Sustituir un MOSFET en un controlador de motor

Dos razones:

1. En un BJT, la corriente que debe pasar por la base está relacionada con la corriente que fluye del colector al emisor, por la ganancia de CC del dispositivo. El pin GPIO en el Arduino necesitaría suministrar esta corriente base.
2. En cualquier dispositivo, la potencia térmica, es decir, el calor generado en el dispositivo de conmutación, está relacionado con la corriente que lo atraviesa, por lo tanto: ¿ P = V x I = I^2 x Rdónde Vestá el voltaje V _{ce sat} entre el colector y el emisor para el BJT, o en el caso del MOSFET Restá el R _{ds on} ?

El TIP31 mencionado tiene una ganancia de CC tan baja como 10 con una carga de 3 amperios y 25 con 1 amperio. Esto significa que para conducir solo 1 amperio a través de su motor, se necesita una corriente base de 40 mA, que es la corriente nominal máxima para cualquier GPIO en los chips AVR utilizados en la mayoría de las placas Arduino. En la práctica, los dispositivos nunca deben funcionar con los valores nominales máximos, por lo que el TIP31 no es una opción.

El TIP120 tiene una mejor ganancia de corriente continua, por lo que la corriente base no sería un problema. Sin embargo, tiene una V _{ce sat} de 2 Voltios a 3 Amperios y 4 Voltios a 5 Amperios. Esto significa que se generarán entre 6 Watts y 20 Watts de calor en el BJT para tales corrientes. No está bien.

El MOSFET, por otro lado, tiene un R _{ds on} nominal de 0.12 Ohms con puerta a 5 Voltios. Entonces, el calor generado sería de alrededor de 120 milivatios a 1 amperio, 1,08 W a 3 amperios y 3 W a 5 amperios de corriente de carga. Mucho más fresco que el BJT, aunque uno todavía usaría un disipador de calor a 3 amperios y más. La corriente de la puerta tampoco es un problema, ya que los MOSFET, al ser dispositivos impulsados ​​por voltaje, pasan una corriente insignificante en la puerta de todos modos, excepto una pequeña cantidad instantáneamente al encenderse, para cargar la capacitancia de la puerta.

La pregunta no especifica la corriente que necesita el motor, pero hay muchos MOSFET de nivel lógico súper baratos disponibles que muestran excelentes características de bajo R _{ds incluso} con voltajes de compuerta tan bajos como 2.5 voltios.

Un MOSFET fino y realmente económico es el IRLML2502 , que se vende por menos de 25 centavos , que podría considerar en lugar del MOSFET especificado, si se cumplen las especificaciones de voltaje y corriente de carga: Menos de 0,08 ohmios R _{ds encendido} por solo 2,5 voltios de voltaje de puerta , y bueno para hasta 3,4 amperios sin ningún problema.

• La clasificación máxima para su 12N10L es: MOSFET de canal N I(D,max) = 12A;
• La clasificación máxima para su TIP31 es: NPN BJT I(C,max) = 5A;
• La clasificación máxima para su TIP120 es: NPN Darlington BJT I(C,max) = 8A.

Suponiendo que la corriente del motor esté dentro de esas especificaciones y que la frecuencia de conmutación sea baja, cualquiera de estos transistores debería funcionar bien para la etapa de salida. Sin embargo, existe una diferencia importante entre un BJT y un MOSFET, a saber:

• Un MOSFET es impulsado por voltaje;
• Un BJT es impulsado por corriente.

Sin embargo, para conducir completamente el BJT, debe conducirlo con una corriente base. Esta corriente base es proporcional a la corriente del colector de la siguiente manera:$I_C=I_V×h_{FE}$. Consulte la hoja de datos para encontrar la ganancia actual del transistor (h _FE ):

• TIP31: 10 < h _FE < 50 Debe diseñar con los parámetros del peor de los casos, que es 10 en este caso. Esto significa que cuando desea controlar este transistor, por cada amperio en el colector, necesita 100 mA en la base. Si su controlador puede generar 10 mA desde un pin lógico, su transistor solo puede absorber 0.01 × 10 = 100 mA. Probablemente sea un poco menos de lo que esperabas.
• TIP120: Lo mismo ocurre con este transistor. De acuerdo con la hoja de datos, la ganancia actual h _FE = 1000. Esta es una especificación mucho mejor: por cada mA en la base, obtiene un máximo de 1A en el colector. Esta es una situación bastante útil, entonces, ¿qué está 'mal' con este transistor en esta aplicación en particular? ¡Mire la hoja de datos para V _{CE, sat} spec'd hasta 4V! Esto significa que cuando el colector del transistor se hunde 5A (hoja de datos), el voltaje a través de la unión colector-emisor puede llegar a los 4V. Al intentar conducir un motor de 5V, solo queda 1V para el motor. Además de eso, calculemos la potencia disipada del transistor en esa situación: P = U × I = 4V × 5A = 20W. ¡Esto implica un enorme disipador de calor!

Para controlar completamente el MOSFET, basta con aplicar un voltaje de 5 V a la puerta y, aparte del desafío de cargar la capacidad de la fuente de la puerta, no es demasiado difícil y, por lo general, es fácil de controlar directamente desde un pin del microcontrolador. De acuerdo con la hoja de datos , la resistencia de drenaje a fuente puede caer hasta un mínimo de 0,12 Ω. Cálculo de la potencia disipada para una carga de 5A: P = I ² × R = 5 ² × 0,12 = 25 × 0,12 = 3W. Eso significa que se requiere un disipador de calor, pero uno más pequeño en comparación con la opción TIP120.

El MOSFET 12N10L que se muestra está diseñado específicamente para encenderse con voltajes de nivel lógico, es decir, 5V. y prácticamente no toma corriente de entrada (actuando como un pequeño capacitor). La resistencia de la fuente de drenaje es extremadamente baja (0,12 ohmios) y está clasificada en 100 V 12 A. Ningún transistor de unión se acerca a estas especificaciones. Como beneficio adicional, tiene un diodo interno para protegerlo de la fuerza contraelectromotriz, lo que lo hace adecuado para conmutar cargas inductivas, como motores.

Si el motor tomara una corriente de 1 amperio, la cantidad de energía disipada en el dispositivo sería de solo 120 mW: funcionamiento en frío sin disipador de calor.