Załączanie grzałki 5V przez klucz tranzystorowy stanem wysokim w ESP8266

[Diabloo24]

Witam, chcę zrealizować w swoim projekcie załączanie grzałki PTC zasilanej napięciem +5V poprzez podanie stanu wysokiego na odpowiednim pinie w module ESP8266. Jako, że jestem początkujący prosiłbym o sprawdzenie poprawności przeprowadzonych przeze mnie obliczeń. 
Sprawa wygląda następująco, baza tranzystora jest podpięta poprzez rezystor Rb (ograniczający prąd) do wyprowadzenia modułu ESP8266, gdzie będzie podawane napięcie 0 lub 3,3 V (wyłączona/włączona grzałka).  Grzałka jest zasilana napięciem 5V,  która na początku nagrzewania pobiera ok. 500mA, natomiast po nagrzaniu ok. 200-250mA. Do załączania grzałki zamierzam wykorzystać tranzystor bipolarny 2STX1360.

Założyłem maksymalny prąd kolektora, który będzie pobierany  ICmax = 550mA (dodałem 50mA zapasu do max. wartości natężenia jaka pobiera grzałka).  
Wzmocnienie prądowe hFE odczytane z wykresu dla natężenia 550mA wynosi ok. 370. 
Obliczony maksymalny prąd bazy IBmax=ICmax/hFE = 1,49mA.
Rezystor ograniczający RB = (3,3-0,7)/1,49m = 1,74k Ohm (Tutaj pewnie zastosuje rezystor 1,8k z typoszeregu E24)
Napięcie na tranzystorze w stanie nasycenia dla natężenia 500mA  (odczytane z wykresu) wynosi Vcesat = 0,04V
Moc strat wydzielana na tranzystorze P=ICmax*Vcesat = 20mW

Nie jestem pewien czy dobrze policzyłem moc strat? Z tego wynika, że tranzystor nie powinien się nagrzewać podczas pracy z takim natężeniem. Jest jakiś sposób, aby to określić jak bardzo będzie się nagrzewał podczas pracy, bo zastanawiam się czy nie użyć innego tranzystora tzn w innej obudowie np TO220, bo nie wiem jak sobie radzą TO92 z odprowadzaniem ciepła. 

Teraz zauważyłem, że tranzystor jest już wycofany z produkcji i na internecie nie można go dostać, a są jeszcze zapasy u mnie w lokalnym sklepie elektronicznym. Zastanawiam się teraz czy wybrać jakiś inny model, który jest obecnie wszędzie dostępny i może w innej obudowie? Chociaż ten ma bardzo przyjemne parametry(niskie napięcie Vcesat oraz wysoka wartość wzmocnienia hFE). Dużo modeli ma wysokie napięcie Vcesat i przy takim natężeniu pewnie będą się bardzo nagrzewać.. 

Dokumentacja 2STX1360
 

[marek1707]

W zasadzie zrobiłeś to dobrze, ale:

1.  Nie sprawdziłeś jakie napięcie panuje na pinie modułu ESP przy obciążeniu go prądem 1.5mA. To nie musi (i na pewno nie jest) 3.3V więc tutaj masz pierwszy nieuzasadniony  optymizm.

2. Największym niebezpieczeństwem dla Twojego tranzystora, szczególnie gdy jest on tak mały będzie moc strat. Ta przy pracy w nasyceniu rzeczywiście będzie niewielka, ale wystarczy że dostaniesz egzemplarz trochę słabszy, będzie chłodno, napiecie zasilania trochę przekroczy 5V a grzałka będzie miała jakąś tolerancję rezystancji na minus i leżysz bo przyjęty prąd bazy nie wystarczy do głębokiego nasycenia tranzystora, napięcie Uce podskoczy do 500mV i masz dym. W aplikacjach kluczy, gdy nie musisz przełączać z częstotliwościami kHz staraj się wprowadzać tranzystor jak najgłębiej w nasycenie. Zauważ, że wykres Ucesat na który się powołujesz został zrobiony dla wzmocnienia 20. Dwadzieścia, a więc prąd bazy był tylko 20 razy mniejszy niż prąd kolektora. To nie jest Twój przypadek więc postaraj się prąd bazy zrobić tak duży jak się da a jeśli przekroczysz możliwości modułu ESP (np. 20mA to może być za dużo), daj stopień pośredni pnp.

3. Temperaturę liczysz opierając się na mocy strat i rezystancji termicznej obudowy. Dla TO92 masz ok 120C/W więc przy (tych idealnych) 20mW temperatura struktury wzrośnie o 2.5 stopnia. Niestety naprawdę będzie znacznie gorzej, właśnie ze względu na nieosiągalnie małe Ucesat przyjęte w tych obliczeniach. Ja bym założył 100-150mV przy Ic w granicach 0.5A i <5mA w bazie.

Pomyśl o tranzystorze MOSFET. Na pewno znajdziesz taki który przy sterowaniu bramki napięciem 3.3V ma kilkadziesiąt miliomów rezystancji kanału a prądu nie pobiera przecież wcale.

W każdym razie Twoje obliczenia - z dokładnością do pewnych założeń - są logicznie poprawne. Upewnij się, że pin modułu ESP z którego skorzystasz od razu daje sztywny stan niski gdy moduł np. stoi w resecie lub się programuje bo inaczej grzałka będzie załączana (a tranzystor będzie się palił) w przypadkowy sposób z powodu prądów upływu lub stanów nieustalonych na pinie. Dla pewności dałbym 10k od pinu wprost do masy.

Edytowano Grudzień 28, 2018 przez marek1707

[Diabloo24]

Dziękuję bardzo za odpowiedź i rady!
W zasadzie to myślałem o MOSFET, ale gdzieś przeczytałem, że do sterowania niskim napięciem lepiej użyć bipolarnego, a nigdzie tego nie sprawdziłem. Z tego co teraz doczytałem MOSFET dużo ułatwia sprawę. Znalazłem tranzystor IRL540N, który maksymalne UGS (Threshold) = 2V, więc problemu ze sterowaniem go napięciem 3.3 V nie powinno być problemu. Nie do końca wiem jak w nim w takim wypadku wyliczyć moc strat i wydzielane ciepło (z napięciem UDS?)? Inny tranzystor to np. IRL3705N, który też ma taki sam Threshold. Kolejne pytanie jak zabezpieczyć wejście modułu ESP8266 w razie uszkodzenia tranzystora, dioda prostownicza 1n4007 czy może jakiś transoptor? Rozumiem, że jeszcze pomiędzy bramka a maska powinien się znaleźć duży rezystor odsprzęgający np. 1MOHM? 

 

Dokumentacja IRL3705N

 

IRL540N_InternationalRectifier_elenota.pl.pdf

Edytowano Grudzień 28, 2018 przez Diabloo24

[marek1707]

Żeby precyzyjnie policzyć statyczną moc strat dla danego sposobu sterowania musiałbyś dysponować wykresem zależności Rds od Ugs, ale to nie jest takie proste. Czasem takie wykresy są podawane dla małych tranzysotrów, ale tutaj masz tylko prąd drenu od napięcia Ugs. Trzeba znaleźć krzywą dla sterowania 3.0V i odczytać jakie napięcie dostaniesz na drenie w przypadku prądu 0.5A. Niestety ten tranzystor to gigant (20A/100V) więc takich warunków wykres nie przewiduje: prądy zaczynają się od 1A. Można założyć, że Uds będzie wtedy na pewno mniejsze niż 100mV a z ekstrapolacji krzywej w lewo to raczej jakieś 40-60mV. Przy obudowie TO220 lub podobnej nawet bez radiatora taki kloc przeżywa spokojnie 1..2W, gorzej, że o tyle zmniejszy się moc grzałki - nic za darmo. Na szczęście tu nic takiego nie zajdzie,Twój IRL nawet nie będzie ciepły.

Jak chcesz ten tranzystor popsuć w układzie zasilanym z 5V? Nie wygłupiaj się z żadnymi transoptorami.

Za to od strony bramki ten tranzystor widać jak spory kondensator, który będzie musiał przeładować pin procesora ESP. Nikt kto produkuje prostokąt nie lubi kondensatorów bo cały prąd (szpilka) potrzebny do naładowania tych (ok.) 2nF pójdzie z zasilania. To na pewno spowoduje chwilowy przysiad na linii 3.3V a to już bardzo źle. Dlatego daj szeregowo między pin a bramkę ze 100R. To niczego nie zmienia statycznie, a poważnie ogranicza prąd w impulsie. Opornik do masy na samym pinie jest potrzebny żeby bramka widziała pewny stan niski w momencie gdy pin jest np. wejściem. Upewnij się jak działają i co robią piny ESP zanim kontrolę nad nimi dostanie Twój program. To mogą być setki milisekund od włączenia zasilania gdy będzie już obecne napięcie +5V a tranzystor wciąż nie będzie sterowany (czytaj: może dostać 0V ale może też zobaczyć 1V lub 2V z upływności drivera pinu), a tego przecież nie chcesz. To nie jest opornik odsprzęgający - tak nazywamy kondensatory zwierające do masy składowe w.cz.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Diabloo24]

53 minuty temu, marek1707 napisał:

Opornik do masy na samym pinie jest potrzebny żeby bramka widziała pewny stan niski w momencie gdy pin jest np. wejściem. Upewnij się jak działają i co robią piny ESP zanim kontrolę nad nimi dostanie Twój program. To mogą być setki milisekund od włączenia zasilania gdy będzie już obecne napięcie +5V a tranzystor wciąż nie będzie sterowany (czytaj: może dostać 0V ale może też zobaczyć 1V lub 2V z upływności drivera pinu), a tego przecież nie chcesz.

Rozumiem, czyli ten rezystor utrzymuje stan niski i powiedzmy że "wyłącza" tranzystor w czasie, zanim mikrokontroler poustawia wszystkie stany na pinach itp. 

Z innego źródła dowiedziałem się, że "mój" IRL540N czy ten drugi nie nadaje się do tego układu ponieważ producent gwarantuje pewne jego włączenie dla Vgs≧4V. Dla Vgs=4V Rdson≦63mΩ, a dla wartości Vgs = 3,3V  nie jest określone Rdson, więc nie wiadomo jak głęboko otworzy się tranzystor i jakie będzie Ugs i moc strat, a w związku z tym nie wiadomo czy tranzystor będzie działał "w miarę dobrze" czy źle. W związku z tym nie wiem czy powinienem szukać innego tranzystora czy budować układ w oparciu o ten tranzystor, chociaż nie łatwo taki znaleźć, a w szczególności jeżeli chodzi o obudowy do montażu THT. 

Teraz jeszcze w internecie wyszukałem, że MOSFET STP16NF06L (minimalne Ugs = 1V) dobrze radzi sobie z napięciem 3.3 V więc może jego zastosuje zamiast tego IRL540N, skoro ktoś potwierdza jego poprawną pracę. Chociaż wołałbym przeczytać Twoją opinię na temat tego co napisałem powyżej.

Dokumentacja stp16nf06l

Edytowano Grudzień 28, 2018 przez Diabloo24

[marek1707]

Nie wiem co powiedzieć. Widzę wiązkę charakterystyk dla Vgs od 2.25V do 7.5V. Masz rację, nie otwiera się "całkowicie" bo jednak 7V to nie to samo 3V, ale czy tego potrzebujesz? Mówimy porzecież o elemencie mogącym potencjalnie przeżyć 20A a używanym do grzałki 0.5A i to tylko na początku pracy. Na krzywej 3V a więc bardziej pesymistycznej niż Twoije 3.3V mamy na pewno Vgs<100mV dla prądów 1A. Pytanie czy to Ci wystarcza? Możesz znaleźć dziesiątki dużo lepszych tranzystorów, ale pytałeś konkretnie o ten. I moim zdaniem możesz go wstawić. Nie wiem czy powinieneś szukać innego, o gustach trudno dyskutować. To tak jakbyś miał wątpliwości czy do bagażnika osobówki możesz wrzucić skrzynkę pomidorów. Nie będzie to miłe (mogą pobrudzić wykładzinkę i światła trzeba trochę przeregulować), ale nie musisz zamawiać dostawczaka, choć niektórzy pewnie sięgną po telefon.

[Diabloo24]

W zasadzie na początku też o tym pomyślałem, że nie potrzebuję pełnego zakresu pracy tego tranzystora tylko sam "dół", ale uznałem, że ktoś z doświadczeniem będzie wiedział lepiej 🙂 Dziękuję bardzo za pomoc, na prawdę dużo mi rozjaśniłeś. Widzę, że zarówno STP16NF06L i IRL540N są na tę chwilę dostępne w sklepie, więc zakupię i sprawdzę jak to wszystko zachowuje się w rzeczywistości 😄 I myślę, że najpierw przetestuję to na tym pierwszym tj. STP16NF06L (jest też tańszy te kilkadziesiąt groszy 😄)