Diseño de circuitos MOSFET y consideraciones térmicas

Soy un novato en EE, y solo quería verificar que el diseño que se me ocurrió para un circuito MOSFET que impulsa una bomba de agua de 12V 500mA funcionará. También me gustaría confirmar que puedo ejecutar el MOSFET de canal N en cuestión ( RUR020N02 ) sin un disipador de calor.

Circuito MOSFET para bomba de agua

P8 es un bloque de terminales de dos polos al que se conectará la bomba. El MOSFET tiene una puerta de nivel lógico de 1,5 V, que será impulsada por un pin 3,3 VI/O de un Atmega328p.

Por la investigación que he hecho, he aprendido que es bueno tener una resistencia desplegable ( R9 ) en caso de que el pin de E/S digital en el microcontrolador ( BOMBA ) quede flotando, así como una resistencia limitadora ( R10 ) para mantener el pin de E/S de uC dentro de las especificaciones (20-40 mA). Creo que esto también puede actuar como un divisor de voltaje, pero la caída de voltaje debería ser insignificante en este caso y todavía muy por encima del umbral de la puerta.

He agregado un diodo flyback por si acaso, aunque no estoy seguro de si realmente se necesita uno. La bomba es un impulsor, así que supongo que tiene los mismos problemas que hacer funcionar un motor de CC; no estoy seguro de si la bomba tiene su propio circuito de protección interno.

Entonces, mi pregunta principal es si este diseño es adecuado o no para mis necesidades.

Sin embargo, también me gustaría saber si necesitaría usar un disipador de calor para este MOSFET SOT-23 en particular.

Según la hoja de datos (vinculada arriba), tiene una disipación de potencia de 0,54 W a 25 °C . Dado que el MOSFET tiene un valor R DS (encendido) de alrededor de 105 mΩ y mi bomba consume 500 mA , debería estar bien sin un disipador de calor, ya que solo necesitará disipar 52,5 mW , ¿correcto?

0,105 Ω x 0,500 A = 0,0525 W

Suponiendo que el MOSFET se enciende por completo en un período de tiempo aceptable.

Su bomba es un motor. ¿Ha considerado su puesta en marcha, también conocida como corriente de entrada?
Si y no. No sé cuál sería la corriente de entrada real, ya que aún no tengo la bomba física para medirla, ni una hoja de datos para ello. Así que asumo que será < 2A hasta que pueda demostrar lo contrario cuando obtenga la bomba real en algún momento de esta semana. Aquí está la bomba en cuestión.

Respuestas (2)

En su mayoría has pensado esto correctamente.

Un problema que veo en sus cifras es la disipación de energía del FET. Dice que la puerta será impulsada por una salida digital de 3.3 V. El único garantizado en Rdson es de 135 mΩ con un controlador de compuerta de 2,5 V. No puede usar la cifra de 105 mΩ ya que es para un controlador de compuerta de 4.5 V.

La disipación de potencia será (500 mA) 2 (135 mΩ) = 34 mW. Te costará notar que se calienta. No está cerca de ningún límite.

La corriente de irrupción será mucho mayor que la corriente de funcionamiento constante de 500 mA. Sin embargo, no durará mucho, así que parece que estarás bien. Tenga en cuenta que la corriente pulsada máxima que este FET puede manejar es de 6 A. Eso suena suficiente a 12 veces la corriente de funcionamiento. Por supuesto, la disipación será bastante grande entonces, pero de nuevo, de corta duración. Sin detalles sobre el motor, podemos decirlo con seguridad, pero creo que probablemente estarás bien.

Es bueno que pongas R9 allí, pero lo haría más pequeño. 100 kΩ harán un mejor trabajo contra el ruido que podría captarse y aún no tiene consecuencias para su salida digital.

Si planea encender y apagar la bomba rápidamente, usaría un diodo Schottky para solucionar los problemas de tiempo de recuperación inversa. Si siempre deja la bomba apagada durante más de un milisegundo, entonces esto no importa.

También colocaría una pequeña tapa en la bomba, especialmente si no la va a cambiar rápidamente. Eso ayudará con las emisiones de RF.

La bomba no cambiará rápidamente. Solo se apagará en caso de que el nivel del agua sea demasiado bajo para que funcione de manera confiable, para no quemar el motor de la bomba. Sin embargo, ya elegí un diodo Schottky, supongo que no supondrá un problema si uso uno aunque realmente no lo necesite. Me pregunto si tal vez haya un mejor diseño de circuito para un dispositivo "generalmente encendido, rara vez apagado". Bajé el valor de R9 y agregué un capacitor de 100uF a la bomba. ¿Crees que 100uF será adecuado?
@Matt: el FET debería estar bien, excepto posiblemente al inicio. Si no está seguro, podría usar un relé. 100 uF es demasiado. Una cerámica de 1 nF sería más apropiada.
Solo quería agregar que construí el circuito anterior con sus sugerencias y todo funciona perfectamente.

Debería estar bien: lea la hoja de datos y encuentre este gráfico que he marcado en rojo: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Con una tensión de fuente de compuerta de 2,5 voltios y una corriente de drenaje de 500 mA, la caída de tensión en el dispositivo suele ser de unos 50 mV.

La disipación de potencia es de 500 mA x 50 mV = 25 mW estáticos.

Conducirlo en 3v3 mejorará esto ligeramente. Busque siempre este gráfico y no confíe siempre en los titulares de la página 1, aunque para este FET los 0,105 ohmios se ven bastante reflejados en el gráfico.

Por cierto, su cálculo estaba equivocado sobre el poder. La potencia es la corriente al cuadrado x ohmios, por lo que la potencia = 0,5 x 0,5 x 0,105 = 26 mW.

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