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

A STP55NF06 MOSFET-tranzisztor (jelölése P55NF06) N-csatornás teljesítménytranzisztor TO-220 tokban, legfeljebb 60 V-os feszültséghez és legfeljebb 50 A egyenáramhoz. Projektjeinkben logikai jellel vezérelt elektronikus kapcsolóként használjuk. Be- és kikapcsolhat LED-szalagokat, kis motorokat, elektromágneses szelepeket, izzókat vagy 12 V-os reléket, és ha a vezérlőjel PWM, akkor a fényerőt vagy a fordulatszámot is szabályozhatja.

Ebben az oktatóanyagban az Arduino Uno R3 lapot használjuk, amely a D9 lábon ad PWM jelet, és egy 12 V-os LED-szalagot vezérlünk. A tranzisztor a terhelés föld oldalán van (low-side kapcsoló), a 12 V-os tápot pedig külön adapter adja.

Hogyan működik:

A MOSFET-nek három kivezetése van: Gate (kapu), Drain (nyelő) és Source (forrás). A Drain és a Source között a terhelőáram csak akkor folyik, ha a Gate és a Source közötti feszültség (VGS) meghaladja a nyitási küszöböt. A kapu nem fogyaszt egyenáramot, csak úgy töltődik és sül ki, mint egy kis kondenzátor, ezért egy Arduino láb is elegendő sokkal nagyobb terhelések vezérléséhez.

A STP55NF06 VGS(th) nyitási küszöbe 2 V és 4 V között van, tipikusan 3 V. A bekapcsolt állapotbeli RDS(on) ellenállás tipikusan 0.015 ohm, legfeljebb 0.018 ohm, de csak VGS = 10 V esetén garantált. Az Arduino Uno 5 V-ot ad ki, így a tranzisztor kinyit, de nem teljesen. Ezért az oktatóanyagban mérsékelt, körülbelül 1.5 A-es terhelést használunk, ahol a melegedés elhanyagolható. Nagyobb áramokhoz a kaput 10 - 12 V-ra kell vezérelni egy driver áramkörrel, vagy logic-level változatot kell választani, például STP55NF06L-t.

A tranzisztorban disszipált teljesítményt a P = I x I x RDS(on) képlettel becsüljük. 1.5 A-re és 0.018 ohmra P = 1.5 x 1.5 x 0.018, azaz körülbelül 0.04 W. Ez tájékoztató érték, 10 V-os kapufeszültségre számolva, 5 V-nál a valós ellenállás nagyobb. Ha a disszipált teljesítmény meghaladja a körülbelül 1 W-ot, adjon hozzá hűtőbordát.

A kapuval sorba kötött 220 ohmos ellenállás korlátozza a bemeneti kapacitás töltőáramát, amely körülbelül 1.3 nF (tipikus Ciss 1300 pF), amikor a D9 láb hirtelen HIGH állapotba kerül. A csúcsáram legfeljebb 5 V / 220 ohm, azaz körülbelül 23 mA, ami belefér a láb terhelhetőségébe. Az időállandó 220 ohm x 1.3 nF, azaz körülbelül 0.29 mikroszekundum, ami sokkal kisebb, mint a körülbelül 2 ms-os PWM periódus (a D9 láb alapértelmezett frekvenciája körülbelül 490 Hz). A kapu és a GND közötti 10 kohmos ellenállás tartja zárva a tranzisztort, amíg az Arduino újraindul vagy bekapcsol, és a láb még határozatlan állapotban van.

Az analogWrite(pin, érték) függvény 0 és 255 közötti értékeket fogad el. A kitöltési tényező érték / 255, például 128 körülbelül 50 %-ot jelent. A szalag átlagosan ugyanekkora hányadát kapja a 12 V-nak, így arányosan halványabban vagy erősebben világít.

Csatlakoztatás:

A lábakat úgy számozzuk, hogy a tranzisztort a címkével maga felé fordítva, a kivezetésekkel lefelé tartjuk, balról jobbra: 1 = Gate, 2 = Drain, 3 = Source. A hátoldali fémlap elektromosan a Drain-hez van kötve, így kikapcsolt állapotban is a terhelés feszültségén van. Ne engedje, hogy más fémalkatrészekhez érjen. Az Arduino Uno USB-n keresztül kap tápot a számítógéptől, a LED-szalagot pedig a legalább 2 A-es, 12 VDC-s adapter táplálja, amely 5.5 x 2.1 mm-es jack csatlakozóhoz csatlakozik csavaros kivezetésekkel. A két táplálás földjeit össze kell kötni.

A vezérlőfeszültség 5 V (az Arduino Uno logikai szintje), így nincs szükség szintillesztőre. Ne adjon a kapura 20 V-nál nagyobb feszültséget, ez a tranzisztor abszolút maximális értéke. Ha LED-szalag helyett induktív terhelést vezérel (motor, elektromágneses szelep, relé), a terheléssel párhuzamosan szereljen védődiódát, 1N4007 vagy 1N5819 típust, katóddal a +12 V felé.

Kártya és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben válassza az Arduino Uno lapot a Tools > Board > Arduino AVR Boards menüből. Az Arduino AVR Boards csomag az Arduino IDE-vel együtt érkezik, ezért külön telepíteni nem kell. A program csak az Arduino alapfüggvényeit használja, így nem kell könyvtárat telepíteni.

A kód:

A program fokozatosan növeli a PWM kitöltési tényezőt a D9 lábon 0-tól 255-ig, tartja a szalagot teljesen égve, majd fokozatosan elsötétíti, és a ciklust megismétli, miközben a szintet kiírja a soros monitorra.

/*
  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
}

A kód működése:

Először a GATE_PIN konstanst 9-es értékkel definiáljuk, ez az a PWM láb, amely az R1-en keresztül vezérli a kaput. A STEP_DELAY_MS (20 ms) és a HOLD_DELAY_MS (1500 ms) konstansok határozzák meg, milyen gyorsan változik a fényerő, és meddig marad a szalag teljesen égve vagy teljesen sötéten.

A setLevel(level) függvény kiírja a PWM értéket a lábra az analogWrite függvénnyel, és minden 25-ös többszörösnél kiszámolja a kitöltési tényezőt százalékban, (level * 100L) / 255 képlettel, majd megjeleníti a soros monitoron.

A setup() függvényben 9600 baud sebességgel indítjuk a soros kommunikációt, a GATE_PIN-t kimenetként állítjuk be, és 0-ra állítjuk, hogy a tranzisztor zárt állapotban induljon. A loop() függvényben egy for ciklus a level értéket 0-tól 255-ig növeli 5-ös lépésekben, vár a HOLD_DELAY_MS ideig, majd egy második for ciklus 255-ről 0-ra csökkenti, és ismét vár a HOLD_DELAY_MS ideig.

Eredmény:

Nyissa meg a soros monitort 9600 baud sebességgel. A LED-szalagnak fokozatosan fel kell világosodnia, 1.5 másodpercig teljesen égnie, majd fokozatosan elsötétülnie, a monitoron pedig az alábbi üzenetek jelennek meg.

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 %)

Gyakori problémák:

A szalag egyáltalán nem világít. A gyakori ok a rossz lábsorrend. Ellenőrizze, hogy a Gate az 1-es, a Drain a 2-es, a Source a 3-as láb, a tranzisztort a címkével maga felé fordítva, a kivezetésekkel lefelé nézve, és hogy a 12 V-os adapter csatlakoztatva van.

A szalag 255-ös értéknél is gyengén világít. 5 V-os kapufeszültségnél a tranzisztor nincs teljesen kinyitva, ellenállása nagyobb, mint a 10 V-ra megadott 0.018 ohm. Ellenőrizze, hogy a terhelés nem haladja-e meg a körülbelül 1.5 A-t, nagyobb terheléshez pedig használjon 10 - 12 V-os kapuvezérlő drivert vagy logic-level változatot.

A szalag indításkor világít, vagy villog, amikor a lap újraindul. Az R2 10 kohmos ellenállás a kapu és a GND között hiányzik, vagy rossz az érintkezése. Ellenőrizze.

Semmi nem működik, pedig a csatlakozások helyesnek tűnnek. Az Arduino földje nincs összekötve a 12 V-os adapter mínuszával. Közös föld nélkül a kapu jele nincs a Source-hoz viszonyítva.

A tranzisztor melegszik. A terhelés túl nagy az 5 V-os vezérléshez, vagy hiányzik a hűtőborda. Csökkentse az áramot, vagy szereljen hűtőbordát a fémlapra.

Semmi nem jelenik meg a soros monitoron. Ellenőrizze a 9600 baud sebességet és a Tools > Port menüben kiválasztott portot.

Korlátok és tanácsok:

A STP55NF06 nem logic-level MOSFET. A 60 V és 50 A értékek maximumok, 5 V-os vezérlésnél a gyakorlatban sokkal kisebb terhelésekkel dolgozunk. A kapu és a Source közötti maximális feszültség 20 V, a tényleges áram pedig a hűtéstől is függ, mert a csatlakozás és a környezet közötti termikus ellenállás hűtőborda nélkül 62.5 °C/W.

A D9 láb alapértelmezett PWM frekvenciája körülbelül 490 Hz, ami LED-szalagokhoz és kis motorokhoz megfelelő. Erősebb megoldáshoz 10 - 12 V-os tápról működő kapuvezérlő drivert használjon, induktív terheléseknél pedig mindig szereljen védődiódát. Ugyanezzel a kapcsolással motort, elektromágneses szelepet vagy 12 V-os izzót is vezérelhet.