Interruptor MOSFET usando un optoacoplador

Con las piezas en el correo, no he tenido tiempo de probar, pero la simple pregunta: ¿funcionará esto o qué mejoras se necesitan?

Lo que se supone que debe hacer: un interruptor MOSFET para cargas de 12 V, 0,5-3 A, impulsado por un nivel lógico de 3,3 V (que resultó ser demasiado bajo incluso para mis MOSFET de nivel lógico). El chip arranca con los puertos altos, MOSFET apagado. Establecer el pin bajo lo enciende.

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Luego el fondo.

Estoy usando una placa NodeMCU de nivel lógico de 3,3 V para mi proyecto. Para esto, obtuve un puñado de MOSFET IRL540N (después de leer foros, y las cosas son baratas). Según la hoja de especificaciones, tenía la idea de que funcionaría a 3,3 V, pero no hubo suerte. En el nivel de puerta de 5-6 V, se abre bien (conecté 21 W de LED de 12 V para probar, funcionó de maravilla, el IRL540N ni siquiera se calentó). Pero a 3,3 V no hubo suerte, los LED apenas se encendieron.

El uso de un transistor de controlador funcionó, pero luego se invirtió: el puerto bajo estaba activado, por lo que efectivamente está activado de forma predeterminada, y eso no es seguro para mi proyecto. Tiene que estar desactivado por defecto, por lo que al inicio (pines bajos) simplemente está desactivado.

Entonces me di cuenta de que tenía que usar un voltaje más alto, y aquí es donde entra en juego el optoacoplador. Me permite llevar la compuerta del MOSFET al nivel de 12 V usando solo 3,3 V.

El siguiente esquema lo ideé para la combinación con un expansor de puertos PCF8574. Sus pines deberían estar predeterminados en salida, alta. En estado alto, solo puede generar aproximadamente 0,3 mA, muy poco, lo suficiente para impulsar un transistor pero no un LED. Sin embargo, puede absorber al menos 20 mA, por lo que es lo suficientemente bueno para controlar un LED o un optoacoplador.

La idea detrás de este esquema: cuando se enciende, los puertos están altos, no hay corriente a través del LED, la puerta MOSFET se baja y está apagada.

Luego, cuando hago que el puerto sea bajo, hunde la corriente para el LED en el optoacoplador, la puerta se eleva y el MOSFET se enciende. El 12V asegura que esté saturado.

La carga puede ser lámparas o un motor o incluso un solenoide, D1 está ahí para evitar que el circuito se fríe al apagarse.

Intrínsecamente el circuito parece sólido. Aunque no he comprobado los valores de los componentes.

Respuestas (2)

Todo parece estar bien, solo algunos comentarios:

  1. La corriente directa a través del diodo de entrada del opto es demasiado baja (6-7 mA). Un valor de 150 Ohm para R1 permitiría un I F entre 10 y 15 mA, aún dentro del límite de sumidero de 20 mA de su PCF8574. Esto le permitirá corrientes de colector más altas (cargas más pesadas) en el transistor de salida del opto y picos de corriente más altos durante la carga del MOSFET, sin sacar el transistor de la saturación (consulte la tabla a continuación).

VCEsat

  1. La carga en el transistor de salida del opto tiene demasiada impedancia para un cambio rápido en caso de que quiera hacer PWM. A 10 kOhm, sus tiempos de subida y bajada se dispararán, lo que limitará severamente el rango operativo de su ciclo de trabajo:

Tiempos de respuesta

  1. También hay otro problema de sincronización, que Jack Creasey ha señalado correctamente: la corriente del colector puede no ser lo suficientemente alta como para garantizar una carga rápida de la puerta MOSFET. Para superar esto, es posible que necesite una etapa de transistor adicional entre el opto y el MOSFET para aumentar la corriente. Pero tenga en cuenta que esto se suma a que el opto necesita un R2 más bajo para no convertirse en el cuello de botella.

  2. Agregue un condensador de desacoplamiento en el colector del transistor de salida del opto. Si su suministro de 12 V está conectado a través de cables largos (= inductancia parásita), apagar el MOSFET puede generar un pico de voltaje enorme en el riel de 12 V si la corriente entregada a la carga es alta. Su diodo flyback protege el MOSFET, pero no el riel. Echa un vistazo a esta pregunta .

Fuente de las cifras: hoja de datos PC817 .

El comentario #4 es muy bueno, considerando que esto es solo una prueba y se expandirá a más interruptores en el mismo microcontrolador. Definitivamente voy a agregar esos condensadores, son un seguro barato. Y cambiaré el valor de la resistencia, es que tengo a mano una bolsa de 330R. Probablemente solo use dos de esos en paralelo.
Ya construí el esquema, cambiando cargas de 5V y 12V, y quiero agregar que funciona exactamente como se esperaba. Única modificación con el esquema original: Bajé el valor de las resistencias en serie de los optoacopladores a 165R (2x 330R en paralelo), no he probado con el diseño original con resistencia en serie 330R. Sin condensadores de desacoplamiento como se sugiere en el n. ° 4 para mi prototipo, usando solo líneas cortas.

No hay nada lógicamente incorrecto con su esquema, pero hay un par de puntos en los que debe pensar.

Su mayor problema potencial es que el optoacoplador actúa como una fuente de corriente constante. A medida que lo encienda, siempre tendrá una corriente limitada por la carga de la capacitancia de la puerta. Además, el Opto tiene que proporcionar corriente a través de la resistencia de 10k, que para sostener su dispositivo (VGS > 2,5 V a 10 A) requiere 0,25 mA. Para que su Gate alcance cerca de 10 voltios, esta corriente de carga aumenta a alrededor de 1 mA.

Tiene aproximadamente 6 mA a través del LED en su PC817 , por lo tanto, es probable que tenga un límite de corriente de 3 mA en la salida (en el peor de los casos). El IRL540N tendrá aproximadamente 2000 pF de capacitancia de entrada. Esto dará como resultado un encendido/apagado lento del FET (esperaría el peor de los casos en el rango de 1 a 5 uS).
También tendrá retrasos de apagado muy grandes (>15 uS) si el voltaje de la puerta sube a 10 V o más. El tiempo de apagado también es suave, ya que está definido por la tasa de descarga de 10 k * 2000 pF.
Ni el encendido/apagado ni los tiempos de retardo pueden ser un problema en los niveles de corriente de salida previstos, solo debe tener en cuenta los problemas, especialmente si alguna vez tiene la intención de utilizar el control PWM (por ejemplo, PCA9685).

Gracias, muy útil. El tiempo no parece ser un problema ahora (encendido/apagado de segundos a minutos, si no horas), pero definitivamente lo tendré en cuenta para posibles proyectos futuros.
De hecho, la hoja de especificaciones me hace creer que 2.5V es suficiente para abrirlo, pero incluso con una carga <2A y 3.3V no funcionó para mí.
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