Ist es eine gute Praxis, große Strommengen durch einen MOSFET zu leiten?

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Ich habe nach einer guten Möglichkeit gesucht, den Stromfluss in meinem Projekt zu kontrollieren. Dies kann an einigen Stellen bei 12-15 V zwischen 40 und 50 Ampere liegen. Relais sind zwar eine gute Wahl, sie sind jedoch mechanisch und erfordern daher eine gewisse Zeit, um sie zu aktivieren und sich mit der Zeit abzunutzen.

Ich habe MOSFETs (wie diesen IRL7833 ) gesehen, die beworben wurden, um solch anspruchsvolle Aufgaben zu bewältigen. In Anbetracht der Größe des FETs ist es mir jedoch unangenehm, so viel Leistung in ihn zu stecken. Ist das ein berechtigtes Anliegen?

John Leuenhagen
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Die Größe des Pakets sagt Ihnen nicht viel. Das Datenblatt tut. Wenn Sie sich die Zeit nehmen, es richtig zu lesen, können Sie sich später dafür bedanken.
Dampmaskin
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Ein kleiner Ratschlag: Versuchen Sie immer, Ihre Komponenten von Websites wie Digikey / Farnell / RS und anderen derartigen Websites zu beziehen. Sie erhalten nicht nur (normalerweise) wettbewerbsfähigere Preise, sondern auch VIELE weitere Informationen zu den Komponenten. Diese Amazon-Seite enthält zwar eine Liste der Funktionen, jedoch nicht das Datenblatt. Dies ist das Dokument, das Sie lesen möchten, um zu sehen, ob es für Ihr Projekt praktisch ist
MCG
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Sie könnten natürlich versuchen, die Teilenummer zu googeln und ein passendes Datenblatt zu finden, aber Sie können nicht sicher sein, dass es genau übereinstimmt oder dass das von Ihnen gekaufte Produkt kein billiger und beschissener Klon des Originals ist. Kaufen Sie es daher von einer seriösen Website, wenn Sie in irgendeiner Weise ernsthaft über das, was Sie tun, sind.
Dampmaskin
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Wie im Folgenden angesprochen, bedeutet dies, was Sie unter "Steuern des Stromflusses" verstehen. Wenn Sie den MOSFET als variablen Widerstand verwenden möchten, brennt er. Wenn Sie ihn als EIN / AUS-Schalter verwenden möchten, sollte er mit ausreichender Kühlung funktionieren.
Barleyman
@Barleyman Ich werde wahrscheinlich den Strom mit PWM schalten. Dies ist wahrscheinlich ~ 330Hz, da ich glaube, dass dies das ist, was Arduinos standardmäßig mit analogWrite verwenden.
John Leuenhagen

Antworten:

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Warum kann ein dicker Kupferdraht einen großen Strom verarbeiten?

Weil es einen geringen Widerstand hat. Solange Sie den Widerstand niedrig halten (MOSFET voll einschalten, z. B. V gs = 10 V wie im Datenblatt des IRL7833 verwenden), verbraucht der MOSFET nicht viel Leistung.

Verlustleistung P ist: , wenn also R niedrig genug gehalten wird, kann der MOSFET damit umgehen.P=ich2R

Es gibt jedoch einige Einschränkungen:

Schauen wir uns das Datenblatt des IRL7833 an .

Dass 150 A bei einer Gehäusetemperatur von 25 Grad Celsius liegen, bedeutet, dass Sie wahrscheinlich einen guten Kühlkörper benötigen. Jegliche Wärme, die abgeführt wird, sollte in der Lage sein, zu "entweichen", da der R ds des NMOS mit zunehmender Temperatur ansteigt. Was erhöht die Verlustleistung ... Sehen Sie, wohin das führt? Es wird thermisches Durchgehen genannt .

Diese sehr hohen Ströme sind oft gepulste Ströme, keine kontinuierlichen Ströme.

Seite 12, Punkt 4: Der Paketbegrenzungsstrom beträgt 75 A.

In der Praxis sind Sie mit einem IRL7833 auf 75 A begrenzt, wenn Sie den MOSFET ausreichend kühl halten können.

Sie möchten mit 40 - 50 A arbeiten, das sind weniger als 75 A. Je weiter Sie sich von den MOSFET-Grenzen entfernen, desto besser. Sie könnten also in Betracht ziehen, einen noch leistungsstärkeren MOSFET oder zwei (oder mehr) parallel zu verwenden.

Sie verbrauchen auch nicht so viel Energie für den MOSFET, und der MOSFET verarbeitet keine 50 A * 15 V = 750 Watt.

Wenn aus dem MOSFET wird Griff entweder 15 V bei fast kein Strom (nur Leckage), aufgrund des geringen Strom, der nicht genug Kraft sein wird , das MOSFET zu erwärmen.

Wenn auf dem MOSFET wird 50 A handhaben , aber es wird weniger Widerstand als 4 mOhm (wenn es kalt ist) , so dass Mittel 10 Watt. Das ist in Ordnung, aber Sie müssen den MOSFET kühl halten.

Achten Sie besonders auf Abbildung 8 des Datenblattes "Maximaler sicherer Betriebsbereich". Sie müssen sich in diesem Bereich aufhalten, da sonst der MOSFET beschädigt werden kann.

Fazit: Können Sie das auch? Ja, du kannst, aber Sie müssen einige "Hausaufgaben" machen, um festzustellen, ob Sie sich innerhalb der sicheren Grenzen befinden. Die bloße Annahme, dass ein MOSFET einen bestimmten Strom verarbeiten kann, weil er als solcher beworben wird, ist ein Rezept für eine Katastrophe. Sie müssen verstehen, was vor sich geht und was Sie tun.

Beispiel: Da 50 A bis 4 Mohm bereits eine Verlustleistung von 10 W liefern, was bedeutet dies für alle Anschlüsse und Leiterbahnen auf einer Leiterplatte? Sie müssen einen sehr geringen Widerstand haben!

Bimpelrekkie
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Du warst schneller als ich! Ich war in der Mitte des Schreibens einer Antwort, aber Sie sagten alles, was ich wollte, und noch ein bisschen mehr! +1 von mir!
MCG
Vielen Dank! Nach all dem fühle ich mich viel besser dabei. Ich werde wohl einen schönen Kühlkörper bestellen!
John Leuenhagen
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Vielleicht möchten Sie auch erwähnen, dass der Übergang zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand (beide Richtungen) geplant werden sollte. Die den MOSFET steuernde Schaltung muss in der Lage sein, das Gate mit genügend Strom zu betreiben (sowohl Ein als auch Aus), damit der MOSFET eine ausreichend kurze Zeit zwischen den Zustandswechseln verbringt, so dass er keine großen Leistungsmengen verbraucht ( Hitze), während es nur teilweise eingeschaltet ist. Für Leistungs-MOSFETs kann die Gate-Kapazität ziemlich signifikant sein, was erfordert, dass das Gate mit signifikant mehr Strom angesteuert wird, als durch "normale" Logikausgänge bereitgestellt werden kann.
Makyen
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Es ist hervorzuheben, wie wichtig es ist, dass die CASE-Temperatur für diese Bewertungen 25 ° C beträgt. Wenn das Gehäuse 25 ° C und die Umgebung 25 ° C hat, verbraucht das Gerät KEINE Energie! Zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper / der Luft / der Leiterplatte besteht IMMER ein Wärmewiderstand, und jede über diesen Widerstand abgegebene Leistung führt zu einem Temperaturanstieg - genau wie Strom durch einen Widerstand zu einer Spannung führt.
Ajb
Wenn er den MOSFET als variablen Widerstand verwendet, stirbt er in Flammen. Zum Beispiel würde das Begrenzen des Stroms auf 25 A bedeuten, den Einschaltwiderstand auf 0,3 R einzustellen. Das ergibt eine Verlustleistung von 187,5W. Boom.
Barleyman
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Ergänzend zu der guten Antwort von @Bimpelrekkie möchte ich Sie auf die Notwendigkeit eines alternativen Pfades zum Stromfluss aufmerksam machen, wenn Sie Ihre Last ausschalten.

Selbst wenn Sie den Strom für eine (theoretisch) reine ohmsche Last regeln, kann er eine Streuinduktivität enthalten. Wenn Sie also den 15A ausschalten, führt diese Induktivität zu einem Spannungsüberlauf an den Mosfet-Anschlüssen, der zu einem Zusammenbruch und damit zur Zerstörung führen kann. Selbst die Selbstinduktivität der Drähte kann bei dieser Strommenge zu Problemen führen.

Die typische Lösung besteht darin, eine Diode antiparallel zur Last zu schalten, wie im folgenden Diagramm dargestellt:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Wenn Sie sich Gedanken über die Verlustleistung machen, ist es außerdem wichtig, auch die Verlustleistung zu erwähnen, die beim Ein- und Ausschalten des Mosfets verbraucht wird. Jedes Mal, wenn der Kanal gebildet oder blockiert wird, geht etwas Energie verloren.

Die Verlustleistung durch Schalten beträgt ungefähr:

PswichtchichnG=12VichlÖeindfswichtchichnGtswichtchichnG

Wie Sie sehen, kann der Mosfet bei längerem Umschalten zu viel Leistung abgeben, was ein Problem darstellt.

Um die Übergänge schnell zu machen, müssen Sie eine Gate-Treiberschaltung zwischen dem Arduino und dem Mosfet verwenden. Darüber hinaus ist die Gate-Treiberschaltung obligatorisch, wenn Sie den am Pluspol der Stromversorgung angeschlossenen Mosfet verwenden möchten. In dieser Situation kann der Arduino keine positive Spannung zwischen Gate und Source-Anschluss erzeugen, da die Source in Abhängigkeit von der Laststrombedingung schwebt.

Luis Possatti
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Danke für die Information. Wollen Sie damit sagen, dass ich einen Treiberschaltkreis benötige, wenn ich die Quelle des Mosfets an das Plus meines Netzteils angeschlossen habe? Aber wenn ich die Quelle nach der Last angeschlossen habe und sie dann auf Masse lasse, kann ich sie ohne Treiberschaltung steuern?
John Leuenhagen
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Hi @JohnLeuenhagen. In dem Fall, dass der N-Kanal-MOSFET an den positiven Anschluss der Versorgung angeschlossen ist, sollte er über seinen Drain und nicht über seinen Source-Pin angeschlossen werden. Wenn Sie die Source eines N-MOS mit der positiven Zuleitung der Versorgung und die Drain mit der Last verbinden, leitet es immer aufgrund seiner eigenen Body-Diode.
Luis Possatti
Über die Notwendigkeit eines Treibers: Sie können ein N-Kanal-Mosfet nur direkt mit einem Mikrocontroller ansteuern, wenn Sie den Source-Pin mit demselben Potential wie die Erdung des Mikrocontrollers verbinden. Auf diese Weise können Sie das Gate mit einer höheren Spannung als die Source ansteuern, indem Sie einfach den GPIO Ihres uC auf einen logischen High-Pegel ziehen. In einer Anwendung wie der Ihren ist es jedoch immer gut, einen Gate-Treiber zu verwenden, da dies das Schalten beschleunigt und das Gate mit einer höheren Spannung (10 bis 15 V) auflädt, wodurch der Widerstand des leitenden Kanals und damit die Verlustleistung verringert werden .
Luis Possatti
Aha. Wird der Schalter durch Aufladen des Gates auf eine höhere Spannung schneller? Wenn ja, könnten Sie einen zweiten Mosfet verwenden, dessen Drain an +12 V und dessen Source an das Gate des ersten Mosfet angeschlossen ist, um ihn zu steuern?
John Leuenhagen
Die von Ihnen erwähnte Schaltung würde funktionieren, um das Gate des Hauptmosfets bis zu einem Wert unter 5 V aufzuladen, da dann Vgs des Nebenmosfets nicht ausreichen würden, um es im eingeschalteten Zustand zu halten. Schauen Sie sich diesen Artikel an, der ein Grundprinzip des Mosfet-Schaltens erklärt: nutsvolts.com/questions-and-answers/mosfet-basics
Luis Possatti
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Google "Solid State Relay", und Sie werden mehr finden, als Sie wissen wollten. Und sie arbeiten mit Wechselstrom, falls sich jemals ein Bedarf ergibt. Sie sind in sich geschlossen und erfordern eine eingebaute Schutzschaltung.

richard1941
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Beachten Sie, dass nicht alle Halbleiterrelais Gleichstrom schalten, viele nur Wechselstrom (normalerweise, weil sie Triacs oder Thyristoren als Schaltelemente verwenden). Wenn Sie beispielsweise bei eBay oder Amazon einkaufen, entsprechen sie möglicherweise den Spezifikationen oder verfügen über eine "Schutzschaltung". Zugegeben, dies gilt auch für diskrete Transistoren.
JMS
Danke für diesen Kommentar. Außerdem erzeugen viele solcher Geräte schreckliche leitungsgebundene und abgestrahlte elektromagnetische Störungen! Sie müssen dies überprüfen, bevor Sie sich für eine dauerhafte Installation entscheiden.
Richard1941