego drenu na poziomie: 5mΩ (IRLR6225) i 27mΩ(IRLML6244), podawane jawnie przez producenta. Przy wyższym U_gs rezystancje R_dON są jeszcze mniejsze! Tranzystory te są dostępne w detalu na naszym rynku w rozsądnych cenach (np. w TME). Żeby sprawdzić ile możemy z tych tranzystorów wyszarpać prądu w naszym konkretnym układzie (oczywiście zapominamy o wyśrubowanych parametrach reklamowych max. w danych katalogowych tranzystora! ) musimy sięgnąć do noty aplikacyjnej AN-0994 (Infineon - IRF), w której podane są w tabelce rezystancje termiczne R_thJA[°C/W] dla danego typu obudowy, zależne od sposobu wlutowania tranzystora w układzie. Rezystancje termiczne podane są dla trzech przypadków wlutowania. Przykładowo cytuję z noty aplikacyjnej dla obudowy D-PAK (a dalej w nawiasie podaję dla obudowy SOT23-3/U 3):

A/ tranzystor wlutowany wprost na pady PCB:

R_thJA = ok. 70 °C/W (340 °C/W)

B/ tranzystor ma pod spodem na PCB niewielką powierzchnię chłodzącą miedzi (zgodną z gabarytami obudowy):

R_thJA= ok. 50 °C/W (300 °C/W)

C/ tranzystor ma dodatkowo ok. jednego cala kwadratowego miedzi:

R_thJA= ok. 25 °C/W (230 °C/W)

Teraz musimy obliczyć moc, jaką możemy rozproszyć ze wzoru:

P_D[W] = ΔT[°C]/R_th[°C/W]

gdzie ΔT = T_J- T_A(temperaturę złącza - junction przyjmuje się: 150°C, a temperaturę otoczenia - ambient musimy sobie założyć, np. 60°C, bo tranzystor nie osiągnie temp. otoczenia 25°C latem, gdyż będzie się "kisił" zapakowany razem z całym regulatorem w termokurczkę, albo jeszcze gorzej, bo dodatkowo: upchany w modelu w jakąś piankę.

czyli ΔT = 150 - 60 = 90 i dla przypadków:

A/ P_D = 90 / 70 = 1,3 W (90 / 340 = 0,26 W)

B/ P_D= 90 / 50 = 1,8 W (90 / 300 = 0,30 W)

C/ P_D= 90 / 25 = 3,6 W (90 / 230 = 0,39 W)

Mając wyliczoną moc rozproszenia i rezystancję włączonego drenu (z katalogu tranzystora) możemy policzyć prąd, jakim da się obciążyć nasz tranzystor, posiłkując się prawem Ohma i wzorem na moc: P[W]=I²[A] x R[Ω], po przekształceniu:

I [A]= √(P[W]/R[Ω]) - prąd równa się pierwiastek kwadratowy z ilorazu mocy i rezystancji.

Czyli dla IRLR6225 przy niskim napięciu sterowania (2,5V) mamy R_dON = 0,005 Ω (a dla IRLML6244 R_dON= 0,027 Ω) i możemy je obciążyć prądami dla przypadków:

A/ I = √(1,3 / 0,005) = 16 A (√(0,26 / 0,027) = 3,1 A)

B/ I = √(1,8 / 0,005) = 19 A (√(0,30 / 0,027) = 3,3 A)

C/ I = √(3,6 / 0,005) = 27 A (√(0,39 / 0,027) = 3,8 A)

Są to oczywiście proste szacunki dla pracy statycznej tranzystorów (w regulatorach tranzystory pracują dynamicznie - impulsowo) ale już dające jakieś wyobrażenie co do ich obciążalności.

Reasumując:

Dla sterowania silnikami w naszych niskonapięciowych regulatorach szukamy dostępnych na rynku detalicznym tranzystorów

- w interesującym nas typie obudowy i o jak najmniejszej rezystancji włączonego drenu: R_dON, ale tak aby producent podawał jawnie w katalogu ten parametr, przy niskich napięciach sterowania U_gs= 2,5V (samo niskie napięcie odtykania U_gsTHtam podane to za mało),

- unikamy tranzystorów wysokonapięciowych (duże max. U_DS), gdyż ze względów konstrukcyjnych mają znacznie większe R_dON, niż tranzystory niskonapięciowe (max. U_DS= 20-30V)

Dla zainteresowanych dodatkowe (łopatologiczne) materiały do przestudiowania (dostępne w necie):

Infineon-an-994-AN-v06_00-EN.pdf

EdW-06-2000cz-22_mosfety1_54_07.pdf

EdW-07-2000cz-23_mosfety2_55_08.pdf

EdW-06-1998cz-06_bezpieczny-obszar-pracy_30_10.pdf

EdW-07-1998cz-07_parametry-termiczne_31_13.pdf

EdW-12-1999_radiatory_48_07.pdf