Jak sterować tranzystorem MOSFET z mikrokontrolera?

Przy sterowaniu tranzystorami MOSFET bezpośrednio z wyjścia mikrokontrolera, należy pamiętać o kilku rzeczach:
1. napięciu progowym tranzystora UGSth,
2. pojemności wejściowej tranzystora,
3. poziomie napięć, o ile jest to tranzystor z kanałem typu P.

Zalecane schematy połączeń dla tranzystora z kanałem typu N i typu P wyglądają w ten sposób:


Rezystor R1 redukuje prąd pobierany z wyjścia mikrokontrolera w momencie zmiany stanu logicznego. Dokładną wartość trudno jest ustalić, dlatego może mieć wartość z przedziału 10?...100?. Rezystor R2 utrzymuje tranzystor w stanie zatkania, kiedy mikrokontroler jest wyłączony. Jego rezystancja nie jest krytyczna, zazwyczaj przyjmuje się ją z zakresu od 10k?...100k?. Układ dla MOSFET-P sprawdzi się tylko gdy napięcie zasilania mikrokontrolera i obwodu sterowanego tranzystorem jest takie samo.

AD1 Tranzystor MOSFET do pełnego otwarcia wymaga przyłożenia napięcia bramka-źródło o wartości 2...3 razy większej niż napięcie progowe. Jeżeli producent podaje, że dla np. BUZ11 napięcie progowe UGSth wynosi maksymalnie 4V, to pełne otwarcie nastąpi przy UGS = 8...12V. Zatem jego sterowanie z mikrokontrolera zasilanego napięciem 5V na pewno nie będzie prawidłowe. Trzeba użyć tranzystora o mniejszym napięciu progowym, np. IRLML0030 (maksymalny UGSth = 2,3V).

AD2 Pojemność wejściowa tranzystora MOSFET jest rzędu od kilkuset pikofaradów do kilku nanofaradów. Wyjście mikrokontrolera może przewodzić prąd o natężeniu kilkudziesięciu miliamperów. To powoduje, że czas przeładowania bramki jest niemały. Przykładowo, prąd o natężeniu 20mA potrzebuje 1?s na przeładowanie pojemności 4nF o 5V.

To relatywnie spora wartość, powodująca powstawanie dużych strat w tranzystorze podczas jego przełączania. Dlatego sygnał PWM powinien mieć możliwie niską częstotliwość.

AD3 Trzeci problem pojawi się tylko przy tranzystorach z kanałem typu P. Aby je wyłączyć, trzeba sprowadzić napięcie bramka-źródło do zera, co wiąże się ze zrównaniem potencjału bramki z potencjałem źródła. Dlatego w takim układzie źródło tranzystora może być podłączone do tego samego napięcia, z którego zasilany jest mikrokontroler, czyli np. 5V. Sterowanie tranzystora (wyłączenie tranzystora) nie będzie prawidłowe gdy napięcie bramka-źródło będzie zbyt mocno różniło się od zera.

Wymienione utrudnienia często wystąpią w realizowanych układach.

Zatem, jeżeli:
- trzeba wysterować tranzystor o wysokim napięciu progowym UGSth,
- napięcie zasilające mikrokontroler jest bardzo niskie (np. 1,8V),
- sygnał PWM ma wysoką częstotliwość,
- tranzystor z kanałem typu P jest podłączony do zdecydowanie wyższego napięcia (np. 24V),

to trzeba użyć sterownika tranzystora MOSFET. Na rynku dostępne są setki, jeśli nie tysiące, tego typu układów. Zapewnią odpowiednią szybkość przełączania oraz dopasują poziomy napięć. Przykład to TC4426. Pracuje z napięciem do 18V i dobrze obsługuje wyjścia mikrokontrolerów zasilanych napięciem 3,3V.

1. Pomyliłeś opis rezystorów R1 i R2.
2. Przy P-Fet bezpośrednie sterowanie z większości mikroprocesorów w tej konfiguracji i zasilaniu obciążenia napięciem powyżej napięcia zasilania procesora doprowadzi albo do uszkodzenia wyjścia procesora albo do niepełnego wyłączania P-Fet czy jego częściowego przewodzenia w czasie gdy powinien być wyłączony. Trzeba zastosować driver lub stopień na tranzystorze typu otwarty kolektor.

Nie czepiam się, ale to artykuł dla początkujących który wprowadzi ich w błąd - bądź też wyraźnie zaznacz że przy P-Fet mikroprocesor i obciążenie musi być zasilane tym samym napięciem jeśli używamy przedstawionego przez Ciebie schematu.

Dzięki, poprawiłem opis.

W materiale opis dotyczy właśnie problemów z P-FET i przy różnych napięciach zasilania mikrokontrolera i obwodu sterowanego tranzystorem potrzebny jest wspomniany sterownik lub bufor na elementach dyskretnych, w najprostszym przypadku układ OC.

Dopisałem notatkę gdyby oznaczenia VCC na schemacie zostały przeoczone.

Nie zgodzę się ze sposobem sterowania tranzystora z kanałem typu N.
W przedstawionej konfiguracji mamy dzielnik napięcia a więc tranzystor otworzy się jeszcze gorzej. W większości przypadków wystarczy nie stosować rezystora R2 (przy MCU w trybie Push-Pull).
Jeśli jednak chcemy mieć pewność, iż od początku uruchomienia urządzenia tranzystor będzie zatkany, to R2 powinien być pomiędzy MCU a R1, w ten sposób mamy wyższe napięcie Vgs niż w przedstawionej konfiguracji i pewność wyłączonego tranzystora na starcie.

Robi się dzielnik napięcia jednak przy tak dużej różnicy rezystancji omy-kiloomy wpływ będzie niewielki, w pozostałych przypadkach będzie wykorzystany sterownik.

ADI-mistrzu wrote:

W przedstawionej konfiguracji mamy dzielnik napięcia a więc tranzystor otworzy się jeszcze gorzej

Czy to jest naprawdę aż tak duża różnica czy bramka dostanie 5V czy np. 4,95V?

stabilizator wrote:

- tranzystor z kanałem typu P jest podłączony do zdecydowanie wyższego napięcia (np. 24V),

to trzeba użyć sterownika tranzystora MOSFET.

Czasami wystarczy zwykły tranzystor.

stabilizator wrote:

Zatem jego sterowanie z mikrokontrolera zasilanego napięciem 5V na pewno nie będzie prawidłowe. Trzeba użyć tranzystora o mniejszym napięciu progowym, np. IRLML0030 (maksymalny UGSth = 2,3V).

Takie tranzystory występują z właściwością "logic level", "TTL level".