Usando MOSFET para controlar el elemento calefactor usando PWM y cálculos

Estoy planeando construir una estación de soldadura y me gustaría aclararme acerca de conducir MOSFET para controlar el elemento de calentamiento usando un microcontrolador.

El microcontrolador será ATmega328p (Arduino Pro Mini) y el MOSFET que se planea usar es IRLZ44N . Elemento calefactor de 50 W a 24 V.

  1. Estoy planeando usar una frecuencia PWM de alrededor de 30 kHz. ¿Hay algo malo con esta frecuencia en particular para esta aplicación?

Según la hoja de datos MOSFET.

  • t d ( o norte ) = 11 norte s
  • t r = 84 norte s
  • t d ( o F F ) = 26 norte s
  • t F = 15 norte s .

Si quiero limitar el tiempo total de ENCENDIDO y APAGADO dentro del 1% de un ciclo PWM. Entonces, la duración mínima del ciclo PWM que puedo tener será ( t d ( o norte ) + t r + t d ( o F F ) + t F ) × 100 = 13600 norte s . Entonces puedo usar la frecuencia PWM hasta 73529 Hz (73 kHz) sin problema. ¿Podría confirmar que mis cálculos son correctos?

  1. ¿Es necesario tener un circuito controlador MOSFET en lugar de conducir MOSFET directamente con el pin de salida MCU para esta aplicación?

Mi cálculo dice que puedo conducir directamente MOSFET con pin de salida MCU. Según la hoja de datos q gramo = 48 norte C . Con una frecuencia PWM de 30 kHz, la corriente máxima requerida para cargar/descargar la puerta MOSFET será:

48 × 10 9 / ( 1 / 30000 ) = 0.00144 A = 1.44 metro A .

( Actualización: mi cálculo anterior es incorrecto según el comentario de @Unimportant a continuación. Sin resistencia, tomaría 48 / 95 = 505 metro A para cargar la puerta, lo cual no es deseable para el pin IO ATmega328p. Por lo tanto, debe haber una resistencia o un controlador de puerta)

Por lo tanto, la corriente estará dentro del límite permitido (40 mA) y creo que MOSFET puede ser controlado directamente por el pin IO en mi aplicación. ¿Podría confirmar mi hallazgo?

Gracias de antemano.

La duración del ciclo PWM que ha mencionado es para la condición dada en la hoja de datos. En la práctica, el tiempo total de conmutación será más de lo que calculó.
@Dhans Sin embargo, sería seguro conducirlo a 30 KHz, ¿no?
¿Hay algún punto en conducir el elemento calefactor tan rápido? Con la capacidad de calor de la punta, creo que 100 Hz o incluso menos sería suficiente y le ahorraría algunas pérdidas de conmutación.
demasiado rápido para un sistema de alta inercia como un soldador. si desea un buen rendimiento, es mucho mejor concentrarse en el ajuste de PID que en el overclocking de la unidad del calentador.
Pero no puede pasar todo el período de transición de PWM, por lo que no tiene un tiempo de transición de 1/30000. Quiere que las transiciones sean rápidas, digamos 300ns para 30Khz por ejemplo, eso hace 48nC/300nS = 160mA.
Realmente no estoy siguiendo ... "dentro del 1% de un ciclo PWM", ¿quiere decir dentro del 1% de un período PWM ? ¿Dado que el ciclo de trabajo es probablemente variable aquí?
@Sin importancia ¡Gracias! ¡Ese es realmente un buen punto! Nunca pensé de esa manera. Entonces, al menos debería poner una resistencia para limitar la corriente o mejor tener un controlador MOSFET.
@Lundin Perdón por la confusión. Me refiero al 1% del período PWM, no al ciclo de trabajo.
puede usar un controlador de tótem simple. Los controladores MCU no son buenos para la conducción PWM. Como no importante, se sugirió tener un tiempo de subida de 300 nS, que es el control de la tarifa. Las pérdidas de conmutación necesitan al menos 160 mA en cada 16 uS que no puede proporcionar uC.

Respuestas (1)

Su elemento calefactor con una clasificación de 50 W impulsada a 24 V consumirá solo un poco más de 2 A. Entonces, el MOSFET al que se vinculó debería ser más que adecuado para cambiar esta carga.

No hay necesidad de exagerar la frecuencia de conmutación PWM ya que la carga es una carga térmica con una constante de tiempo prolongada. Muy cómodamente podría utilizar una frecuencia de conmutación de 500Hz a 2kHz que el ATMega328 puede generar fácilmente. No hay motivo para tener que calcular la frecuencia de conmutación máxima del MOSFET para esta aplicación.

Al analizar si el pin ATMega328 puede controlar directamente el MOSFET, estudie el gráfico de la Figura 1 de la hoja de datos del MOSFET. Con un controlador de compuerta de 4 V (inferior a los 5 V que la MCU realmente puede proporcionar), la línea de carga de 2 A está muy por debajo de la curva VGS relacionada. Esto significa que la MCU puede conducir cómodamente este MOSFET para una carga de 2A. Un MOSFET como este todavía tiene una capacitancia de puerta bastante alta, por lo que sería recomendable colocar una resistencia de valores pequeños en serie entre la MCU y la puerta para limitar un poco la corriente transitoria máxima durante la conmutación.

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Sin embargo, en mi opinión, un controlador mosfet adicional sería una solución más limpia. Especialmente cuando se cambia a frecuencias más altas, de lo contrario pasará una parte relativamente grande del período de cambio en el tiempo de transición. También se puede reducir el posible timbre en el pin MCU.
¿Qué tipo de gráfico es ese? ¿Registro?
Gráfico de registro de registro 2D.