Dobór tranzystora N-MOS do projektów typu Arduino, ESP

Witam. Mam taki o to problem, nie umiem dobrze dobrać tranzystora mosfet z kanałem typu N.

Parametrami jakimi będę się posługiwał to VDS VGS ID - cała reszta nie ma większego znaczenia.
Rozumiem że napięcie VGS wynoszące np. 10V VDS 12V otworzymy całkowicie kanał typu N i teoretycznie możemy przez tranzystor przepuścić ID = Imax dla danego tranzystora? Czy dobrze rozumiem? Zauważyłem że w intenetach można kupić IRF520 jednak... z tego co widzę VDS wynosi 10V czyli żeby go dobrze otworzyć na bramkę musimy rzucić 10V (nierealne) druga sprawa potrzebujemy do PWM IRF z literką L (logic) dzieki czemu będziemy mogli generować odpowiednio wypełnienie.

Idąc dalej, Przykładowo chcemy wysterować PWM dla diody LED dużej mocy (np. 12W) której napięcie zasilania wynosi 12V. Z prostego rachunku prąd drenu musi wynosić 1A. Jednak napięcie jakim będziemy ładować na bramkę będzie wynosiło 3,3V (np. z Wemosa D1 mini), czyli jak rozumiem musimy znaleźć tranzystor który będzie miał jak najniższa wartość VGS np. 5V a VDS np. 30V a prąd jaki może obsłużyć np. 2A? Czy jak to dobrze rozumuję? Chciałbym jeszcze uzyskać informację jak definiować moc rozpraszaną? Z góry dziękuję wszystkim za odpowiedzi.

Jeśli chcesz sterować z Arduino poziomami 0V/5V, to należy użyć tranzystora Logic Level, bo inny może otworzyć się tylko w niewielkim stopniu; tranzystory włączane niższym napięciem bramki są, ale znacznie trudniej dostępne i pewnie droższe.

jasiek89 napisał:

potrzebujemy do PWM IRF z literką L (logic) dzieki czemu będziemy mogli generować odpowiednio wypełnienie.

Akurat do wypełnienia to nie ma nic do rzeczy, ale jak nie będzie Logic, to po podaniu 5V może jeszcze mieć duży opór.

A skąd napięcie 3,3V? Używasz wersji Arduino zasilanej niższym napięciem?

Do wolnego przełączania można użyć translatora poziomów (1 tranzystor NPN, parę oporników). A jeśli potrzebujesz szybkiego przełączania, to i tak powinieneś mieć jakiś wzmacniacz (driver), który poda na bramkę dużo większy prąd i większe napięcie.

jasiek89 napisał:

Parametrami jakimi będę się posługiwał to VDS VGS ID - cała reszta nie ma większego znaczenia.

Id to jedyny parametr pozbawiony znaczenia, w rzeczywistości dobiera się Rds(on) - rezystancję w stanie włączenia, tak aby straty w tranzystorze nie były za duże. Vds podaje się jako napięcie przebicia więc sam musisz dobrać odpowiedni zapas.

Vgs? nie napisałeś które, w datasheet jest ich kilka, ale najbardziej użyteczne jest wiedzieć dla jakich napięć bramki wyspecyfikowano Rds(on), w drugiej kolejności rzut oka na charakterystykę Id(Vgs), oraz poziom napięcia Miller plateau.

"_jta_" - dziękuję za Twoją odpowiedź. Muszę jednak dopytać napisałeś coś takiego:

_jta_ napisał:

Do wolnego przełączania można użyć translatora poziomów (1 tranzystor NPN, parę oporników).

Czyli niemalże budujemy Układ Darlingtona w oparciu o NPN i NMOS?? To jakieś niespójne?

_jta_ napisał:

A jeśli potrzebujesz szybkiego przełączania, to i tak powinieneś mieć jakiś wzmacniacz (driver), który poda na bramkę dużo większy prąd i większe napięcie.

Prąd? Do NMOS? Przecież tam prąd jest leciutki, aby napięciowo sterujemy otwarcie dren-źródło? Mylę się?
Myślisz o zastosowaniu drivera PWM np. PCA9685??

Dodano po 7 [minuty]:

jarek_lnx napisał:

Id to jedyny parametr pozbawiony znaczenia, w rzeczywistości dobiera się Rds(on) - rezystancję w stanie włączenia, tak aby straty w tranzystorze nie były za duże. Vds podaje się jako napięcie przebicia więc sam musisz dobrać odpowiedni zapas.

Pokaż zatem jak policzyć Rds(on) Przy założeniu że mamy Vds(max) 20V i Id=1A R=U/I? I wychodzi nam 20Ω

jarek_lnx napisał:

Vgs? nie napisałeś które, w datasheet jest ich kilka, ale najbardziej użyteczne jest wiedzieć dla jakich napięć bramki wyspecyfikowano Rds(on), w drugiej kolejności rzut oka na charakterystykę Id(Vgs), oraz poziom napięcia Miller plateau.

Czy możesz pokazać jakiś żywy przykład? Jak się do tego zabrać?

jasiek89 napisał:

Czyli niemalże budujemy Układ Darlingtona w oparciu o NPN i NMOS?? To jakieś niespójne?

Akurat nie Darlingtona, bo on by nie zwiększył napięcia. NPN, emiter od strony Arduino, kolektor od strony NMOSFET-a, baza poprzez opornik do zasilania Arduino, oporniki pull-up przy emiterze i kolektorze. Stan wysoki na pinie Arduino powoduje odcięcie tranzystora i stan wysoki (z wyższym napięciem) na bramce NMOSFET-a; stan niski na pinie Arduino włącza tranzystor i powoduje stan niski na bramce. Taki układ ma też zastosowanie np. do translacji poziomów I²C - przenosi sygnał w obie strony. A inna możliwość, to wzmacniacz w układzie wspólnego emitera: emiter do masy, kolektor do bramki, baza poprzez opornik do pinu Arduino - taki wzmacniacz odwraca logikę, stan wysoki na pinie wyłącza MOSFET-a.

jasiek89 napisał:

Prąd? Do NMOS? Przecież tam prąd jest leciutki, aby napięciowo sterujemy otwarcie dren-źródło? Mylę się?

To zależy, na ile szybko ma się otwierać i zamykać - potrzebny jest do tego ładunek kilkadziesiąt, albo i kilkaset nC (zależnie od wielkości MOSFET-a) - jak ma się otworzyć, lub zamknąć w ułamku mikrosekundy, to prąd bramki wychodzi rzędu ampera (jakkolwiek tylko przez ten ułamek mikrosekundy).

Z tym plateau Millera jest taka kwestia, że raczej nie podają zakresu napięć, tylko wykres napięcia bramki (w funkcji jej ładunku) dla typowego egzemplarza - więc nie wiadomo, o ile będzie się różnić. No i mam wrażenie, że jest ono przedstawiane w sposób uproszczony - odcinek stałego napięcia na bramce - a naprawdę ono się zmienia, tylko w tym zakresie wolniej.

jasiek89 napisał:

Pokaż zatem jak policzyć Rds(on) Przy założeniu że mamy Vds(max) 20V i Id=1A R=U/I? I wychodzi nam 20Ω

Trzeba zacząć od określenia jakiej obudowy chcesz użyć i jak będzie odbierane ciepło z niej, nie chce mi się opisywać szczegółów, bo są noty aplikacyjne
Załóżmy że masz obudowę TO-251 (IPAK) w która ma rezystancję termiczną, w powietrzu Rth(ja) 110'C/W, powiedzmy że dopuścimy wzrost temperatury o Δt=27'C co oznacza straty mocy P=Δt/Rth(ja)=27/110=0,24W
Żeby straty były mniejsze podana wartosć Rds(on)<P/(I^2)=0,24Ω
Przykładowo IRLR014 z Rds(on)=0,2Ω (przy 5V) spełnia wymagania.

jasiek89 napisał:

Czy możesz pokazać jakiś żywy przykład? Jak się do tego zabrać?

Informacja jakiego Vgs potrzeba jest widoczna w trzech miejscach, najbardziej użyteczna jest ta z pierwszego obrazka ale jak nie ma dla napięć które cie interesują to patrzy się na charakterystyki

Rds(on) podane dla różnych napięć:

Charakterystyka przejściowa i wyjściowa - zależność pradu od napiecia bramki

Czasami skala charakterystyki przejściowej w wyjściowej jest taka że trudno odczytać wtedy patrzę na Miller plateau
Miller plateau - płaska część charakterystyki bramkowej, to miejsce gdzie tranzystor sie przełącza


Widać że ten tranzystor przełącza się ok 1,5V-2V (zależnie od prądu) więc żeby był w pełni włączony musimy mieć więcej, nadaje się do sterowania poziomem logicznym 2,5V 3,3V

Dobrze byłoby znać tę charakterystykę dla tego egzemplarza tranzystora, który będzie użyty - na wykresie jest typowy, może się trafić inny.

To może jednak zacznijmy jeszcze raz, tylko trochę prościej. Bo nadal wiemy tylko tyle że ja nic nadal nie wiem. A chciałbym móc wiedzieć.

Może na początek to sobie przeczytaj
https://edw.elportal.pl/pdf/k01/54_07.pdf
https://edw.elportal.pl/pdf/k01/55_08.pdf

W nocie katalogowej MOSFET-a podaje się opór dla jakiegoś napięcia bramki - zwykle typowy i maksymalny. Jeśli ten maksymalny nie jest za duży (on będzie powodował straty: spadek napięcia, grzanie się MOSFET-a), to możesz takiego MOSFET-a użyć i mieć pewność, że się nadaje, ale pod warunkiem, że możesz mu zapewnić takie napięcie bramki, dla którego podano opór. Jeśli zrobisz inaczej, i wybierzesz MOSFET-a, który pasuje według typowych charakterystyk, to jest spora szansa, że trafisz na taki, który będzie miał podobne i będzie podobnie działał, ale może się zdarzyć, że trafisz na taki, którego opór włączenia będzie za duży.

Zdarzają się MOSFET-y, którym do włączenia wystarczy parę V - robi takie np. Alpha & Omega Semiconductor, w ofercie Piekarza jest AO3401A (P-MOSFET, <85mΩ przy 2,5V), ale dla pozostałych potrzeba co najmniej 4,5V na bramce; inny producent to Advanced Power Electronics: AP2302AGN-HF-3 (N-MOSFET, <60mΩ przy 2,5V). W zagranicznych sklepach bywa wyszukiwanie po napięciu, dla którego podano opór włączenia, i np. https://pl.farnell.com/ ma w magazynie 25 typów, dla których to jest 3,3V, albo mniej.