Dirençli bölgede bir soğutucu ile bir MOSFET kullanmak uygun mudur?

Sınırlı geçit (veya taban) voltajı ile transistörlerin kullanılması, akımı sınırlandırır, bu da transistör boyunca önemli bir voltaj düşüşü sağlar ve enerjinin dağılmasına neden olur. Bu kötü, enerji israfı ve bileşenin ömrünü kısaltır. Ancak, bir ısı emici ile veya gücü sınırlayarak sıcaklığı düşük tutarsam, bu şekilde bir MOSFET kullanmak doğru olur mu? Yoksa bileşenin gücü dağıtmasını sağlamak temelde kötü mü?

Soruyorum çünkü bir LED şeridi sürmek için değişken voltajlı bir MOSFET'i kontrol ederek mükemmel sonuçlar elde ediyorum. 8-bit PWM ile LED, sıfırdan "kitap okuma" seviyelerine parlaklık atlarken, voltajla çalışan mosfet, 8 bit voltaj seviyelerini kullanmasına rağmen çok düzgün bir şekilde açılmasını sağlar. Doğrusal ve üstel güce karşı fark yaratır ve PWM doğrusaldır. Gözlerimiz ışığı doğrusal olarak algılamaz. Voltaj kontrollü sonuç kullanılmayacak kadar iyidir.

Zeyilname: PCM ile ön ölçeklerin ayarlanması da dahil olmak üzere kapsamlı deneyler yaptım. PWM görevini değiştirmek etkili bir çözüm değildir, ancak bir kişi bir osiloskop bağışlamak istiyorsa, çalışmasını sağlayabilirim :)

Zeyilname: Proje, bu Philips ürünleri gibi aydınlatıcı bir çalar saattir , ancak daha dikkatli bir şekilde ayarlanmıştır. Düşük güç seviyeleri arasındaki derecelendirmenin minik olması zorunludur. En parlak kabul edilebilir düşük güç durumu% 0.002 civarındadır ve bir sonraki% 0.004'tür. Sorun yerine çözüm hakkında sormak bir x / y sorunu ise, bu kasıtlı bir x / y sorusudur: Kapsamlı testlerden sonra tercih ettiğim çözümü buldum ve çözümümün uygulanabilir olup olmadığını bilmek istiyorum. Cihaz şu anda çok daha sönük bir yardımcı ışık içeren daha az tercih edilen bir çözümle çalışmaktadır.

Zeyilname 3: BJT transistörlerinin ne amaçla kullanıldığını topluyorum. Akım kontrollü oldukları için devre çok daha zordur. Diyagram çizmek için zamanım olduğunda buna bakmam gerekiyor. Sorun yaşarsam başka bir soru gönderirim.

TL; DR FET değil, lineer çalışma için BJT kullanın

Çoğu FET, DC'de güvenli çalışma alanı (SOA) için derecelendirilmemiştir. Bipolar kavşak transistörleri (BJT) vardır.

Herhangi bir FET için SOA grafiğini incelerseniz, 1 µs, 10 µs, 1 ms vb.'lik darbeler için bir dizi eğri bulacaksınız, ancak nadiren DC için herhangi bir eğri bulacaksınız. İsterseniz, riski size ait olmak üzere, 'DC'nin yakınında' tahmin etmeye çalışabilirsiniz. Bu, üreticinin DC çalışmasında ne kadar yayılmaya izin verildiğini anlamaya istekli olmadığı anlamına gelir.

Pozitif direnç sıcaklık katsayıları nedeniyle FET'lerin güzel bir şekilde paralel olduğu söylenir. Isındıkça, dirençleri artar, böylece sıcak olandaki akım azalır ve durum stabildir. FET'ler dahili olarak birden fazla paralel hücreden yapılır, bu yüzden de Tamam paylaşırlar, değil mi? Yanlış!

Sadece direnç sıcaklık katsayısı içindir. FET'ler ayrıca eşik voltajının sıcaklık katsayısı olan başka bir sıcaklık katsayısına sahiptir ve bu negatiftir. FET ısındıkça sabit geçit voltajında ​​daha fazla akım çeker. Geçiş gerilimi çok yüksek olduğunda, anahtarlanmış bir FET'i doyurarak, etki minimumdur, ancak voltaj eşiğin etrafında düştüğünde çok güçlüdür. Bir hücre ısındıkça, akımı artar, bu yüzden biraz daha ısınır ve bir hücrenin cihaz boyunca tüm akımı tutmaya çalıştığı termal kaçak potansiyeline sahiptir.

Bu etki iki şeyle sınırlıdır. Birincisi, düzensiz ısınmaya maruz kalmamışsa, kalıp her yerde aynı sıcaklıkta başlama eğilimindedir. Dolayısıyla istikrarsızlığın büyümesi zaman alır. Bu nedenle kısa darbeler uzun darbelerden daha fazla güç kullanabilir. İkincisi, kalıp boyunca ısıyı iletmek için kalıp boyunca termal iletkenliktir. Bu, kararsızlığın büyümesi için belirli bir eşik güç seviyesine ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir.

BJT üreticileri bu güç seviyesine bir rakam koyma eğilimindedir, ancak FET üreticileri bunu yapmazlar. Belki de DC SOA seviyesinin, FET'lerde 'başlık' güç dağılımının çok daha küçük bir kısmı olması, onu dile getirmenin utanç verici olacağıdır. Belki de doğrusal operasyonda, bir FET'in pek çok avantajı, herhangi bir belirli güç seviyesi için BJT'leri kullanmaya değer olmasının, DC kullanımı için FET'leri nitelendirmeleri için ticari bir teşvikin bulunmamasıdır.

BJT'lerin geniş bir alan sabit kavşağına sahip olmalarının ve FET'lerin çalışmadığı nedenlerin bir kısmı. BJT için 'eşiği, 0.7 VV _olması , malzemenin bir fonksiyonudur ve bu büyük bir kalıp boyunca çok tutarlıdır. FET'lerin eşiği, iki büyük difüzyon arasındaki küçük fark olarak , zayıf bir şekilde tanımlanmış (FET V _gsth için spesifikasyonun bir veri sayfasında ne kadar geniş olduğunu biliyorsunuz !) İmal edilen bir boyut olan ince kapı katmanının kalınlığına bağlıdır. adımları tekrarlayın.

Bununla birlikte, DC kullanımı için karakterize edilen bazı FET'ler vardır. Anahtarlama için optimize edilmiş kardeşlerine kıyasla çok az ve çok pahalıdırlar. Daha fazla test ve kalifikasyona sahip olacaklar ve düşük direnç ve diğer bazı FET özelliklerinden ödün veren farklı bir süreç kullanacaklar.

Düşük temel sürücü akımı istiyorsanız bir Darlington transistör kullanın . Ekstra 0,7 V min V _ce , doğrusal olarak çalıştıracağınız için büyük önemsizdir.

DC çalışması için hala bir anahtarlama FET'i kullanmak istiyorsanız, başlık dağılımının% 5 ila% 10'una sadık kalın. Onunla kaçabilirsin.

Janka yorumlarda ilginç bir soru sordu, 'Peki ya bir IGBT?'. Göre bu uygulama notu ,No detailed characterization of IGBTs as linear amplifiers has been carried out by IR, given the limited use of IGBTs in this type of application.

NGTG50N60FW-D için bu veri sayfasındaki VI grafiği

$V_{GE}$

Ancak, SOA grafiği

bir DC hattına sahiptir ve bu hat, cihazın başlık gücü olan 200Watts'ın biraz üzerindedir. Düzgün karakterize ettiler mi?

Bir IGBT, onu sürmek için akım gerektirmez, ancak Darlington'ın temel voltlara ihtiyaç duyduğundan daha fazla kapı voltuna ihtiyaç duyar, bu nedenle sürülmesi kolay olabilir veya olmayabilir. Şu anda, bu çalışma modunda IGBT'ler hakkında kesin bir bilgi bulamadım.

Ne yazık ki modern güç MOSFET'leri, yüksek güç kayıplarında lineer bölgede çalıştırıldığında başarısız olur.

Drenaj akımı artan sıcaklıkla azaldığı sürece MOSFET'lerin doğrusal modda kullanımı güvenlidir.

Çoğu MOSFET'in altında termal kaçak yaşayabilecekleri ve üstünde olmayan bir geçit vardır. Çok "iyi", düşük Rds (açık) düşük Vth MOSFET'ler için bu geçiş çok yüksek bir geçit kaynağı voltajı ve drenaj akımında gerçekleşir. Eğer "en kötü" MOSFET'lere bakarsanız, bazılarının yük taşıyıcısı hakimiyetindeki bölge bu kadar düşük güçte olur. Örneğin IRFR9110 tüm Id> 1A'da güvenlidir

1.2 ohm'luk bir Rds (açık) var, ancak doğrusal modda kullanacaksanız, hiç önemli değil!

Güvende kalmanın diğer yolu, gücü yeterince düşük tutmaktır. Güç MOSFET'leri, (güvenli) mobiliteye hakim olan bölgede akımı eşit olarak paylaşan birçok paralel hücreden yapılır, ancak (güvensiz) yük taşıyıcısı hakim bölgesinde, daha sıcak hücreler daha fazla akım alır ve böylece ısınırlar. Neyse ki, hücreler aynı kalıpta olmak üzere termal olarak çok iyi bağlanmıştır, bu yüzden yeterince düşük bir güçte çalıştırılırsa kalıp sıcaklığı üniform olmayacaktır, ancak sınırları aşmayacaktır.

NASA belgesi: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

Daha okunabilir OnSemi uygulaması: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

MOSFET'ler lineer modda iyi olabilir, ancak MOSFET mevcut akımı eşit şekilde dağıtmayacağı için ekstra dikkat gösterilmelidir. OnSemi'den (fairchild) bu davranışın bir kısmını açıklayan ve daha yeni cihazlar satmaya çalışan bir uygulama notu .

Bu sorun, özellikle geleneksel bir mantık seviyesi açma FET'inde görünen güvenli bir çalışma alanında bir arıza olarak ortaya çıkacaktır. Eski düzlemsel güç FET'leri (IRF / Infineon bunu yapar) ve daha yeni tiplerden bazıları doğrusal modda iyi çalışır. Düzlemsel güç FET'leri, kalıp boyutuna karşı acımasız bir dirence sahip olma eğilimindedir.

Sınırlı geçit (veya taban) voltajı ile transistörlerin kullanılması, akımı sınırlandırır, bu da transistör boyunca önemli bir voltaj düşüşü sağlar ve enerjinin dağılmasına neden olur. Bu kötü, enerji israfı ve bileşenin ömrünü kısaltır.

Transistörün bir anahtar olarak kullanılması amaçlandığında bu kötüdür. Doğrusal modda kullanmayı düşünüyorsanız, amaçlanan çalışma modu ve mükemmel para cezası. Ancak, zarar vermemek için bazı koşullara uyulmalıdır:

1) Maksimum kalıp sıcaklığı, yani Güç x Rth

Rth, termal dirençlerin toplamı olan "kalıptan havaya termal direnç" tir:

• bağlantı durumu, veri sayfasına bakın, parçanın dahili olarak nasıl inşa edildiğine bağlıdır
• kasa-soğutucu, TIM'e (termal arayüz malzemesi, gres, silpad vb., yalıtım olsun ya da olmasın) bağlıdır ve aynı zamanda TIM'in yüzey alanına da bağlıdır (TO247 gibi büyük bir paket TO220'den çok daha fazlasına sahiptir, bu yüzden düşük Rth)
• Soğutucu boyutuna, hava akışına, fan kullanıp kullanmamanıza vb. bağlı olan soğutucu havası.

Düşük güç (birkaç watt) için PCB zemin düzlemini bir soğutucu olarak kullanabilirsiniz, bunu yapmanın birçok yolu vardır.

2) Güvenli Çalışma Alanı (SOA)

Transistörünüz burada esiyor.

Doğrusal (anahtarlama değil) modunda çalıştırıldığında, hem BJT'ler hem de MOSFET'ler sıcakken aynı Vgs (veya Vbe) için daha fazla akım iletir. Böylece, kalıpta bir sıcak nokta oluşursa, kalıbın geri kalanından daha yüksek bir akım yoğunluğu gerçekleştirecektir, o zaman bu nokta daha fazla ısınacak, daha sonra üflenene kadar daha fazla akım tutacaktır.

BJT'ler için bu termal kaçak veya ikinci arıza olarak bilinir ve MOSFET'ler için sıcak nokta.

Bu büyük ölçüde voltaja bağlıdır. Sıcak nokta, silikon çip üzerinde belirli bir güç yoğunluğunda (dağılma) tetiklenir. Belirli bir akımda, güç voltajla orantılıdır, bu nedenle düşük ish voltajlarında ortaya çıkmaz. Bu sorun, "yüksek-ish" gerilimlerinde oluşur. "Highish" tanımı, transistöre ve diğer faktörlere bağlıdır ...

MOSFET'lerin "BJT'lerden daha sağlam", vb. Buna karşı oldukça bağışık oldukları yaygın bir bilgiydi. Bu, Planar Stripe DMOS gibi eski MOSFET teknolojileri için geçerli, ancak artık Hendek teknolojisi gibi anahtarlama için optimize edilmiş FET'ler için geçerli değil.

Örneğin bu FQP19N20, veri sayfası sayfa 4 şekil 9, "güvenli çalışma alanı" nı kontrol edin. DC için belirtildiğine dikkat edin ve grafiğin üstünde yatay bir çizgi (maks. Akım), sağda dikey bir çizgi (maks voltaj) ve bu iki çizgi maksimum güç veren tek bir çapraz çizgi ile birleştirilir. Bu SOA'nın Tcase = 25 ° C ve diğer koşullarda olduğu gibi iyimser olduğuna dikkat edin, eğer soğutucu zaten sıcaksa, elbette SOA daha küçük olacaktır. Ancak bu transistör doğrusal modda çalışırken sorun değil, etkin nokta olmayacaktır . Büyük bir başarı ile ses amplifikatörlerinde yaygın olarak kullanılan eski IRFP240 için de geçerlidir.

Şimdi τεκ tarafından gönderilen bağlantıya bakın, sağda ek bir çizgi olan SOA grafiklerini, çok ani bir aşağı eğimle gösterir. Bu, sıcak nokta oluşması durumudur. Bu tür FET'leri doğrusal bir tasarımda kullanmak istemezsiniz.

Ancak, hem FET'lerde hem de BJT'lerde sıcak nokta, maksimum voltaja kıyasla yüksek ish voltajları gerektirir. Transistörünüzde her zaman birkaç voltluk bir Vce veya Vds varsa (bu senaryoda olması gerekir), o zaman sorun olmayacaktır. Transistör SOA'sını kontrol edin. Örneğin, opamp tabanlı bir akım kaynağı kullanabilirsiniz , ancak opamp'ın giriş ofset voltajına bağlı olarak düşük akımda aynı problemlerle karşılaşırsınız.

Sorununuza daha iyi bir çözüm ...

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Solda: Bir FET veya diğerini PWM yapabilirsiniz. Farklı tahliye dirençleri akımı maksimum PWM ayarında belirler. Sol FET için PWM sıfıra ulaştığında, diğer FET'in PWM'sini azaltmaya devam edebilirsiniz. Bu, düşük ışık yoğunluklarında size daha iyi kontrol sağlar.

Temel olarak, direnç değerlerini seçerek ayarlayabileceğiniz, bit ağırlıklarına sahip 2 bitlik bir güç DAC'sine benzer (ve ihtiyacınıza göre dirençleri ayarlamanız gerekir).

Sağda bu aynı, ancak mevcut lavabo olarak kablolu bir BJT düşük yoğunlukta analog kontrol sağlar.

En basit olduğu ve muhtemelen tüm parçalara sahip olduğunuz için soldaki ile gitmenizi tavsiye ederim.

Başka bir iyi çözüm, ayarlanabilir ortalama akım ile bir anahtarlama sabit akım LED sürücüsü kullanmaktır. Bu, yüksek güçlü LED'ler için en yüksek verimli çözümdür. Bununla birlikte, bir LED şeridi kullanırsanız, LED şeritteki dirençler hala güç yakacağı için bu verimlilik konusunda çok yardımcı olmaz.

Bu soru bir XY problemidir. LED'leri çalıştırmak için doğrusal sabit akım sürücüsü yapılabilir, evet. Ancak çok verimsizdir ve uygulama için gerekli değildir. Çevrimiçinde
çok sayıda sabit akım devresi bulunur .

8 bit PWM ile LED, parlaklığı sıfırdan "kitap okuma" düzeylerine atlar

Parlaklığı logaritmik bir ölçekle kontrol edebilirsiniz. Benzer etki için aşağıdaki formülü kullandım.

8 bit parlaklık girişine bağlı olarak 8 bit PWM değerleri verir. 0.69, 255'te bitmesini sağlamak için orada.

Mikrodenetleyici dostu bir hesaplama olmadığı için bir arama tablosu oluşturmak isteyebilirsiniz.

Belki de farklı bir çözüm, Onsemi CAT4101 gibi harici bir sürücü olabilir.

LED akımını oldukça düşük ayarlayabilir ve parlaklığı değiştirmek için PWM'yi kullanabilirsiniz. Daha yüksek dinamik aralığa ihtiyacınız varsa, mevcut ayar direncini değiştirmeniz gerekir. Bu, dijital bir pot olabilir veya ilave bir komplikasyonla birlikte D / A'dan (veya yumuşatılmış bir PWM gibi başka bir değişken volt kaynağı) sürülen bir FET olabilir.

Ya da sadece yüksek ve düşük parlaklık aralıkları vererek akım setini iki değer arasında değiştirebilirsiniz.