Tranzistorii MOSFET difera de cei bipolari atat in constructia lor cat si in folosirea lor. Daca tranzistorii bipolari amplificau curentul din baza atunci tranzistorul MOSFET foloseste tensiunea ca sa creeze curent. De fapt MOSFET-ul este folosit ca un comutator ideal si nu ca amplificare desi este intalnit in scheme de amplificare audio. Foarte putine MOSFET-uri sunt folosite de fapt create pentru amplificare audio, se cunosc cei de tip Lateral creati de TOSHIBA seria 2SJ. Deoarece nu vrem sa ramana dileme in privinta acestor tranzistori am creat un articol de tip intrebari frecvente. Desigur nu ne vom opri aici in descoperirea tainelor acestui tip de tranzistor, ci vor aparea articole ulterioare care vor completa cele mentionate mai jos. Aceasta de fapt este o scurta introducere care reprezinta notiuni de baza.
Prima intrebare este de fapt cea mai de baza notiune , care am intalnit-o in mai multe site-uri discutata.
De ce se "ard" MOSFET-urile din puntea H?
Deoarece MOSFET-urile nu au fost decuplate cu o rezistenta din poarta in sursa de minim 10KOhmi. O rezistenta mai mare de 47Kohmi ar face ca acestia sa ramana deschisi. Ei sunt mereu deschisi si trebuie fortati sa se inchida. Teoria spune ca un tranzistor MOSFET are prag de deschidere de la 2.5V. Nu v-as sfatui sa deschideti un Mosfet la aceasta tensiune cu o sarcina (consumator) conectat. Riscati sa se intample un "poc". Vom discuta intr-un articol ulterior de ce si cum folosind graficele din foaia de catalog.
Ce MOSFET sa aleg pentru puntea H ?
Indiferent la ce utilizati puntea H trebuie alese MOSFET-urile in functie de parametrii necesari (tensiune, curent si frecventa). Cel mai utilizat este Arduino pentru controlul puntilor H, dar puntile H nu trebuie controlate direct din Arduino deoarece in functie de capacitatea poarta sursa , curentul necesar deschiderii Mosfet-ului mai ales in frecventa creste cu o functie lineara . Curentul este dat de capacitatea portii inmultita cu frecventa semnalului. De aceea trebuie ales un Mosfet cu un Qgs foarte mic. Factorul de performanta al unui MOSFET sau FOG ( figure of merit) este dat de produsul Qgs * Rds , unde Qgs este capacitatea poarta sursa si rezistenta drena sursa(care variaza cu tensiunea de deschidere Vgs) . O tensiune de deschidere mare asigura scaderea drastica a Rds pana la valoarea la care ea este trecuta ca fiind nominala in foaia de catalog in general pe prima pagina. Un sfat ar fi alegerea unui Mosfet cu capacitatea poarta sursa foarte mica, desi acestea sunt de putere mica pana in 100W disipati (atentie!!!!). Compromisul este dat de capacitatea poarta sursa si rezistenta drena sursa . Nu pot fi amandoua foarte mici , iar o capacitate mica poarta sursa inseamna ca si tranzistorul este de putere mica. Dar exista drivere care pot sustine acesti tranzistori cum ar fi cele gen Low Side Drivers( un articol despre genul acesta de drivere dar si High Side Drivers va fi creat).
Cat de mult conteaza tensiunea drena sursa aplicata si curentul prin drena ?
Deoarece MOSFET-urile nu au fost decuplate cu o rezistenta din poarta in sursa de minim 10KOhmi. O rezistenta mai mare de 47Kohmi ar face ca acestia sa ramana deschisi. Ei sunt mereu deschisi si trebuie fortati sa se inchida. Teoria spune ca un tranzistor MOSFET are prag de deschidere de la 2.5V. Nu v-as sfatui sa deschideti un Mosfet la aceasta tensiune cu o sarcina (consumator) conectat. Riscati sa se intample un "poc". Vom discuta intr-un articol ulterior de ce si cum folosind graficele din foaia de catalog.
Ce MOSFET sa aleg pentru puntea H ?
Indiferent la ce utilizati puntea H trebuie alese MOSFET-urile in functie de parametrii necesari (tensiune, curent si frecventa). Cel mai utilizat este Arduino pentru controlul puntilor H, dar puntile H nu trebuie controlate direct din Arduino deoarece in functie de capacitatea poarta sursa , curentul necesar deschiderii Mosfet-ului mai ales in frecventa creste cu o functie lineara . Curentul este dat de capacitatea portii inmultita cu frecventa semnalului. De aceea trebuie ales un Mosfet cu un Qgs foarte mic. Factorul de performanta al unui MOSFET sau FOG ( figure of merit) este dat de produsul Qgs * Rds , unde Qgs este capacitatea poarta sursa si rezistenta drena sursa(care variaza cu tensiunea de deschidere Vgs) . O tensiune de deschidere mare asigura scaderea drastica a Rds pana la valoarea la care ea este trecuta ca fiind nominala in foaia de catalog in general pe prima pagina. Un sfat ar fi alegerea unui Mosfet cu capacitatea poarta sursa foarte mica, desi acestea sunt de putere mica pana in 100W disipati (atentie!!!!). Compromisul este dat de capacitatea poarta sursa si rezistenta drena sursa . Nu pot fi amandoua foarte mici , iar o capacitate mica poarta sursa inseamna ca si tranzistorul este de putere mica. Dar exista drivere care pot sustine acesti tranzistori cum ar fi cele gen Low Side Drivers( un articol despre genul acesta de drivere dar si High Side Drivers va fi creat).
Cat de mult conteaza tensiunea drena sursa aplicata si curentul prin drena ?
Conteaza in alegerea MOSFET-ului , tensiunea Vds trebuie aleasa mult mai mare decat tensiunea de alimentare a puntii la fel si Id adica curentul prin drena implicit curentul prin punte. Graficul SOA din foaia de catalog va permite sa faceti o imagine asupra alegerii Mosfet-ului astfel incat acesta sa nu se distruga. Chiar daca nu imediat , in timp urmele lasate de atingerea limitei maxime de functionare va duce la distrugerea totala a acestuia. Graficul SOA are ca efect cresterea fiabilitatii si robustetii puntei H, daca se fac alegerile corecte.
Tensiunea Vds poate creste atunci cand se deschide si se inchide MOSFET-ul, mai mult decat tensiunea de alimentare. De ce? Datorita autoinductiei. Care? A bobinei motorului si a piciorului tranzistorului care detine propria inductanta de circa 10nH. Chiar daca piciorul tranzistorului are o inductanta neglijabila, chiar si cu o sarcina pur rezistiva tot exista autoinductie la frecvente mari dar si datorata comutarii rapide de inchidere si deschidere a tranzistorului de circa 20-30nS.
Tensiunea autoinductiei este cu semnul minus si este egala cu L*di/dt , unde L este inductanta totala iar di/dt , este curentul in intervalul de timp.
Transformati totul in sistem international si veti obtine Volti.
SOA - Safe Area Operation ( zona de operare sigura) care este o functie de tensiune , curent si frecventa de comutatie a semnlului pe poarta ( de cate ori pe secunda deschid si inchid tranzistorul).
Transformati totul in sistem international si veti obtine Volti.
SOA - Safe Area Operation ( zona de operare sigura) care este o functie de tensiune , curent si frecventa de comutatie a semnlului pe poarta ( de cate ori pe secunda deschid si inchid tranzistorul).
Cum afecteaza cablajul functionarea corecta sau incorecta a MOSFET-ului ?
Cablajul imprimat proiectat afecteaza modul cum functioneaza MOSFET-ul, in sensul autoinductiilor si oscilatiilor produse de traseul semnalului(lungimea si latimea sa, dielectricul cablajului , impedanta traseului). De asemenea trebuie minimizate buclele de intoarcere ale semnalului. De exemplu bucla creata intre poarta si sursa trebuie sa fie cat mai mica. Curentii mari care trec prin punte necesita traseu gros, iar masa cablajului trebuie sa fie cat mai larga (in sensul ground plane) , conectata intr-un singur punct.Stanarea traseelor ce conduc curentii mari implicit a masei centrale duce la micsorarea impedantei traseelor, benefica circulatiei curentilor. Partitionarea maselor de semnal si de putere trebuie realizate foarte atent pentru a preveni introducerea curentilor mari in masa de semnal ce ar provoca ridicarea masei sau ground bounce cum este specificat in limba engleza. Daca masa atinge un potential ridicat , atunci intrarile logice ale controler-ului ar putea fi activate de catre acesti curenti si ar provoca autooscilatie, ce ar duce la distrugerea tranzistorilor.
Exista o formula de succes in alegerea MOSFET-ului?
Nu poate exista, deoarece aplicatiile sunt diferite. Exista dar pe intervale foarte restranse ale frecventei de comutatie si ale tensiunii Vds. De asemenea controlul acestuia devine mai complex si mai costisitor. Exista optimizari ale alegerii MOSFET-ului , dar acestea sunt folosite la surse in comutatie care tind spre eficiente de 90 %. In acest caz orice Watt disipat duce la scaderea eficientei.
Care este cea mai intalnita problema care duce la defectarea cea mai rapida a puntei H si a tuturor tranzistorilor MOSFET?
Cea mai intalnita este aceea in care toti tranzistorii se deschid in acelasi timp, pentru o perioada mai lunga de timp ei raman deschisi, incalzindu-se excesiv si efectiv distrugandu-se. Atunci cand se deschid , consumatorul lor devine practic masa circuitului care are o impedanta foarte mica de cativa miliohmi + rezistenta Rds * 2. Sa spunem ca impedanta totala a celor 2 tranzistori plus cea a masei circuitului are 200miliohmi. La o tensiune de 24 V , curentul care trece prin ambii tranzistori va fi de 120 Amperi. Deja aproape orice tranzistor chiar si de putere mai mare va fi afectat grav daca nu chiar distrus. Pentru fractiuni mici de timp el se poate defecta iar daca pun la socoteala un timp mai mare de cateva milisecunde sa spunem 10ms sau mai mult deja numai are rost sa facem calcule. Acest fenomen poarta numele de shoot-trough din limba engleza, adica strapungerea tranzistorilor.
