Está bien usar un MOSFET en su resistiva región con un disipador de calor?

Question

El uso de transistores con limitada puerta (o base) de voltaje hará límite de corriente, que va a introducir una significativa caída de tensión en el transistor, provocando que la disipación de energía. Este es considerado malo, el desperdicio de energía y el acortamiento de la vida del componente. Pero si puedo mantener la temperatura baja, ya sea con un disipador de calor o limitando el poder, está bien usar un MOSFET de esta manera? O es fundamentalmente malo para el componente para que se disipe la energía eléctrica?

Lo pregunto porque yo obtener excelentes resultados mediante el control de un MOSFET con voltaje variable a la unidad de una tira de LED. Con PWM de 8 bits, el LED salta en el brillo de cero a "leer un libro", mientras que la tensión impulsado por el mosfet de forma muy suave se enciende, a pesar de que también el uso de 8-bits de los niveles de tensión. Lineal versus poder exponencial hace toda la diferencia, y PWM es lineal. Nuestros ojos no perciben la luz linealmente. El voltaje-controlado resultado es demasiado bueno para no usar.

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Addendum: he realizado una amplia experimentación con PWM, incluyendo el ajuste de la prescalers. Cambiar el trabajo del PWM no es una solución efectiva, aunque si alguien quiere donar un osciloscopio, yo podría ser capaz de hacer que funcione :)

Anexo: El proyecto es una iluminación de la alarma del reloj, como estos productos de Philips, pero más cuidadosamente afinado. Es imperativo que la gradación entre los bajos niveles de potencia de ser minúsculo. El más brillante aceptable estado de baja potencia es de alrededor de 0.002%, y el siguiente es de 0.004%. Si es un x/y problema para preguntar acerca de la solución más que del problema, entonces esto es una intencional x/y pregunta: he encontrado mi solución preferida después de extensas pruebas, y quiero saber si mi solución es viable. El dispositivo está trabajando actualmente con menos preferido solución que implica un mucho más tenue de luz auxiliar.

Anexo 3: deduzco esto es lo que los transistores BJT. Ya que está controlado por la corriente, el circuito es mucho más difícil. Tengo que mirar en que cuando tengo tiempo para dibujar diagramas. Voy a publicar otra pregunta, si tengo el problema.

Answer 1

TL;DR Uso BJTs lineal de la operación, no Fet

La mayoría de los FETs no son clasificadas por área de operación segura (SOA) en cd. Bipolar de unión de los transistores (BJT).

Si examina el SOA gráfico para cualquier FET, usted encontrará un conjunto de curvas para los pulsos de una duración de 1 µs 10 µs, 1 ms, etc., pero rara vez cualquier curva para DC. Usted puede tratar de extrapolar a 'cerca de DC', si quieres, a su propio riesgo. Esto significa que el fabricante no está dispuesto a poner una cifra sobre lo mucho que la disipación es permitido en la operación de DC.

Se dice a menudo que los FETs paralelo muy bien, porque de su actitud de resistencia de coeficiente de temperatura. Como se calientan, su resistencia aumenta, por lo tanto la corriente disminuirá en el caliente, y la situación es estable. Los fet son de varios en paralelo de las células internamente, por lo que comparten ACEPTAR, ¿verdad? Mal!

Es sólo para el coeficiente de temperatura de resistencia. Fet tienen un coeficiente de temperatura, que es el coeficiente de temperatura de la tensión de umbral, y eso es negativo. Como el FET se calienta, en constante tensión de puerta, se consume más corriente. Cuando la tensión de puerta es muy alta, saturando una conmutación de FET, el efecto es mínimo, pero cuando el voltaje está por debajo del umbral, es muy fuerte. Como una célula se calienta, su corriente aumenta, por lo que se calienta un poco más y tiene el potencial para thermal runaway, donde una célula intenta acaparar la totalidad de la corriente a través del dispositivo.

Este efecto está limitado por dos cosas. Una de ellas es que el morir tiende a comenzar a la misma temperatura todo si no ha sido objeto de calentamiento desigual. Así que toma tiempo para que la inestabilidad a crecer. Esta es la razón por pulsos cortos puede usar más energía de larga pulsos. La segunda es la conductividad térmica a través de la matriz, que tiende a igualar la temperatura a través de ella. Esto significa que un cierto umbral, el nivel de potencia que se necesita para la inestabilidad a crecer.

BJT los fabricantes tienden a poner una figura en este nivel de potencia, pero FET de los fabricantes no. Quizás es debido a que la DC SOA es una fracción mucho más pequeña de su 'título' de la disipación de energía en el Fet que sería embarazoso explicar. Quizás es porque en el lineal de operación, por lo que muchas de las ventajas de un FET caer que sólo vale la pena el uso de BJTs, para un determinado nivel de potencia que no hay ningún incentivo comercial para calificar los FETs para DC uso.

Parte de la razón por la que BJTs puede tener una gran área de unión estable y Fet no se debe a la forma en la que trabajan. El 'umbral' de BJTs, el 0,7 V V_ser, es una función del material, y es muy constante a través de la ampliación de morir. El umbral para el Fet depende del espesor de la delgada puerta de la capa, que es una fabrica dimensión, mal definidos (usted sabe cómo muchas de las especificaciones de la FET V_gsth es en una hoja de datos!) por la pequeña diferencia entre los dos grandes de difusión pasos.

Dicho esto, hay algunos Fet que se caracterizan por DC uso. Ellos son pocos y distantes entre sí, y son muy costosos, en comparación a sus conmutación optimizado hermanos. Ellos han tenido más de las pruebas y la calificación, y el uso de un proceso diferente que los sacrificios de baja en la resistencia y algunos otros beneficioso FET rasgos.

El uso de un transistor Darlington si desea baja de la base de la unidad actual. El extra 0,7 V min V_ce es en gran medida irrelevante dado que vas a estar operando de manera lineal.

Si usted todavía desea utilizar una conmutación de la FET para la operación de DC, luego se adhieren a 5% a 10% de la titular de la disipación. Usted puede conseguir lejos con él.

Janka le hizo una pregunta interesante en los comentarios, ¿qué acerca de un IGBT?'. De acuerdo con esta aplicación nota, 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.

La VI gráfico de esta hoja de datos para el NGTG50N60FW-D

muestra la típica de inflexión en el 9,5 v \$V_{GE}\$ que caracteriza a la inestabilidad térmica, en 8v un aumento en la temperatura de 25 ° C a 150 C resultados en una triplicación de colector de corriente, lo cual suena bastante inestable.

Sin embargo, la SOA gráfico

tiene una línea DC, y que la línea está en poco más de 200Watts, el titular de energía del dispositivo. Se han caracterizado correctamente?

Un IGBT no requiere de corriente a la unidad, pero no necesita más la puerta voltios de un Darlington necesidades de la base de voltios, por lo que puede o no puede ser más fácil de conducir. Por el momento, no he encontrado ninguna información definitiva sobre IGBTs en este modo de operación.

Answer 2

Por desgracia moderno Mosfet de potencia de fallar cuando se opera en la región lineal a alta potencia dissipations.

MOSFETs son seguros para usar en el modo lineal mientras que la corriente de drenaje disminuye con el aumento de la temperatura.

La mayoría de los MOSFETs tienen un cruce por debajo de la cual se puede experimentar la aceleración térmica y por encima de la cual ellos no. Por muy "bueno", de bajo Rds(on) bajo Quinto Mosfet de este crossover que sucede en una muy alta puerta-fuente de voltaje y corriente de drenaje. Si nos fijamos en el "peor" MOSFETs algunos tienen el portador de carga dominado la región en baja potencia no importa. E. g. IRFR9110 es seguro en todos los Id > 1A

Tiene una Rds(on) de 1,2 ohmios, pero si usted va a utilizar en modo lineal que no importa en absoluto!

La otra manera de estar seguro es mantener el poder lo suficientemente baja. Mosfet de potencia se hacen de muchas celdas en paralelo, que en el (seguro) movilidad dominado la región de compartir actual igualmente, pero en la (inseguro) de portadores de carga dominado la región no, porque más caliente células de tomar más de la cuenta corriente y así conseguir más caliente. Afortunadamente, las células están muy bien térmicamente acoplados, en el mismo die, por lo que si se opera a una baja potencia suficiente el morir de la temperatura va a ser uniforme, pero no exceda de los límites.

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

Más legible OnSemi appnote: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

Answer 3

MOSFETs se puede ajustar en el modo lineal, pero cuidado extra debe ser tomada debido a que el MOSFET no necesariamente distribuir el flujo de corriente a pesar de que en un incluso la moda. Aquí está una nota de aplicación de OnSemi (fairchild) explican este comportamiento - y tratando de vender los dispositivos más nuevos.

Este problema se manifiesta como un fallo en una aparente operación segura de la zona, especialmente en una lógica tradicional, el nivel de la zanja de la FET. Mayores plana poder FETs (IRF / Infineon hace esto) y algunos de los nuevos tipos de trabajo bien en el modo lineal. Planar poder Fet tienden a tener atroz en la resistencia frente mueren tamaño, aunque.

Answer 4

El uso de transistores con limitada puerta (o base) de voltaje hará límite de corriente, que va a introducir una significativa caída de tensión en el transistor, provocando que la disipación de energía. Este es considerado malo, el desperdicio de energía y el acortamiento de la vida del componente.

Esto es malo cuando el transistor está destinado a ser utilizado como un interruptor. Si usted tiene la intención de utilizar en el modo lineal, entonces es el modo de operación deseado y perfectamente bien. Sin embargo, algunas condiciones que deben ser respetados en orden de no dañarlo:

1) Max morir de temperatura, es decir, el Poder x Rth

Rth es la "resistencia Térmica de morir al aire" que es la suma de la resistencia térmica:

• cruce caso, consulte la hoja de datos, depende de cómo la parte interna de construido
• caso del disipador de calor, depende de TIM (interfaz térmica del material, grasa, silpad, etc, si aislante o no) y también depende de la superficie de la TIM (un gran paquete como TO247 tiene mucho más que TO220, de manera que tenga menor Rth)
• disipador de calor-aire, que depende del disipador de calor del tamaño de la, flujo de aire, ya sea que utilice un ventilador o no, etc.

De baja potencia (unos pocos vatios) puede utilizar el PCB plano del suelo como un disipador de calor, hay un montón de maneras de hacer esto.

2) Área de Operación Segura (SOA)

Este es el lugar donde el transistor de golpes.

Cuando se opera en lineal (no cambio) modo de BJTs y MOSFETs llevará a cabo más actual para el mismo Vgs (o Vbe) cuando está caliente. Por lo tanto, si un punto caliente que se forma en la matriz, se llevará a cabo una mayor densidad de corriente que el resto de la matriz, a continuación, este lugar va a calentar más, luego de cerdo más actual, hasta que los golpes.

Para BJTs esto se conoce como la aceleración térmica o segunda ruptura, y para los MOSFETs es hotspotting.

Esta es fuertemente dependiente de voltaje. Hotspotting desencadena en una determinada densidad de potencia (disipación) en el chip de silicio. En un momento dado la corriente, la energía es proporcional a la tensión, por lo que en baja-ish voltajes no va a ocurrir. Este problema se produce en "alta-ish" tensiones. La definición de "highish" depende del transistor y otros factores...

Era de conocimiento común que los Transistores eran más inmunes a esto, "más resistente que BJTs", etc. Este es el caso de los mayores MOSFET de tecnologías como el Plano de la Raya DMOS, pero no es más cierto con la conmutación-optimizado Fet como Trinchera de la tecnología.

Por ejemplo, comprobar este FQP19N20, hoja de datos página 4 fig 9, "operativo de seguridad de la zona". Aviso es indicada por el DC, y la gráfica tiene una línea horizontal en la parte superior (corriente máxima), una línea vertical a la derecha (voltaje máximo) y estas dos líneas se unen por una sola línea diagonal que da la potencia máxima. Nota este SOA es optimista, ya que es en la Tcase=25°C y a los de otras condiciones, si el disipador de calor ya está caliente, por supuesto, SOA va a ser menor. Pero este transistor es ACEPTAR con la operación en el modo lineal, no hotspot. Mismo para los buenos viejos IRFP240 que es comúnmente utilizado en los amplificadores de audio con gran éxito.

Ahora mira en el enlace publicado por τεκ, muestra SOA gráficos con una línea adicional en la derecha, con un muy abrupta pendiente descendente. Esto es cuando hotspotting se produce. Usted no desea utilizar estos tipos de Fet en un diseño lineal.

Sin embargo, en ambos Fet y de BJTs, hotspotting requiere alta-ish voltajes en comparación con el voltaje máximo. Así que si tu transistor siempre tiene un Vce o Vds de unos pocos voltios (que debería haber en este escenario), entonces no habrá ningún problema. Comprobar el transistor de SOA. Por ejemplo, usted puede utilizar un amplificador operacional basado en la fuente de corriente, pero se podría ejecutar en el mismo problemas de baja corriente dependiendo del amplificador operacional de la entrada de voltaje de offset.

Una mejor solución a su problema...

^{simular este circuito – Esquema creado mediante CircuitLab}

A la izquierda: usted puede PWM uno FET o el otro. Los diferentes drenaje resistencias determinar la corriente en el PWM máximo ajuste. Cuando el PWM para la izquierda FET llega a cero, se puede continuar con la disminución de la PWM de los otros FET. Esto le da un control mucho más preciso en las bajas intensidades de luz.

Básicamente es como un 2-bits de potencia DAC con un poco de pesas que se puede ajustar seleccionando valores de la resistencia (y se deben ajustar las resistencias dependiendo de lo que necesites).

En el derecho es el mismo, pero un BJT por cable como sumidero de corriente proporciona control analógico de baja intensidad.

Yo recomendaría ir con el de la izquierda ya que es el más simple y probablemente usted tiene todas las piezas ya.

Otra buena solución es utilizar un cambio constante de la corriente LED del conductor con ajuste de corriente promedio. Este es el más alto de la eficiencia de la solución para los Led de alta potencia. Sin embargo, si usted conduce una tira de LEDS, esto no ayuda mucho con la eficiencia, como las resistencias en la tira de LED va a quemar el poder.

Answer 5

Esta pregunta es un X-Y problema. Un lineal de conductor actual constante puede ser hecho a la unidad de LED, sí. Pero es muy ineficiente, y no se requiere para la aplicación.
Hay un montón de circuito de corriente constante para ser encontrado en línea.

Con PWM de 8 bits, el LED salta en el brillo de cero a "leer un libro" los niveles de

Usted puede controlar el brillo con una escala logarítmica. He utilizado la siguiente fórmula para efecto similar.

$$pwm = 2^{x/((0.69*255)/\ln(255))} -1 $$

Que las salidas PWM de 8 bits basada en los valores de 8 bits de entrada de luminosidad. La 0.69 está ahí para asegurarse de que termina en 255.

Es posible que desee crear una tabla de búsqueda, ya que esto no es un microcontrolador amistoso de la computación.