MOSFET STP55NF06 P55NF06, canal N, 60V, 50A, TO-220

Tranzistorul MOSFET STP55NF06 (marcaj P55NF06) este un tranzistor de putere cu canal N, in carcasa TO-220, pentru tensiuni de pana la 60 V si curent continuu de pana la 50 A. In proiecte il folosim ca intrerupator electronic comandat de un semnal logic. Poate porni si opri benzi LED, motoare mici, electrovalve, becuri sau relee de 12 V, iar daca semnalul de comanda este PWM, poate regla si luminozitatea sau turatia.

In acest tutorial folosim placa Arduino Uno R3, care ofera semnalul PWM pe pinul D9, si comandam o banda LED de 12 V. Tranzistorul este montat pe partea de masa a sarcinii (low-side switch), iar alimentarea de 12 V vine de la un adaptor separat.

Cum functioneaza:

MOSFET-ul are trei terminale: Gate (poarta), Drain (drena) si Source (sursa). Intre Drain si Source curentul de sarcina trece doar cand tensiunea dintre Gate si Source (VGS) depaseste pragul de deschidere. Poarta nu consuma curent continuu, ci doar se incarca si se descarca asemenea unui condensator mic, deci un pin de Arduino este suficient pentru a comanda sarcini mult mai mari.

Pragul VGS(th) al STP55NF06 este intre 2 V si 4 V, cu 3 V tipic. Rezistenta in conductie RDS(on) este de 0.015 ohmi tipic si maxim 0.018 ohmi, dar este garantata numai pentru VGS = 10 V. Arduino Uno ofera la iesire 5 V, deci tranzistorul se deschide, dar nu complet. Din acest motiv in tutorial folosim o sarcina modesta, de aproximativ 1.5 A, la care incalzirea ramane neglijabila. Pentru curenti mari se comanda poarta la 10 - 12 V printr-un circuit driver sau se alege o varianta logic-level, de exemplu STP55NF06L.

Puterea disipata in tranzistor se estimeaza cu formula P = I x I x RDS(on). Pentru 1.5 A si 0.018 ohmi rezulta P = 1.5 x 1.5 x 0.018, adica aproximativ 0.04 W. Este o valoare orientativa, calculata pentru 10 V pe poarta, iar la 5 V rezistenta reala este mai mare. Daca puterea disipata depaseste aproximativ 1 W, adaugati un radiator.

Rezistorul de 220 ohmi in serie cu poarta limiteaza curentul de incarcare al capacitatii de intrare, de aproximativ 1.3 nF (Ciss tipic 1300 pF), cand pinul D9 trece brusc in HIGH. Curentul de varf este de cel mult 5 V / 220 ohmi, adica aproximativ 23 mA, in limitele pinului. Constanta de timp este 220 ohmi x 1.3 nF, adica aproximativ 0.29 microsecunde, mult mai mica decat perioada PWM de aproximativ 2 ms (frecventa implicita a pinului D9 este de aproximativ 490 Hz). Rezistorul de 10 kohmi dintre poarta si GND tine tranzistorul blocat cat timp Arduino se reseteaza sau porneste si pinul este inca in stare nedefinita.

Functia analogWrite(pin, valoare) accepta valori intre 0 si 255. Factorul de umplere este valoare / 255, de exemplu 128 inseamna aproximativ 50 %. Banda primeste in medie aceeasi fractiune din tensiunea de 12 V, deci lumineaza proportional mai slab sau mai puternic.

Conectare:

Pinii se numara privind tranzistorul cu fata marcata spre dumneavoastra si terminalele in jos, de la stanga la dreapta: 1 = Gate, 2 = Drain, 3 = Source. Placuta metalica din spate este legata electric la Drain, deci are tensiunea sarcinii cand aceasta este oprita. Nu o lasati sa atinga alte piese metalice. Arduino Uno este alimentat prin USB de la calculator, iar banda LED este alimentata de adaptorul de 12 VDC, de minimum 2 A, conectat la un adaptor jack 5.5 x 2.1 mm cu terminale cu surub. Masele celor doua alimentari trebuie legate impreuna.

Tensiunea de comanda este de 5 V (logica Arduino Uno), deci nu este nevoie de convertor de nivel. Nu aplicati pe poarta mai mult de 20 V, valoarea maxima absoluta a tranzistorului. Daca in loc de banda LED comandati o sarcina inductiva (motor, electrovalva, releu), montati in paralel cu sarcina o dioda de protectie 1N4007 sau 1N5819, cu catodul la +12 V.

Placa si biblioteci:

Selectati in Arduino IDE placa Arduino Uno, din meniul Tools > Board > Arduino AVR Boards. Pachetul Arduino AVR Boards vine odata cu Arduino IDE, deci nu trebuie instalat separat. Programul foloseste doar functiile de baza ale Arduino, asa ca nu trebuie instalata nicio biblioteca.

Codul:

Programul creste treptat factorul de umplere PWM pe pinul D9 de la 0 la 255, mentine banda aprinsa complet, apoi o stinge treptat si repeta ciclul, afisand nivelul pe monitorul serial.

/*
  STP55NF06 (P55NF06) PWM low-side switch test
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards, package "Arduino AVR Boards")
  Libraries: none, the program uses only the core Arduino functions.
  Wiring:
    Arduino D9  -> R1 220 ohm -> MOSFET Gate (pin 1)
    MOSFET Gate (pin 1) -> R2 10 kohm -> Arduino GND (pull-down)
    MOSFET Drain (pin 2) -> LED strip GND (minus)
    MOSFET Source (pin 3) -> minus of the DC jack adapter
    Arduino GND -> minus of the DC jack adapter (common ground)
    Plus of the DC jack adapter (12 VDC, min. 2 A) -> LED strip +12V
  The Arduino is powered from the PC through USB.
*/
const uint8_t GATE_PIN = 9;                  // PWM pin that drives the MOSFET gate through R1
const unsigned long STEP_DELAY_MS = 20;      // Delay between two brightness steps
const unsigned long HOLD_DELAY_MS = 1500;    // Time spent fully on and fully off
// Set the PWM level (0 - 255) and print it every 25 steps
void setLevel(int level) {
  analogWrite(GATE_PIN, level);              // Output the PWM signal to the gate
  if (level % 25 == 0) {
    int percent = (level * 100L) / 255;      // Duty cycle in percent
    Serial.print("Gate level: ");
    Serial.print(level);
    Serial.print(" / 255 (duty ");
    Serial.print(percent);
    Serial.println(" %)");
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);                        // Start the serial monitor at 9600 baud
  pinMode(GATE_PIN, OUTPUT);                 // Gate pin is an output
  analogWrite(GATE_PIN, 0);                  // Start with the MOSFET off
  Serial.println("STP55NF06 PWM test started");
}
void loop() {
  Serial.println("Fading up");
  for (int level = 0; level <= 255; level += 5) {   // Ramp up from off to full on
    setLevel(level);
    delay(STEP_DELAY_MS);
  }
  delay(HOLD_DELAY_MS);                      // Stay fully on
  Serial.println("Fading down");
  for (int level = 255; level >= 0; level -= 5) {   // Ramp down from full on to off
    setLevel(level);
    delay(STEP_DELAY_MS);
  }
  delay(HOLD_DELAY_MS);                      // Stay fully off
}

Cum functioneaza codul:

La inceput definim constanta GATE_PIN cu valoarea 9, pinul PWM care comanda poarta prin R1. Constantele STEP_DELAY_MS (20 ms) si HOLD_DELAY_MS (1500 ms) stabilesc viteza cu care se schimba luminozitatea si cat timp banda ramane complet aprinsa sau complet stinsa.

Functia setLevel(level) scrie valoarea PWM pe pin cu analogWrite si, la fiecare multiplu de 25, calculeaza factorul de umplere in procente (level * 100L) / 255 si il afiseaza pe monitorul serial.

In setup() pornim comunicatia seriala la 9600 baud, configuram GATE_PIN ca iesire si il punem pe 0, ca tranzistorul sa porneasca blocat. In loop() un ciclu for creste level de la 0 la 255 cu pasul 5, asteapta HOLD_DELAY_MS, apoi un al doilea ciclu for il scade de la 255 la 0 si asteapta din nou HOLD_DELAY_MS.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 9600 baud. Banda LED trebuie sa se aprinda treptat, sa ramana complet aprinsa 1.5 secunde, apoi sa se stinga treptat, iar pe monitor apar mesajele de mai jos.

STP55NF06 PWM test started
Fading up
Gate level: 0 / 255 (duty 0 %)
Gate level: 25 / 255 (duty 9 %)
Gate level: 50 / 255 (duty 19 %)
Gate level: 75 / 255 (duty 29 %)
Gate level: 100 / 255 (duty 39 %)
Gate level: 125 / 255 (duty 49 %)
Gate level: 150 / 255 (duty 58 %)
Gate level: 175 / 255 (duty 68 %)
Gate level: 200 / 255 (duty 78 %)
Gate level: 225 / 255 (duty 88 %)

Probleme frecvente:

Banda nu se aprinde deloc. Cauza obisnuita este ordinea gresita a pinilor. Verificati ca Gate este pinul 1, Drain pinul 2 si Source pinul 3, privind tranzistorul cu fata marcata spre dumneavoastra si terminalele in jos, si ca adaptorul de 12 V este conectat.

Banda lumineaza slab chiar la valoarea 255. La 5 V pe poarta tranzistorul nu este complet deschis, iar rezistenta lui este mai mare decat valoarea de 0.018 ohmi data pentru 10 V. Verificati ca sarcina nu depaseste aproximativ 1.5 A, iar pentru sarcini mari folositi un driver de poarta la 10 - 12 V sau o varianta logic-level.

Banda ramane aprinsa la pornire sau palpaie cand se reseteaza placa. Rezistorul R2 de 10 kohmi dintre poarta si GND lipseste sau are un contact slab. Verificati-l.

Nimic nu functioneaza desi conexiunile par corecte. Masa placii Arduino nu este legata la minusul adaptorului de 12 V. Fara masa comuna, semnalul de pe poarta nu are referinta fata de Source.

Tranzistorul se incalzeste. Sarcina este prea mare pentru comanda de 5 V sau lipseste un radiator. Reduceti curentul sau montati un radiator pe placuta metalica.

Nu apare nimic pe monitorul serial. Verificati viteza de 9600 baud si portul selectat in Tools > Port.

Limitari si sfaturi:

STP55NF06 nu este un MOSFET logic-level. Valorile de 60 V si 50 A sunt limite maxime, iar la comanda de 5 V se lucreaza practic cu sarcini mult mai mici. Tensiunea maxima intre poarta si Source este de 20 V, iar curentul real depinde si de racire, deoarece rezistenta termica jonctiune-mediu este de 62.5 °C/W fara radiator.

Frecventa PWM implicita a pinului D9 este de aproximativ 490 Hz, potrivita pentru benzi LED si motoare mici. Pentru un montaj mai puternic folositi un driver de poarta alimentat la 10 - 12 V, iar la sarcini inductive montati intotdeauna o dioda de protectie. Pe aceeasi schema puteti comanda un motor de curent continuu, o electrovalva sau un bec de 12 V.