MOSFET HEXFET IRLB3034PBF, canal N, 40V, 195A, TO-220AB

IRLB3034PBF este un tranzistor MOSFET HEXFET cu canal N, in capsula TO-220AB, facut pentru comutarea curentilor mari la tensiuni de pana la 40 V. Fiind un MOSFET simplu, fara controller propriu, are nevoie de un microcontroler care sa-i comande poarta (gate). In acest tutorial folosim placa Arduino Uno R3, alimentata prin USB de la calculator, pentru ca iesirea ei de 5 V este suficienta pentru a deschide complet tranzistorul.

Il folosim pentru a aprinde si a regla luminozitatea unei benzi LED 5050 de 12 V, alimentata separat de la un alimentator de 12 VDC prin adaptorul de mufa DC cu terminale. Aceeasi schema se poate folosi pentru motoare, pompe, solenoizi sau relee, daca respectati tensiunea si curentul.

Cum functioneaza:

Un MOSFET cu canal N se comporta ca un comutator comandat in tensiune. Intre drena (D) si sursa (S) curentul trece sau nu, in functie de tensiunea dintre poarta (G) si sursa (S), notata VGS. Poarta nu consuma curent in regim stationar, ci doar in momentele de comutare, cand se incarca sau se descarca capacitatea ei de intrare.

IRLB3034PBF este optimizat pentru comanda la nivel logic. Pragul VGS(th) este intre 1.0 si 2.5 V, iar rezistenta in conductie RDS(on) este de maximum 2 mΩ la VGS = 4.5 V si de 1.4 mΩ tipic (1.7 mΩ maximum) la VGS = 10 V. Iesirea de 5 V a placii Arduino Uno il deschide complet, deci nu este nevoie de un driver de poarta. Tensiunea maxima pe poarta este de ±20 V, iar tensiunea maxima drena - sursa este de 40 V.

Curentul de drena este de 343 A limitat de siliciu si de 195 A limitat de capsula. In practica, limita reala o dau terminalele TO-220, firele si racirea, asa ca pentru curenti mari se calculeaza separat cablajul si radiatorul. Pentru o banda LED de 1 m, de aproximativ 14.4 W la 12 V, curentul este 14.4 W / 12 V = 1.2 A. Puterea disipata in tranzistor este P = I x I x RDS(on) = 1.2 x 1.2 x 0.002, adica aproximativ 3 mW, deci tranzistorul ramane rece si nu are nevoie de radiator. Valoarea de 14.4 W/m este tipica, asa ca verificati eticheta benzei dumneavoastra.

Reglajul luminozitatii se face prin PWM. Pinul D9 al placii Arduino Uno genereaza un semnal de aproximativ 490 Hz, deci o perioada de aproximativ 2 ms, iar functia analogWrite(9, valoare), cu valoare intre 0 si 255, stabileste cat din perioada este poarta activa. La 128 factorul de umplere este de aproximativ 50 %, banda primeste curent jumatate din timp si pare aprinsa la jumatate din luminozitate.

Rezistorul R1 de 220 ohmi, in serie cu poarta, limiteaza curentul de incarcare a portii la aproximativ 5 V / 220 ohmi = 23 mA, sub limita de 40 mA a unui pin Arduino Uno. Impreuna cu capacitatea de intrare de aproximativ 10.3 nF, R1 formeaza o constanta de timp de aproximativ 2.3 microsecunde, neglijabila fata de perioada PWM de aproximativ 2 ms. Rezistorul R2 de 10 kohmi, intre poarta si GND, mentine tranzistorul blocat cat timp placa se reseteaza sau pinul D9 este nedefinit, ca banda sa nu se aprinda singura la pornire.

Conectare:

Alimentati placa Arduino Uno prin cablul USB de la calculator, iar banda LED separat, de la un alimentator de 12 VDC (minimum 2 A pentru 1 m de banda), prin adaptorul de mufa DC mama 5.5 x 2.1 mm cu terminale. Tranzistorul comuta minusul benzei (comutare pe partea de masa, low side). Masa placii Arduino si minusul alimentatorului de 12 V trebuie legate impreuna, altfel semnalul de pe poarta nu are referinta. Semnalul D9 are nivel logic de 5 V, deci nu este nevoie de convertor de nivel. Tinand tranzistorul cu fata marcata spre dumneavoastra si cu terminalele in jos, ordinea de la stanga la dreapta este G, D, S. Talpa metalica este legata la drena, deci nu o lasati sa atinga alte piese metalice sau masa.

Daca in locul benzei LED comandati un motor, un releu sau un solenoid, puneti o dioda de protectie (de exemplu 1N5819 sau 1N4007) in paralel cu sarcina, cu catodul spre +12 V. Fara ea, varfurile de tensiune generate la oprire pot depasi 40 V si pot strica tranzistorul.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati la Tools > Board placa Arduino Uno, din pachetul Arduino AVR Boards, care vine instalat odata cu Arduino IDE. Daca lipseste, il instalati din Boards Manager. Programul foloseste doar functiile de baza ale Arduino, deci nu trebuie instalata nicio biblioteca.

Codul:

Programul parcurge cinci trepte fixe de luminozitate, apoi creste si scade lin luminozitatea benzei, afisand fiecare treapta pe monitorul serial.

/*
  IRLB3034PBF MOSFET driving a 12 V LED strip with PWM
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Libraries: none, the program uses only the core Arduino functions
  Wiring (TO-220AB, marked face toward you, leads down: G, D, S from left to right):
    Arduino D9  -> R1 220 ohm -> IRLB3034 G (Gate)
    IRLB3034 G  -> R2 10 kohm -> Arduino GND (pull-down)
    IRLB3034 D  -> LED strip minus (-)
    IRLB3034 S  -> DC jack adapter minus (-)
    Arduino GND -> DC jack adapter minus (-) (common ground)
    DC jack adapter plus (+) -> LED strip +12 V
    12 VDC power supply (minimum 2 A) -> DC jack adapter
*/
const uint8_t GATE_PIN = 9;                                       // PWM pin connected to the gate through R1
const uint8_t LEVELS[] = {0, 64, 128, 192, 255};                  // Brightness steps (0 - 255)
const uint8_t LEVEL_COUNT = sizeof(LEVELS) / sizeof(LEVELS[0]);   // Number of steps
// Apply a brightness value to the gate and print it as a percentage
void setBrightness(uint8_t value) {
  analogWrite(GATE_PIN, value);                                   // Set the PWM duty cycle
  uint8_t percent = (uint8_t)(((uint16_t)value * 100) / 255);     // Convert 0 - 255 to 0 - 100 %
  Serial.print(F("Brightness step: "));
  Serial.print(value);
  Serial.print(F(" ("));
  Serial.print(percent);
  Serial.println(F(" %)"));
}
void setup() {
  pinMode(GATE_PIN, OUTPUT);                                      // Gate pin is an output
  analogWrite(GATE_PIN, 0);                                       // Start with the strip off
  Serial.begin(9600);                                             // Start the serial monitor at 9600 baud
  Serial.println(F("IRLB3034 PWM test started on pin D9"));
}
void loop() {
  // Part 1: go through the fixed brightness steps
  for (uint8_t i = 0; i < LEVEL_COUNT; i++) {
    setBrightness(LEVELS[i]);                                     // Apply the current step
    delay(1500);                                                  // Keep it for 1.5 seconds
  }
  // Part 2: fade up smoothly
  Serial.println(F("Fade up"));
  for (int value = 0; value <= 255; value += 5) {
    analogWrite(GATE_PIN, value);                                 // Increase the duty cycle
    delay(20);                                                    // Short pause between steps
  }
  // Part 3: fade down smoothly
  Serial.println(F("Fade down"));
  for (int value = 255; value >= 0; value -= 5) {
    analogWrite(GATE_PIN, value);                                 // Decrease the duty cycle
    delay(20);                                                    // Short pause between steps
  }
}

Cum functioneaza codul:

Constanta GATE_PIN defineste pinul D9, care comanda poarta prin R1. Vectorul LEVELS contine cele cinci trepte de luminozitate (0, 64, 128, 192 si 255), iar LEVEL_COUNT este numarul lor, calculat automat din dimensiunea vectorului.

In setup() pinul GATE_PIN este configurat ca iesire cu pinMode(), se porneste cu analogWrite(GATE_PIN, 0), deci banda este stinsa, apoi se deschide portul serial la 9600 baud si se afiseaza un mesaj de pornire.

In loop() prima parte parcurge treptele din LEVELS. Pentru fiecare se apeleaza setBrightness(), care aplica valoarea cu analogWrite(), calculeaza procentul si il afiseaza, apoi se asteapta 1.5 secunde.

A doua parte creste luminozitatea de la 0 la 255 si o scade inapoi la 0 in pasi de 5, cu pauza de 20 ms intre pasi, ceea ce da un efect de aprindere si stingere lina. La valoarea 0 poarta ramane la 0 V, iar la 255 ramane permanent la 5 V.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 9600 baud. La fiecare treapta banda isi schimba luminozitatea, iar mesajele de mai jos apar in ordine, urmate de aprinderea si stingerea lina a benzei. Pe monitor se afiseaza doar treptele fixe.

IRLB3034 PWM test started on pin D9
Brightness step: 0 (0 %)
Brightness step: 64 (25 %)
Brightness step: 128 (50 %)
Brightness step: 192 (75 %)
Brightness step: 255 (100 %)
Fade up
Fade down
Brightness step: 0 (0 %)
Brightness step: 64 (25 %)
Brightness step: 128 (50 %)

Probleme frecvente:

Banda ramane stinsa la orice valoare. Cauza cea mai frecventa este lipsa masei comune sau ordinea gresita a pinilor. Verificati ca GND de la Arduino este legat la minusul adaptorului de mufa DC si ca terminalele sunt G, D, S de la stanga la dreapta, cu fata marcata spre dumneavoastra.

Banda este aprinsa permanent, chiar si la valoarea 0. Poarta poate fi nedefinita, daca R2 lipseste sau este nelegat la GND, sau tranzistorul este montat cu drena si sursa inversate, caz in care dioda interna conduce curentul. Verificati R2 si pozitia pinilor.

Nu apare nimic pe monitorul serial. Verificati ca viteza monitorului serial este setata la 9600 baud si ca placa Arduino Uno este selectata corect la Tools > Board si Tools > Port.

Tranzistorul se incalzeste. Cu o banda de 1.2 A nu ar trebui sa se incalzeasca. Daca se incalzeste, sarcina consuma mult mai mult decat ati calculat sau poarta nu primeste 5 V, de exemplu din cauza unui fir slab. Masurati tensiunea dintre G si S in conductie.

Placa Arduino se reseteaza sau se comporta ciudat la comanda unui motor sau a unui releu. Varfurile de tensiune de la oprirea sarcinii inductive perturba circuitul. Montati dioda de protectie in paralel cu sarcina, cu catodul spre +12 V.

Banda palpaie la valori mici de PWM. La factori de umplere mici, curentul mediu este foarte mic si orice zgomot este vizibil. Verificati conexiunile si folositi cabluri scurte pentru semnalul de comanda.

Limitari si sfaturi:

Tensiunea maxima drena - sursa este de 40 V, deci tranzistorul nu se foloseste direct la tensiuni de retea sau la tensiuni peste 40 V. Pe poarta nu depasiti ±20 V. Curentul de 195 A este o valoare de catalog a capsulei, iar in aplicatii reale limita este data de terminalele TO-220, de grosimea firelor si de racire, asa ca pentru curenti de ordinul zecilor de amperi folositi cabluri groase, lipituri bune si radiator.

Schema din acest tutorial comuta minusul sarcinii. Pentru comutarea plusului este nevoie de un MOSFET cu canal P sau de un driver dedicat. Placa Arduino Uno comanda poarta cu 5 V, la care RDS(on) este de maximum 2 mΩ. La comanda cu 3.3 V rezistenta in conductie nu este garantata si trebuie verificata pe montajul real.

Mai departe puteti comanda cu acelasi montaj o pompa, un ventilator, un motor mic cu dioda de protectie sau mai multe benzi LED in paralel, cu cate un tranzistor pentru fiecare canal de culoare.