Ovládanie MOSFET procesorom-najlepší spôsob (budič,optočlen)

Ahojte vospolok, chcem sa spytat akym sposobom je najlepsie ovladat mosfet. Znami ma poziadal aby som mu vyrobil nejaku regulaciu na elektrolyzu. Na elektrolyzu pouziva 12V a prud max 50A. Tak som zbastlil s atmegou8 spinanie mosfetu IRF1010Z pomocou pwm. Skusal som viacero variant najprv som riadil mosfet napriamo bez budica samozrejme blbost. Potom sa pouzil ako budic bc548 ale aj optoclen. Regulacia fungovala ale dost sa prehrieval mosfet ktory bol na masivnom chladici uz aj pri malych prudoch. A ked som stiahol spinanie na minimum zacal sa prehrievat odpor ktory bol zapojeny v gate tzv. pullup. Zaujimave je ked som s tym riadil jas halogenky tak prehrieval sa len mierne pri tom istom prude.

V datasheete k IRF1010EZ vyrobca uvadza operating temperature 175 stupnov. Je to bezna pracovna teplota?

Chcem sa spytat ake parametre si treba vsimat pri vybere mosfetu. Ja som vyberal podla dvoch parametrov prud - Id 75A, a odpor Rds 8,5m ohm.
Ake zapojenie by bolo najefektivnejsie?
Ovplyvnuje mosfet spinacia frekvencia pwm?
Ako sposobom merat prud ktory tecie do elektrolyzy?

Podla tychto obrazkov som to mal zapojene.

:arrow_right: administrator: přejmenováno z "Ovladanie mosfetu procesorom"
PWM-MOSFET.jpg
jYZSf.png

  1. pri prude 50A bude na tranzistore vykonova strata

50500,0085 = 21W

to je výkon ako prasa a niet sa co divit prehrievaniu a to i bez PWM.

  1. Na stratovy vykon velmi zle vplýva čas zatvárania a otvárania tranzistora.
    priklad: Ak sa ten bipolarny tranzistor vypne, na G sa postupne zvysuje napatie. Postupnost je dana nabijacim odporom v G (R1) a parazitnou kapacitou, ktorá sa musí nabiť.

Čím pomalšia bude frekvencia, tým bude percentuálne tranzistor v jednom z koncových stavov a tým menej sa budú prechodové javy prejavovať na jeho ohrievaní. Pod určitú frekvenciu ale samozrejme ísť nemôžeš kvôli samotnému použitiu.

Odpor v pull up (R1) sa nemá čo prehrievať, lebo jeho najvyššia výkonová strata je 12*12/10000 = 0,0144W = 14,4mW. To by si skoro ani prstom nepoznal. Musí tam byť potrom nejaký iný problém.

Místo 2N3905 použij darlington BC517 (30V/1A) to zajistí dostatečný proud do gejtu mosfetu do GND. A odpor R1 (10K) zmenši na cca 47R. Ten způsobí skoro 0,25A do gejtu do +12V. Vyzkoušej to. Jinak by jsi musel použít budič pro mosfet, např. tme.eu/cz/katalog/?idp=1&sea … _order=ASC. Na PC boardech byly pro buzení pomocných zdrojů 3,3V a 1,6V. Možná bys tam něco vydoloval. Při těch proudech je každé zpoždění náběhu při otevírání a zavírání znát, jak psal Martin. Zkus ještě snížit frekvenci pwm, ale asi to nepomůže, protože ten R1 je dost velký…

PS. Ještě mě napadlo, použít jako budiče duální tranzistory (např. MCP1406), které budí vn trafa pro CCFL výbojky. Dají i 6A do obou polarit.

:arrow_right: administrator: přiloženy externí soubory
budice.pdf (647 KB)

V prvom prispevku som to nespomenul znami to chce pouzivat trvalo na cca 18-20A. Vlastne aj cielom tej pwm je to uregulovat na takyto prud.

Ked som to ozivoval a testoval skusal som regulovat jas halogeniek mal som zapojene dve paralelne pri odbere 7A sa nahrieval minimalne. Ked som to napojil na elektrolyzu a nastavil na 7A vtedy som mu to prehrievalo aj na masivnom chladici. To mi prislo divne.

Niekde som cital ze ak mam nedostatocne budeny mosfet kapacita hradla sposobuje, ze hradlo nie je celkom otvorene. Vtedy je na mosfete velky ubytok napatia a teda aj vykonova strata. Aj preto nie som isty ci dobre som nabudil mosfet.

Pri pwm 100% je prud cca 50A. Ja potrebujem cca 20A to by malo byt pwm na 40%. Cize v tych 60% casu co je mosfet vypnuty sa nestihne ochladit? Ci zavisi to aka je rychla pwm?

Mikop tie suciastky v schemach su len ilustracne v skutocnosti som tam pouzil IRF1010EZ a BC548

Ak by cez tranzistor tiekol trvalo prud 20A, potom výkonová strata na ňom by bola:

20200,0085 = 3,4W

Ale u Teba ze neho tečie 40% času 50A, takže výkonová strata je

50500,0085 * 0,4 = 8,5W

Ak by si PWM riešil zo zdroja 30A, potom by výkonová strata bola

30300,0085 * 0,66 = 5,05W

Inak odpor hradla nemusí byť 0,0085ohm. To ani nemáš poriadne doma ako zmerať. Pri 10A by na DS bol úbytok 0,085V. Pri presnosti merákov na tak malom rozsahu môže byť chyba kľudne a niekoľko desiatok percent. Presnosť merákov sa udáva z macimálneho rozsahu. A možno by si za daných okolností pri konkrétnom kuse nameral o chlp väčší odpor. Tak i to môže hrať rolu v celkovej výkonovej strate.

Neviem, či máš predstavu čo to znamená tepelný výkon, ale ak je na púzdre TO220 0,5W, nedá sa na ňom udržať prst (alebo je to tak vyslovene na hranici) pri normálnej izbovej teplote.

Nechcem sa hádať, kto koľko vydrží, ale uvádzam to ako príklad tepelného výkonu. Takže tých 8,5W asi niekde bude cítiť. :slight_smile:

Ja by som na to išiel z druhej strany. Či vôbec má zmysel nejako riešiť budenie, či už tak ako je nie je blízke optimu.

Najlepšie je, ak by si zmeral teplotu FETu, teplotu chladiča, teplotu okolia a z parametrov chladiča a púzdra toho FETu (tepelný odpor) zistil, či namerané teploty zodpovedajú predpokladom. Ak áno (tak do 10-20% nad teoretické minimum), už s tým nič lepšie neurobíš. Ak je teplota vyššia, potom budú ešte rezervy v spínaní. Inak sa s tým spínaním nezdružuj. Načo, ak by komplikovanejšie zapojenie aj tak už nič prevratnejšieho v tepelnej strate neprinieslo?

Možná je to blbost, ale napadlo mě, že pokud je připojená žárovka je to jen odporová zátěž, ale elektrolyzér se bude chovat jako paralení kombinace odporu a kondenzátoru.

Pro spínání MOS-FETu z uProcesoru bych to zapojil takto:
Budič MOS-FET.GIF

Standa vyskusam tu tvoju schemu snad to bude lepsie, mas ju aj overenu?

Ide mi hlavne o to aby to tolko nekurilo. Chcem to dat do krabicky a kvoli velkym rozmerom chladica to tam nevojde.

Ked som to skusal na halogenkach tranzistor som nemal ani na chladici a hrial sa len mierne odber cca 7A.

Velmi nerad sa opakujem, ale ten princip ostava stale rovnaky:

770,0085 = 0,4165W. Na tom bez problemov udrzis prst aj ked by puzdro TO220 bolo úplne bez chladiča a ani nebudeš mať pocit, že by sa príliš hrialo.
Ty ale budeš mať pri 50A na tranzistore 20x väčšiu výkonovú stratu. To žiadnym budiacim obvodom neporiešiš.

Pred skúšaním kde akých zapojení, si najprv zmeraj tie teploty, aby si si overil, či má vôbec zmysel meniť zapojenie. Teploty si vyskúšaj pri rôznych frekvenciách PWM ale pri rovnakej striede. Čím vyššia frekvencia, tým bude kvôli stratám pri zmene stavu tranzistora vyššia jeho tepelná strata. Tak vieš odhadnúť, koľko energie strácaš v dôsledku spínania. Na tvojom mieste by som R1 miesto 10k dal 1k (bude na ňom najviac 0,144W) a s tým by som začal merania.

8.5W výkonovú stratu ale rozhodne nebudeš môcť “ukryť” v malej uzavretej krabičke - nieto ešte v plastovej. Tým miniálne 8,5W (to je výkonová strata bez strát na spínaní ) musí tá krabička vedieť odovzdať do okolia.
Výraze môžu pomôcť už aj dva malé ventilátory s priemrom 40mm.
Ide o to, aby si ohriaty vzduch nad chladičom účinne odsával a nahrádzal ho neotepleným vzduchom. Inak stojatý ohriaty vzduch nad chladičom bude brániť účinnejšiemu chladeniu a celé zariadenie sa bude viac a viac prehrievať až sa dosiahne stavu, kedy ochladzovanie povrchu krabičky okolitým vzdouchom bude v rovnováhe so zdrojom tepla vo vnútri. Čím lepšie tepelno izolačné vlastnosti bude krabička mať (naby na povrchu nepálila :slight_smile: ), tým horšie pre všetku elektroniku vo vnútri. Tá sa bude zohrievať dovtedy, dokedy neneastane tá tepelníá rovnováha s okolím.

Fyziku neoj…eš :slight_smile:

to Standa33: Ten Q3 je tam na čo a kedy bude vôbec otvorený?

V prilohe posielam mozne zapojenie budenia FETu s minimalizáciou prechodoveho času. S navrhovanym OZ s rychlostou prebehu 60V/us pri prude 50A a U 12V nebude pridavna strata sposobena spinanim vacsia ako

12V/60V*1us = 200ns

Pmax = Imax/2 * Umax/2 = 25A*6V= 150W po dobu 2 * 200ns
Skutocna vykonova strata bude mensia.

Pri frekvencii PWM 2,5kHz (perioda 400us) je pridaná vykonová strata
1/1000, t.j. približne 0,15W.

Pri frekvencii 25kHz to bude 1,5W a pri 250kHz to už bude 15W.

Výpočet nezahŕňa čas na ON/OFF samotného tranzistora. Treba si ho nájsť v datasheete.

Ak 40% času bude tiecť tranzistorom prúd 50A, potom celková výkonová strata bude v okoli

10W pre 25kHz PWM a 23,5W pre 250kHz. Skutočný výsledok bude samozrejme +/-

Ako uvádzam v schéme, na prúd 50A na plošnom spoji si treba dať pozor. Prierez vodiča by pri prúdovej hustote 6A/mm2 mal byť cez 8mm2.
plošný spoj musí byť dobre pocínovaný niekoľko milimetrovou vrstvou cínu. Sám som odparil niekoľko nedostatočne pocínovaných plošákov prúdom 10A.
Ak je tranzistor v puzdre TO220, nožičky má tenučké a tak treba zabezpečiť, aby z bolo z nich dobre odvádzané teplo, ktoré vzniká len prechodom 50A cez ne (okrem toho sa ohrievajú ešte aj samotným čipom) najlepšie hrubým vodičom hneď pri nich.
OZ_hysterezia.pdf (49.8 KB)

Ještě je možnost použít více mosfetů paralelně, pro lepší rozložení tepla na chladiči. Ale znamená to kvalitní budiče. Avšak ta ztráta bude stejná, jak psal Martin.

Viac FETov je veľmi dobrý nápad, lebo cez každý FET potečie taký prúd, v akom pomere bude mať odpor ku svojim susedom.

Takže ak by napríklad boli oba FETy viac menej rovnaké a každý by mal 0,0085ohm, potom by výsledná výkonová strata na každom z nich bola:

25250,0085 * 0,4 = 2,125W

spolu teda 4,25W, čo je polovica oproti 50500,0085 * 0,4 = 8,5W

Pri štyroch tranzistoroch by bola celková strata už len niečo cez 1W.

Presne to by bol dobrá cesta na znižovanie výkonovej straty.
A na budičoch až tak veľa záležať nebude. Najlepšie je použiť jeden na všetky tranzistory, čo v tomto prípade asi pôjde.
Ak by aj tieto mali rozne charakteristiky, prejavia sa len v krátkych okamihoch zmeny. Zapojenie viacerých tranzistorov na výkonovú stratu počas zmeny stavu predpokladám veľký vplyv mať nebude, takže pri 25kHz by som s tým 1,5W určite počítal. Preto z hľadiska celkovej straty ani nemá zmysel ísť do viac ako 3-4 tranzistorov.

Martin viem ze fyziku neototo :slight_smile: nepocital som s tym ze pri 40% otvoreneho mosfetu potecie 50A. Tam som spravil chybu.

Samozrejme pojde to do kovovej krabicky kde obal je aj ako chladic.

Martin budic si mal zapojeny v reale s mosfetom?

Mosfet pouzivam v puzdre TO220 mam ho nasroubovany na chladici. Privod ide rovno zo zdroja a odvod rovno na elektrodu jedine gate ide na plosak.

Teraz cisto hypoteticky:

Jeden mosfet mi zohreje chladic na napr 100 stupnov a ked pouzijem ten isty chladic ten isty prud ale 4 paralelne zapojene mosfety tak vykonova strata by sa mala rozlozit na jednotlive mosfety a tym padom aj klesnut teplota na stvrtinu povodnej?

Len doplním k príspevku od Standa33:

Tranzistor Q3 je tam na to, aby pomáhal rýchlo vybiť kapacitu Cgs tranzistora Q1. Jeho zopnutie nastane vtedy, keď rozopne Q2, na katóde D1 sa objaví napätie skoro rovnaké ako bolo napätie Vgs Q1 (vplyvom parazitnej kapacity) a na anóde D1 je napätie blízke nule kvôli R1.

Inak (ak sa doladia hodnoty súčiastok na konkrétne použitie) je táto schéma dobrá - sám ju používam. Doplnil by som len odpor medzi bázu-emitor Q4 o hodnote väčšej ako 10k.

Výkonová strata na nejakom reálnom spotrebiči sa rovná

P = U * I
U = I * R
I = U/R

takže substitúciou

P = I * I * R = U * U / R

vzorce uvádzam pre všeobecné povedomie, nie preto že by som si myslel že ich neovládaš.

Preto ak R = 0,0085 a I sa rovná povedzme 10A,

výkonová strata na spotrebiči s takým odporom bude 0,85W

Ale ak R takého spotrebiča tvoreného dvoma paralelnými FETmi, pričom každý má odpor 0,0085R bude

1/R = 1/R1 + 1/R2 = (R1 * R2)/(R1 + R2) = 0,00425R

Výkonová strata takého spotrebiča bude teda

10 * 10 * 0,00425R a to je 0,425W

Pričom každý z tých tranzistorov (ak sú +/- rovnaké) prispeje tepelným výkonom

5 * 5 * 0,0085 = 0,2125W

Celkovo sa spotrebič, ktorý bude mať menší odpor, bude menej hriať.
Ale pozor, aby si to niekto zle nevysletľoval.
Menej sa bude hriať na úkor toho, že viac výkonu sa prenesie do toho sériovo zapojeného spotrebiča, napríklad do žiarovky. Ak by tam tá žiarovka nebola a zdroj 12V napätia by bol ideálny, potom by cez spotrebič s polovičným odporom tiekol dvojnásobný prúd a tepelný výkon by bol 4x väčší.

príklad: Nech je odpor žiarovky 0,24ohm. to zodpoveda pri napätí 12V prúdu 50A. Výkon takej žiarovky je 600W.

Ak k nej zapojím sériovo zariadenie z FETu, ktorého odpor je 0,0085 obvodom potecie presne 12 /(0,24 + 0,0085) = 48,29A. Naschvál zanedbávam javy ako vnutorný odpor zdroja či zohrievanie odporu vplybom teploty a v dôsledku toho zmenu jeho hodnoty a tak podobne.

Na žiarovke bude pritom 0,24 * 48,29A * 48,29A = 559W
A na zariadení s FETom 0,0085 * 48,29A * 48,29A = 19,82W

Ak bude mať zariadenie s FETom polovičný odpor, napríklad v dôsledku toho, že sú tam FETy dva paralelne, potom to bude vyzerať nasledovne

12/(0,24 + 0,00425) = 49,13A

Na žiarovke bude pritom 0,24 * 49,13A * 49,13A = 579W
A na zariadení s FETom 0,00425 * 49,13A * 49,13A = 10,26W

(Je zaujímavé si všimnúť, že znížením odporu zariadenia na polovicu sme znížili jeho výkonovú stratu o cca 10W ale o 20W sme presunuli výkon na sériový spotrebič)

Zníženim odporu zariadenia pre spínanie klesne o polovicu, klesne jeho tepelná výkonová strata na polovicu. Každý spínací prvok (sú tam dva tranzistory paralelne) pritom prispeje výkonom niečo cez 5W, čo je štvrtina oproti stavu ake je v zaradení iba jeden tranzistor.

Teplota samozrejme neklesne na polovicu, ale rozdiel teploty medzi okolim a teplotou chladiča by na polovicu klesnúť mohol. Ale nie preto, že sú tam dva spínacie prvky, ale v dôsledku polovičného odporu zariadenia.

Toto všetko sa týka statického stavu ON a zvýšenia spotreby v dôsledku zmeny stavu. Pri zmene stavu sa odpor každého z FETov mení z hodnoty 0,0085 na hodnotu prakticky nekonečno - čiže vypnutý stav. A prechádza všetkými možnými hodnotami. Ak by bola zmena odporu v čase zmeny lineárna, najväčšia výkonová strata na FETe bude, keď bude mať akurát hodnotu odporu tej žiarovky. Pri vyššom odpore už natoľko klesne prúd, že celkový výkon bude menší.

Neurobíme veľkú chybu, ak budeme počítať, že tranzistor má počas doby prepnutia práve tú najnepriaznivejšiu hodnotu, čiže 0,24ohm. A je stále v sérii so žiarovkou. V čase prepnutia bude tera výkonová strata

12 * 12V/(0,24 + 0,24) = 300W a o tento výkon (pri prúde 25A) sa zariadenie s FETom po bratsky šábne s tou žiarovkou. Takže na zariadenie ostane 150W po dobu napríklad 200ns. Ak tento stav nastáva každých 20us, potom na zariadení bude strata maximálne 1,5W. To už ale nezávisí od toho, či má zariadenie v zapnutom stave odpor 0,0085ohm, alebo 0,1ohm, alebo 0,00000001ohm.

Ak by čas zmeny nebol 0,2us ale povedzme 1us, tak už pri frekvencii zmeny (dvojnásobná ako frekvencia PWM) by sme už mali dodatočnú výkonovú stratu 7,5W. A to je oproti 1,5W celkom slušný nárast. Samozrejme, znížiť ju vieme 5 násobným znížením frekvencie PWM. A to by sme museli ísť z 25kHz na 5kHz. Otázne je, či to tomu sériovo zapojenému spotrebiču urobí dobre. Pre žiarovku môžeme ísť kľudne až na 100Hz - to by ešte ľudskému oku nemalo vadiť.

Ještě jsem našel v archívu přiložené zapojení. Je to pro řízení nějakého elektrického vozíku či co. Už ale nevím, odkud jsem to stáhnul.
Regulace PWM.jpg

OZ MC1458 (uvedené v priamo schéme) má rýchlosť prebehu 0,8V/us, takže zopnutie/vypnutie by trvalo 75x pomalsie ako pri AD0803.

TL082 ma 13V/us.

TL082/72/62 sú dobre OZ, ak je pri nich akceptovateľná 4,6x vyššia výkonová strata pri rovnakej frekvencii PWM oproti OZ s 60V/us.

TL082 vyžadujú však záporné Un pre dosiahnutie nulového napatia na výstupe. Ak je -Un = GND, potom menej ako 1,7-2,5V na výstupe nedostanete. Teda pri napäti GS 2,5-3V musí byť FET bezpečne vypnutý. Inak to fungovať nebude.

Předpokládám, že potřebuješ něco takového: h2shop.cz/index.php?p=h2-shop&sk … ticleID=35

To Martin: schéma je odsud: volny.cz/mir.smid/trikolka/trikolka.html

Martin posobis ako vysokoskolsky profesor? :slight_smile: dakujem za podrobny vyklad.

Vyskusam to s AD8030. K tej scheme aka ma byt hodnota R3?

Mikop presne nieco take by som chcel zostrojit.

A este jedna otazka akym sposobom by bolo najvhodnejsie merat prud? Hallova sonda, bocnik?

R3 ma mat taku hodnotu, aby cez zenerku tiekol dostatocny prud, aby na nej tie cca 3V boli. Može tam byt nieco medzi 1k az 10k. Ja by som tam osobne dal 3k3 alebo 4k7.

Nie, nie som VS profesor, som len praktik 100x popálený pri snahe zjedodušovať si veci. Tak som jednak opatrný a jednak asi viac nad konštrukciami rozmýšľam a asi aj nejaké tie skúsenosti so súčiastkami sa nájdu. :slight_smile:

Na meranie tak vysokeho js. prúdu by asi bolo vhodné použiť špecializované šváby s hallovou sondou, ale niekde na fórach sa píše, že sú závilé od okolitého prostredia. Hlavne pri ofsete js zložky v závislosti od teploty pri meraní jednosmerného prúdu s tým môžu byť problémy. Ale na Tvojom mieste bysom vyskusal aj to. Tozhodne je to mensie ako nasledovne riesenie.

Asi by bolo najlepšie, ak by sa Ti podarilo spraviť odpor v okolí 0,001R. Pri 50A by na ňom bol úbytok 0,05V a výkonová strata 2,5W. To je hodnota čo? A tak veľké teplo iba kvôli meraniu prúdu. A to ešte musíš mať vyšpekulované, ako ho uchladíš. Tých 50mV si budeš musieť samozrejme zosilniť, napríklad tým druhým OZ z puzdra AD8030. Myslím, že ten AD8030 (nemám osobne skúsenosti) by celkovo stál za to, lebo na tie vlastnosti ani nie je moc drahý (v TME do 2,5EUR ).

Nasiel som Ti toto a maju ich na sklade

tme.eu/sk/details/pwr4412-2s … sdr0100f/#

Na hodnotu 0,001R ich musis mat 10 zapojených paralelene.

Takze ked si to zhrniem. Pouzijem 4 mosfety IRF1010EZ ako budic AD8030 pre vsetky 4 mosfety. Na meranie prudu 10 paralelne spojenych odporov o hodnote 0,01R. Inak prud staci meriat orientacne s presnostou na 1A.