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

Az IRLB3034PBF egy N-csatornás HEXFET MOSFET tranzisztor TO-220AB tokban, nagy áramok kapcsolására készült, legfeljebb 40 V feszültségig. Mivel egyszerű MOSFET, saját vezérlője nincs, ezért szükség van egy mikrokontrollerre, amely vezérli a kapuját (gate). Ebben a bemutatóban egy Arduino Uno R3 kártyát használunk, amelyet USB-n keresztül a számítógépről táplálunk, mert 5 V-os kimenete elegendő a tranzisztor teljes kinyitásához.

Arra használjuk, hogy egy 12 V-os 5050 LED szalagot kapcsoljunk be és szabályozzuk a fényerejét, amelyet külön, egy 12 VDC tápegységről táplálunk a végekkel ellátott DC dugaszos adapteren keresztül. Ugyanez a kapcsolás használható motorokhoz, szivattyúkhoz, szelepekhez vagy relékhez is, ha betartja a feszültséget és az áramot.

Hogyan működik:

Az N-csatornás MOSFET feszültséggel vezérelt kapcsolóként viselkedik. A drain (D) és a source (S) között az áram attól függően folyik vagy nem, hogy mekkora a feszültség a kapu (G) és a source (S) között, amelyet VGS jelöl. Állandósult állapotban a kapu nem fogyaszt áramot, csak a kapcsolás pillanatában, amikor a bemeneti kapacitása töltődik vagy kisül.

Az IRLB3034PBF logikai szintű vezérlésre van optimalizálva. A VGS(th) küszöb 1.0 és 2.5 V között van, a bekapcsolt állapotbeli ellenállás RDS(on) pedig legfeljebb 2 mΩ VGS = 4.5 V esetén, és tipikusan 1.4 mΩ (maximum 1.7 mΩ) VGS = 10 V esetén. Az Arduino Uno 5 V-os kimenete teljesen kinyitja, ezért nincs szükség kapuvezérlő driverre. A kapu maximális feszültsége ±20 V, a drain - source maximális feszültsége pedig 40 V.

A drain áram szilíciumra korlátozva 343 A, tokra korlátozva 195 A. A gyakorlatban a valódi határt a TO-220 kivezetések, a vezetékek és a hűtés adja meg, ezért nagy áramoknál külön kell számolni a huzalozást és a hűtőbordát. Egy 1 m-es LED szalagnál, amely 12 V-on körülbelül 14.4 W, az áram 14.4 W / 12 V = 1.2 A. A tranzisztorban disszipált teljesítmény P = I x I x RDS(on) = 1.2 x 1.2 x 0.002, vagyis körülbelül 3 mW, így a tranzisztor hideg marad, és nincs szüksége hűtőbordára. A 14.4 W/m érték tipikus, ezért ellenőrizze a szalagja címkéjét.

A fényerő szabályozása PWM-mel történik. Az Arduino Uno D9 lába körülbelül 490 Hz-es jelet generál, vagyis körülbelül 2 ms-os periódust, az analogWrite(9, érték) függvény pedig, ahol az érték 0 és 255 között van, megadja, hogy a periódusnak mekkora részében aktív a kapu. 128-nál a kitöltési tényező körülbelül 50 %, a szalag az idő felében kap áramot, és a fényereje félnek látszik.

Az R1 220 ohmos ellenállás, amely sorosan van a kapuval, körülbelül 5 V / 220 ohm = 23 mA-re korlátozza a kapu töltőáramát, ami az Arduino Uno 40 mA-es lábhatára alatt van. A körülbelül 10.3 nF-os bemeneti kapacitással együtt az R1 körülbelül 2.3 mikroszekundumos időállandót alkot, ami elhanyagolható a körülbelül 2 ms-os PWM periódushoz képest. Az R2 10 kohmos ellenállás a kapu és a GND között tartja a tranzisztort lezárva, amíg a kártya újraindul vagy a D9 láb nincs definiálva, így a szalag nem kapcsol be magától indításkor.

Csatlakoztatás:

Táplálja az Arduino Uno kártyát a számítógép USB-kábelén keresztül, a LED szalagot pedig külön, egy 12 VDC tápegységről (1 m szalaghoz legalább 2 A), a 5.5 x 2.1 mm-es DC anyacsatlakozós adapteren keresztül, végekkel. A tranzisztor a szalag negatív pólusát kapcsolja (low side kapcsolás, földoldali kapcsolás). Az Arduino kártya földjét és a 12 V-os tápegység negatív pólusát össze kell kötni, különben a kapu jelének nincs referenciája. A D9 jel logikai szintje 5 V, ezért nincs szükség szintillesztőre. A tranzisztort a jelölt oldalával Ön felé fordítva, a kivezetésekkel lefelé tartva, a sorrend balról jobbra G, D, S. A fémlap a drainhez van kötve, ezért ne engedje, hogy más fémalkatrészekhez vagy a földhöz érjen.

Ha a LED szalag helyett motort, relét vagy szolenoidot vezérel, helyezzen egy védődiódát (például 1N5819 vagy 1N4007) a terhelés párhuzamosan, a katóddal a +12 V felé. Enélkül a kikapcsoláskor keletkező feszültségcsúcsok meghaladhatják a 40 V-ot, és tönkretehetik a tranzisztort.

Kártya és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben a Tools > Board menüben válassza az Arduino Uno kártyát, az Arduino AVR Boards csomagból, amely az Arduino IDE-vel együtt települ. Ha hiányzik, telepítse a Boards Managerből. A program csak az Arduino alapfüggvényeit használja, ezért nem kell könyvtárat telepíteni.

Kód:

A program öt rögzített fényerő-fokozatot jár végig, majd folyamatosan növeli és csökkenti a szalag fényerejét, és minden fokozatot megjelenít a soros monitoron.

/*
  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
  }
}

A kód működése:

A GATE_PIN konstans a D9 lábat definiálja, amely az R1-en keresztül vezérli a kaput. A LEVELS tömb tartalmazza az öt fényerő-fokozatot (0, 64, 128, 192 és 255), a LEVEL_COUNT pedig a számukat, amelyet automatikusan számol ki a tömb mérete alapján.

A setup() függvényben a GATE_PIN lábat a pinMode() segítségével kimenetként állítjuk be, az analogWrite(GATE_PIN, 0) hívással elindul, tehát a szalag kikapcsolva marad, majd 9600 baudon megnyitja a soros portot, és kiír egy indító üzenetet.

A loop() első része végigjárja a LEVELS fokozatait. Mindegyikhez meghívja a setBrightness() függvényt, amely az analogWrite() segítségével alkalmazza az értéket, kiszámolja a százalékot és megjeleníti, majd 1.5 másodpercet vár.

A második rész 0-tól 255-ig növeli a fényerőt, majd 5-ös lépésekben visszacsökkenti 0-ra, lépésenként 20 ms szünettel, ami finom felvillanást és elhalványulást eredményez. A 0 értéknél a kapu 0 V-on marad, a 255 értéknél pedig állandóan 5 V-on van.

Eredmény:

Nyissa meg a soros monitort 9600 baudon. Minden fokozatnál a szalag fényereje megváltozik, az alábbi üzenetek sorrendben megjelennek, majd a szalag finom fel- és elhalványulása következik. A monitoron csak a rögzített fokozatok látszanak.

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 %)

Gyakori problémák:

A szalag bármilyen értéknél kialszik. A leggyakoribb ok a közös föld hiánya vagy a lábak rossz sorrendje. Ellenőrizze, hogy az Arduino GND lába a DC dugaszos adapter negatív pólusához van kötve, és hogy a kivezetések balról jobbra G, D, S sorrendben vannak, a jelölt oldalukkal Ön felé fordítva.

A szalag állandóan világít, akkor is, ha az érték 0. A kapu lebeghet, ha az R2 hiányzik vagy nincs a GND-hez kötve, vagy a tranzisztor drainje és source-a fel van cserélve, ilyenkor a belső dióda vezeti az áramot. Ellenőrizze az R2-t és a lábak helyzetét.

Semmi sem jelenik meg a soros monitoron. Ellenőrizze, hogy a soros monitor sebessége 9600 baud, és hogy az Arduino Uno kártya helyesen van kiválasztva a Tools > Board és a Tools > Port menüben.

A tranzisztor melegszik. 1.2 A-es szalaggal nem szabadna melegednie. Ha mégis melegszik, a terhelés sokkal többet fogyaszt, mint amennyit kiszámolt, vagy a kapu nem kap 5 V-ot, például egy gyenge vezeték miatt. Mérje meg a G és S közötti feszültséget vezetés közben.

Az Arduino kártya újraindul vagy furcsán viselkedik motor vagy relé vezérlésekor. Az induktív terhelés kikapcsolásakor keletkező feszültségcsúcsok zavarják a áramkört. Szereljen védődiódát a terhelés párhuzamosan, a katóddal a +12 V felé.

A szalag villog alacsony PWM értékeknél. Kis kitöltési tényezőnél az átlagos áram nagyon kicsi, ezért bármilyen zaj látható. Ellenőrizze a csatlakozásokat, és használjon rövid vezetékeket a vezérlőjelhez.

Korlátozások és tanácsok:

A drain - source maximális feszültsége 40 V, ezért a tranzisztort nem szabad közvetlenül hálózati feszültségre vagy 40 V feletti feszültségre használni. A kapun ne lépje túl a ±20 V-ot. A 195 A katalógusérték a tokra vonatkozik, a valós alkalmazásban a határt a TO-220 kivezetések, a vezetékek vastagsága és a hűtés adja meg, ezért tíz amperes nagyságrendű áramokhoz vastag vezetékeket, jó forrasztást és hűtőbordát használjon.

Ez a kapcsolás a terhelés negatív pólusát kapcsolja. A pozitív pólus kapcsolásához P-csatornás MOSFET vagy dedikált driver szükséges. Az Arduino Uno 5 V-tal vezérli a kaput, amelynél az RDS(on) legfeljebb 2 mΩ. 3.3 V-os vezérlésnél a bekapcsolt állapotbeli ellenállás nem garantált, ezt a valós áramkörön ellenőrizni kell.

Ugyanezzel a kapcsolással később vezérelhet szivattyút, ventilátort, kis motort védődiódával, vagy több LED szalagot párhuzamosan, színcsatornánként egy-egy tranzisztorral.