Mosfet sterowanie STM32 ON-OFF

[henryxxl]

Witam.

Jestem na etapie projektowanie układu sterowania grzałką włącz/wyłącz. Wybrałem mosfet STB155N3LH6 który powinien się otworzyć 3.3v. Jednak zastanawiam się nad jego zabezpieczeniem czy wystarczy dioda prostownicza jak na schemacie? Proszę o sugestie poprawy lub inne rozwiązania 😉

 

 

[marek1707]

Żle wybrałeś tranzystor, sterujesz go z najgorszego możliwego źródła, nie podałeś czy będzie to PWM czy ON-OFF, nie podałeś mocy grzałki a zastanawiasz się nad najmniej ważną rzeczą - zabezpieczeniem przed indukcyjnym "odkopem" przy obciążeniu czysto rezystancyjnym. Podaj więcej danych to może da się coś poradzić. Na razie wiemy tyle, że liczysz na szczęście sterując tranzystor mający 2.5V threshold z 3V. To źle wróży.

[henryxxl]

Będzie to on/off chcę zrobić termostat więc PWM raczej nie będzie potrzebne. Grzałka jest na 24v 100w. Jaki proponujesz tranzystor? FDMS030N06B powinien być odpowiedni 

[marek1707]

No ale to przecież jeszcze gorszy kandydat. Nie wiem czym się kierujesz przy wyborze, ale sterowanie MOSFETa z 3V wymaga znalezienia naprawdę dobrego/czułego typu. W tej sytuacji musisz albo:

• znaleźć tranzystor który już w połowie tego zaczyna działać - czyli z V_GS(th) w granicach 1-1.5V
• zrobić lepszy driver - zwykle jest dostępne jakieś wyższe zasilanie w granicach 5V-12V więc dodając jeden-dwa malutkie tranzystorki npn/pnp lub bramkę logiczną 74HCT (przy 5V) otwierasz sobie całkiem nowe horyzonty wyboru MOSFETa.

Widząc tranzystory po kilkadziesiąt Amperów myślałem, że robisz jakieś monstrum. W przypadku 4A prądu obciążenia ten pierwszy da radę. Na jego wykresie wyjściowym, dla sterowania bramki z 3V dostaniesz pewnie <100mV spadku U_DS co przełoży się na okolice 0.5W mocy strat - obudowa TO220 wytrzyma nawet bez radiatora. Przy okazji: zobacz jaka jest różnica między przebiegiem krzywej napięcia U_DS dla sterowania 3V (na oparach) i 5V - od biedy można uznać, że kanał otwiera się w pełni. To jest syndrom pojawiający się gdy próbujesz pracować blisko napięcia progowego. Głupie 2V więcej i problem byłby z głowy. A teraz zastanów się jakby to działało gdybyś kupił ten drugi, który przy 3.3V (typowo, a zdarzają się sztuki którym potrzeba ponad 4V) dopiero zaczyna przypuszczać przez dren 250uA. Jak chciałbyś uzyskać tam 4A?

[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

[henryxxl]

W układzie mam jeszcze 5v jak i 24 (oczywiście jak trzeba to mogę mieć też inne napięcie).

VGS(th) mosfeta IRLR2908TRLPBF wynosi 2.5v czyli podając 5v otworzę go  prawie pełni?

Błędnie uznałem że VGS(th) max 2.5v oznacza że jest on otwarty przy 2.5v.

Jeżeli dobrze rozumiem to IRLR2908TRLPBF zostanie otwarty w pełni przy 16v?

 

Załączam schematy jakby mógł kolega je zweryfikować/poprawić

[marek1707]

Tak, wysiłek układowy by sterować bramką tego najnowszego MOSFETa powyżej 5V opłaci sie dopiero przy prądach drenu przekraczających jakieś 50-60A, a to nie Twój przypadek. Pierwszy układ zadziała, choć troszkę lepiej byłoby podpiąć opornik U4 (dziwne oznaczenie) do emitera zamiast do bramki, ale OK. Jak rozumiem schemat jest skopiowany ctrl/c-ctrl/v z czegoś innego i Twoje obciążenie nie będzie sterowane z 5V (jak na schemacie) tylko z 24V. Drugi schemat to coś od czapy, nie ma szans działania: przy sterowaniu z 3V nie będzie się wyłączał ani pnp ani MOSFET. Oczywiście najprościej zrobić to bez żadnych transoptorów, bo izolacja tu żadna nie jest potrzebna i wystarczy zwykły npn posadzony emiterem na masie, ale zrób jak uważasz. Teraz już chyba wiesz o co chodzi.

[henryxxl]

Zrobiłem taki schemat, może kolega ocenić czy dobrze zrozumiałem i czy te elementy dobrałem odpowiednio?

Pozdrawiam

[marek1707]

Moim zdaniem zabierasz się za MOSFETy i procesory a nie rozumiesz jak wygląda i działa najprostszy inweter na tranzystorze. Może warto wrócić do kursu "Podstawy elektroniki, Lekcja 1, Układy pracy tranzystora"? Pytanie kontrolne na poparcie tej tezy: skąd weźmie się napięcie otwierające bramkę? Ja wiem, że krytyka powinna być konstruktywna i w ogóle, ale są jakieś granice. Kopiowanie dostępnych przykładów bez ich zrozumienia prowadzi własnie do takiej bzdury jak powyżej.

OK, może masz gdzieś teorię, chcesz zwyczajnie zrobić hardware i zająć się czymś ciekawszym (programowaniem?). Dodaj zatem opornik od kolektora npn do +5V (np. 1k) oraz jeszcze jeden od pinu procesora do 3.3V (np.22k). Ten pierwszy załączy MOSFET gdy npn będzie zablokowany (gdy procesor wyśle stan 0) a ten drugi wymusi włączenie npn gdy procesor będzie w czasie programownia co zapobiegnie włączaniu grzałki w przypadkowych sytuacjach. R9 może być spokojnie 1k, R10 może być w tym przypadku dowolnie mały, nawet 0R. Narysuj nowy schemat, wrzuć i zabieraj się roboty. W programie pamiętaj aby na początku, w funkcji inicjalizacji pinów wystawiać od razu stan wysoki, bo tutaj 0 załącza grzałkę. 

[henryxxl]

Masz rację za bardzo olewam hardware zająłem się całą resztą a nie najważniejszym czego nie zmienię jak wykonam układ.

Oto schemat poprawiony :

 

[marek1707]

Nowy R11 miał być "od pinu procesora do 3.3V" - że zacytuję sam siebie.

Popraw i to zadziała, ale pamiętaj, że jest to rozwiązanie "stałoprądowe", tj. będzie dobrze działać przy rzadkich zmianach stanu MOSFETa. Rzadkich w sensie elektroniki, tj. nie możesz tego sterować z PWM o częstotliwościach kHz. Na szczęście grzałki to elementy mające duże bezwładności cieplne więc jeśli kiedyś zapragniesz zamienić swój algorytm ON-OFF (np. histeretyczny, dead-band czy jakiś taki) na bardziej "pro", np. wstawić jakiś model regulatora analogowego (P, PD, PID czy jeszcze coś bardziej wypasionego, sky is the limit w końcu) to 1 czy 2Hz tego układu nie zabiją a jednak zmiana wypełnienia PWM 0-100% z cyklem pętli 1s daje nowe pole do popisu.

Napisz jak już coś zbudujesz i zacznie mieć objawy działania.

[henryxxl]

Co kolega sądzi o dedykowanych driver mosfet? Przed wysłaniem projektu płytki do zrobienia chcę pomyśleć jak zrobić to najlepiej. 

Edit 

Może tlp251? 

Edytowano Październik 29, 2020 przez henryxxl

[marek1707]

Hm, dziwne pytanie. Sądzę, że to pożyteczne układy, ale nie wiem co jeszcze dodać. Sprawdzają się gdy musisz szybko sterować obciążeniem czysto pojemnościowym, a za takie można uznać bramkę MOSFETa. W Twoim przypadku niczego to nie poprawi ani nie pogorszy (no może oprócz budżetu), a akurat ta TOSHIBA wymaga zasilania od 10V więc a) musisz doprowadzić do niej 12V, b) przy takim sterowaniu to każdy MOSFET będzie dobry a wysiłki na szukanie jakiegoś wypasionego i czułego pójdą w piach. Grzałce - jak już wspomniałem, wystarczy PWM 1Hz więc to co wymyśliłeś do tej pory jest wystarczająco dobre. Zawsze możesz jednak podpiąć jakiś kwiatek do tego kożucha - to kwestia gustu. A jeśli chcesz pozostać przy sterowaniu bramki z 5V to Microchip robi rodzinkę takich maluchów MCP1401/1402/1415/1416 i całe mnóstwo innych, bo przejął kiedyś interes Micrel'a:

https://www.microchip.com/ParamChartSearch/Chart.aspx?branchID=90101

 

[henryxxl]

W takim razie pozostaje przy wcześniejszym schemacie ale jeszcze w ramach nauki może kolega powiedzieć czy mosfet STD25NF10LT4 będzie dobry, według mnie tak

[marek1707]

https://www.st.com/resource/en/datasheet/std25nf10lt4.pdf

W przypadku rozważań o sterowaniu bramki, pierwsze co to odszukujesz w tabelce wiersz "VGS(th) Gate threshold voltage" i czytasz: od 1 do 2.5V. Naprawdę niewiele dzieli zatem punkt pierwszych oznak życia kanału (prąd 250uA jest raczej bezużyteczny) od docelowego napięcia sterowania. Pali się zatem już żółte światełko, ale wciskasz gaz i może "zmieścisz się"? No to dalej napotykasz wykres "Figure 3. Output characteristics" i tam pierwsza krzywa jaką w ogóle było sens wykreślać jest dla V_GS=3V. I co na niej widzisz? Że 10A prądu drenu oznacza 4V spadku napięcia na tranzystorze. Prosto licząc 40W mocy strat, dziękujemy, pozamiatane.

Acha, dla przypomnienia wracasz do swojej pierwszej propozycji:

https://www.st.com/resource/en/datasheet/stb155n3lh6.pdf

gdzie na tym samym wykresie ("Figure 4. Output characteristics") najgorsza krzywa, także wykreślona dla 3V wygląda jednak tak, że dla 50A masz 0.5V i 25W mocy strat. Prąd 5 razy większy, straty dwa razy mniejsze. Świta? Oczywiście żaden z tych tranzystorów tak naprawdę nie nadaje się do pracy przy 3V, bo dopiero krzywe dla VGS=5V zaczynają zbliżać sie do miłego dla oka pęku wykresów oznaczających całkowicie otwarty kanał. No ale tak jak napisałem wcześniej, w tym konkretnym przypadku ten pierwszy, dzięki sporemu przewymiarowaniu, dla tak małego obciążenia powinien zadziałać.

Przy sterowaniu z 5V sytuacja w obu przypadkach jest sporo lepsza, ale nadal Twój pierwszy strzał bije tego ostatniego na głowę.

[henryxxl]

Teraz rozumiem, dzięki wielkie 😉