MOSFET controlado por optoacoplador mediante Arduino

Question

Tengo una pregunta sobre el uso de un Arduino para controlar un MOSFET con optoacoplador. La cuestión es que la tensión de alimentación puede variar de 5 a 36 voltios. Por ejemplo, a veces usaré un regulador de conmutación de 5V con una tira de LEDs de 5V, y otras veces usaré uno de 36V para alimentar otra cosa a 36V.

Elijo un MOSFET de Onsemi: NTD70N03R tiene un VGS máximo de 20V. Así que aplicar el máximo de 36V directamente a la puerta sólo matará el MOSFET ¿verdad? Después de considerar otro tema que utiliza un divisor de resistencias para reducir la tensión de la puerta a la mitad de la tensión de alimentación. Esto está bien bajo una alimentación de 36V, pero tendré un voltaje demasiado bajo (5-0.4/2 = 2.3V, 0.4 es el voltaje de saturación del optoacoplador) usando el medio divisor bajo un voltaje de alimentación de 5V. El VGS(th) del NTD70N03R es de 2V máximo, por lo que 2,3V está bien para "abrir" mi MOSFET. Pero después de considerar esta curva:

Encontré que el RDS(on) es más grande bajo VGS pequeño como 2.3V. Así que quiero un VGS más grande para RDS(on) más pequeño, entonces pensé en usar un diodo zener de 10V 1N4740A sin divisor de resistencias, aquí está mi esquema:

D1 es un LED para indicar, R3 es una resistencia pull down para el MOSFET, D2 es un diodo Zener de 10V y R4 sólo limita la corriente a través de D2. Así, cuando la tensión de alimentación VEE < 10V, D2 y R4 no funcionarán, VGS = VEE; cuando VEE > 10V, D2 sólo regula VGS a 10V, para una VEE máxima de 36V, la corriente a través de D2 será de 36-10/1k=26mA, por debajo de la IZM del 1N4740A 91mA, por lo que el 1N4740A no morirá.

Soy un novato en electrónica, no sé si todo lo que he dicho (calcular y diseñar y demás...) es correcto. Definitivamente voy a cablear mi circuito para probarlo más tarde, pero me pregunto si puedo obtener algunas sugerencias?

Answer 1

Si estás usando un pin lógico IO que puede manejar 3.3V, la corriente en el diodo del opto será de aproximadamente: -

\$\dfrac{3.3 volt - V_{F}}{330\Omega}\$ donde Vf es el voltaje del diodo delantero de aproximadamente 1,2V (véase la hoja de datos del opto).

Esto supone una corriente de unos 6,4 mA. La relación de transferencia de corriente del opto es de un mínimo del 50%, por lo que puede esperar entregar al menos 3,2 mA al emisor del fototransistor.

Podría ser más: según la hoja de datos del opto, el CTR puede llegar al 600%. Sin embargo, hay otros problemas que resolver. Si nos fijamos en la página 7 de la hoja de datos que está bastante limitado a sólo ser capaz de suministrar 5 mA desde el dispositivo cuando el voltaje de colector-emisor es superior a 10V y porque su suministro es de 36 voltios es probable que freír el chip si CTR es superior al 100%.

Para evitar todo esto estaría tentado a usar un regulador de voltaje desde la fuente de 36 voltios - bajarlo a 12 voltios y luego usar el opto - sin necesidad de la protección zener.

Answer 2

STOP

El Vds_max especificado matará al MOSFET que hayas especificado.

El NTD70N03R MOSFET que has especificado tiene un Vds máximo de 25V por lo que no deberías operarlo por encima de unos 20V, e incluso entonces con el debido cuidado.

¿Qué corriente máxima prevé?
¿Cómo lo va a montar? ¿Qué velocidad de conmutación y ciclo de trabajo y usos generales de conmutación pretende?

Si tu carga es de un amperio o pocos, entonces Rdson a cualquier cosa por encima de unos pocos voltios Vgs va a ser irrelevante. por ejemplo, a 25 miliOhm y 2A obtendrías 100 mW de disipación y tal vez 10C de aumento cuando se calienta a PCB como se sugiere en la hoja de datos.
Por ejemplo, a 20 A (o incluso a 10 A) tendrías problemas para mantener vivo el FET.

Es un dispositivo de 25V, 70A con una resistencia térmica de unos 100 C/W cuando se monta en el estilo típico. Rdson es de 8 miliOhmios como máximo a 20A, cuando la disipación sería I^2R = 20^2 x 0,008 = 3,2W. El aumento de temperatura cuando se monta normalmente sería de unos 300C por encima del ambiente. Debería brillar en la oscuridad muy bien, pero no por mucho tiempo.

El circuito es relativamente sólido siempre que se mantenga dentro de las especificaciones de todos los dispositivos en cuestión. PERO el dispositivo que has especificado sugiere que estás intentando tratar con corrientes 'bastante grandes' [tm] para un principiante en electrónica. Todo tipo de trampas desagradables pueden ocurrir si usted está queriendo tratar con el tipo de corriente que este MOSFET puede manejar teóricamente. Sería prudente "cortarse los dientes" a niveles de potencia que no recompensen la mala práctica con una muerte instantánea en llamas (del dispositivo si no de la persona).

El diodo de captura a través de la carga es un 1N4007 de un amperio. Esto puede estar bien para unos pocos amperios de corriente de carga dependiendo del ciclo de trabajo y la frecuencia de conmutación. Es un diodo lento y con algunas cargas esto puede importar. Para velocidades PWM serias, se necesitará un controlador de puerta. (Digamos 100 mA a 1A de capacidad de accionamiento de puerta). Las grandes corrientes de puerta sólo son necesarias para cargar y descargar la capacitancia de la puerta, pero sin ellas puede tardar demasiado.

El zener de puerta D2 tiene una función muy importante, incluso si no es necesario para el control de la tensión de accionamiento y no debe ser omitido. Si tienes una carga inductiva (y si no estás absolutamente seguro por el diseño de que nunca la tendrás, entonces Murphy tarde o temprano suministrará una) entonces la capacitancia de Miller puede (lo hará) en algún momento acoplar el voltaje de drenaje de vuelta a la puerta. D2 detiene esta sobretensión en la puerta y excede Vgs y destruye el FET. Esta es una adición tan útil que vale la pena incluirla en casi cualquier aplicación de potencia del FET.

El accionamiento de la puerta propuesto está bien para la conmutación de encendido/apagado a baja velocidad, pero a más de un ritmo rápido (digamos de 10 a unos 100 Hz) la velocidad de conmutación de la puerta va a ser demasiado lenta, con las consiguientes pérdidas de conmutación horrendas.

Eso es un comienzo...