MOSFET como resistencia variable en el circuito de alto amperaje

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Estoy tratando de crear un circuito de calentador de vatiaje variable como se muestra a continuación. Claramente no soy un ingeniero eléctrico capacitado (simplemente un aficionado), así que perdona mi idea loca y mi estupidez general. Puedes imaginar el R1 como una bombilla o una tostadora, o lo que quieras. El objetivo del circuito es la idea de que puede reemplazar el R1 con un elemento calefactor con una resistencia de entre 0,05 ohmios (poco común) y 0,1-0,3 ohmios, y controlar el vataje del elemento calefactor para que sea algo así como 150-250 vatios al encender solo parcialmente el MOSFET a través de un regulador de voltaje en la compuerta del MOSFET.

(la energía es suministrada por dos baterías de ión de litio de alto consumo en serie. sí, esta es una gran cantidad de carga para estas baterías, pero sí pueden manejarla en situaciones de impulso).

He construido algunos prototipos, y como algunos de ustedes probablemente ya han adivinado, sigo soplando MOSFET. He estado usando un MOSFET que supuestamente maneja alrededor de 200a continuos, lo que sería más que suficiente para este propósito, pero evidentemente cuando la compuerta MOSFET no está saturada, la resistencia que crea disipa una tonelada de Vataje como calor. Después de unos segundos, la compuerta se rompe y el MOSFET conduce (como loco) independientemente de la ausencia de voltaje de la compuerta.

Entonces, mi pregunta es, ¿cómo logro el objetivo de este circuito? Supongo que podría usar varios MOSFET para dispersar la carga entre ellos, pero la disipación general seguirá siendo la misma, lo que es inaceptable en un dispositivo portátil.

¿Puedo usar las capacidades de conmutación rápida del MOSFET para crear el vataje ajustable percibido en R1? ¿Resolvería esto mis problemas de disipación de energía? Estoy empezando a aprender sobre los controladores de compuerta, pero ¿son capaces de variar los tiempos de conmutación con una entrada simple, como ajustar una resistencia de referencia mediante un potenciómetro? ¿O siempre requieren un MCU (mucho más allá de mis capacidades) para decirles qué hacer? ¿Qué tipo de rango de velocidad de conmutación necesitaría para lograr mis objetivos?

Sé que puedo usar convertidores de CC / CC para obtener resultados similares al ajustar el voltaje en R1, pero no hay prácticamente nada comercialmente disponible que maneje el amperaje necesario y cueste menos de $ 500. Por lo tanto, el objetivo de usar un MOSFET de bajo costo para controlar la corriente (en lugar del voltaje) en un circuito que simplemente proporciona más voltaje del que necesito.

    
pregunta playludesc

3 respuestas

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Respuesta alternativa sin PWM. (En primer lugar, estoy totalmente de acuerdo con que PWM es mejor: es más eficiente en el uso de la energía, lo que significa menos calor para eliminar, menos tensión en las baterías y mejor duración de la batería).

Sin embargo, los MOSFET de potencia se pueden utilizar en su modo lineal.

Como has descubierto, en su modo lineal, disipan mucho calor. Digamos, por el bien de la discusión, que está ejecutando una carga de 0,1 ohmios, a plena potencia que sería de 8 voltios, 80A, (640W) con el MOSFET completamente encendido. Pero desea controlar la potencia: la peor situación sería la mitad de la potencia: la tensión se comparte entre MOSFET y la carga, 4V, 40A, 160W en cada uno. Presumiblemente, la carga puede soportarlo, el MOSFET desnudo no puede ... a menos que disipes ese calor de manera segura en un disipador.

Matemáticas básicas del disipador térmico: cada parte del sistema tiene una "resistencia térmica" que disminuye la temperatura (no el voltaje) a medida que la energía térmica (no la corriente) fluye a través de él. Gracias a la temperatura ambiente, puede calcular qué tan caliente está su FET, y su hoja de datos le informa qué puede tolerar (Escogí el IRF540 como ejemplo, no conozco su FET).

Primera prueba: No hay disipador de calor. La hoja de datos muestra: "Resistencia térmica: Máx. Unión a ambiente:: 62C / W".

Por lo tanto, a 160 W y 20 C de temperatura del aire, la unión podría alcanzar 160 * 62 + 20 = 9940C. Revisemos la temperatura máxima absoluta en la hoja de datos: 175C, por lo que tenemos un problema ...

Segunda prueba: con un disipador de calor. ¿Qué tan grande?

Primero tienes que calentarte desde el cruce hasta la caja ... La hoja de datos muestra: "Resistencia térmica: Máx. Unión a caja:: 1C / W". Para 160W necesitamos un MOSFET más grande, así que voy a reducir la potencia a 40W para este cálculo, con su MOSFET, YMMV. (PUEDES hacer MOSFET paralelos, pero cada uno necesitaría voltajes de conducción ligeramente diferentes, así que no es fácil, pero puedes usar 4 de cada uno en su propio disipador).

De todos modos: mantengamos la temperatura de la unión muy por debajo de los valores máximos de abs - digamos 140C. A 40W que corresponde a una temperatura de la caja de (140 - 40 * 1C / W) = 100C. (Consulte la Fig. 9 en la hoja de datos, a 100C la corriente de drenaje no debe superar los 20A).

Por lo tanto, no se debe permitir que el disipador de calor exceda los 100 ° C, con una temperatura de aire de 20 ° C, lo que significa que la resistencia del disipador de calor debe ser inferior a (100-20C) / 40W = 2C / W. Apunte para algo mejor que esto, digamos 1.5C / W, porque he pasado por alto qué tan bien llegó el calor de la caja al disipador de calor para la simplicidad.

Ahora podemos buscar disipadores de calor mejor que 1.5C / Watt. Aquí hay un ejemplo: tiene aproximadamente 6 pulgadas de largo y 2 pulgadas de alto. Para 40W. Te dejaré ejecutar los números para tu MOSFET y niveles de potencia ...

EDITAR: para comentar sobre la opción 555.

555 probablemente funcionará bien. Mantenga la frecuencia de conmutación baja: para un calentador, 1Hz puede ser lo suficientemente bueno, o 10Hz o 100Hz. Esto minimiza las pérdidas por conmutación (mientras la puerta se está cargando, y el MOSFET está en algún lugar entre Activado y Desactivado).

No te molestes con un voltaje de control, solo controla la relación de encendido / apagado directamente con el potenciómetro. (Puede agregar resistencias en cada extremo para que funcione con el limpiador en cada extremo). Construya y pruebe que sin el MOSFET, luego agregue el MOSFET y verifique el voltaje de la compuerta con una carga alta (10 ohmios) y, finalmente, una carga real.

Y use un disipador de calor ... ¡aunque debería poder salirse con uno más pequeño!

    
respondido por el Brian Drummond
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Después de muchas pruebas, encontré una forma muy simple pero eficiente de calcular los MOSFET para usarlos en modo lineal.

Todo lo que necesitamos saber es el valor RDSon (resistencia en curso entre el drenaje y la fuente) y el ID (corriente de drenaje nominal continua, recomiendo elegir este valor a 100ºC de la hoja de datos, no el de 25ºC).

Con ambos valores en la mano, podemos calcular la potencia máxima disipada en el MOSFET en sus límites utilizando la ley de Ohm:

Si la potencia es igual al voltaje por la corriente: \ begin {equation} P = V * I \ end {ecuación} Y el voltaje es igual a los tiempos de resistencia de la corriente: \ begin {equation} V = R * I \ end {ecuación} Equiparando: \ begin {equation} P = R * I * I \\ o \\ P = R * I² \ end {ecuación} Asi que: \ begin {equation} P_c = RDS * ID² \ end {ecuación} Elegiré los datos en la hoja de datos de IRFP260N para mi ejemplo: \ begin {equation} RDS = 0.04Ω \\ ID @ 100ºC = 35A \\ PD @ 25ºC = 300W \\ P_c = 0.04 * 35² \\ P_c = 49W \ end {ecuación} La potencia calculada (PC) es más de seis veces menor que la potencia que se muestra en la hoja de datos (300W).

En mis pruebas, el MOSFET sopló justo por encima del valor calculado, pero no probé muchos tipos de MOSFET, y este cálculo es para usarlo sin un disipador de calor (utilicé un enorme disipador de calor en algunas pruebas, pero no lo hice ». Me funcionó de forma diferente. Creo que hay mucha energía para sacar el chip cuando se obtiene una potencia superior a la calculada, pero no soy un experto.

De todos modos, respetando los límites de potencia calculados, me funcionó muy bien en todas las pruebas.

    
respondido por el Luiz Meira
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Como ha descubierto, el problema con un regulador lineal es que para absorber el exceso de voltaje debe disipar mucha energía. Esto es lo mismo si utiliza un MOSFET, un transistor bipolar o un reóstato: cualquier cosa que actúe como una resistencia debe obtener la misma potencia que una resistencia.

La respuesta, como ha adivinado, es encender y apagar completamente el FET para que no pase la corriente y el voltaje de caída al mismo tiempo. Si lo enciende y apaga lo suficientemente rápido, entonces el elemento calefactor actuará de la misma manera que si recibiera la alimentación continuamente. Luego puede variar la relación de ancho de pulso entre 0% y 100% para controlar la potencia promedio en la carga. Esto se llama PWM (Modulación de ancho de pulso).

Cualquier circuito que produzca una onda cuadrada de amplitud suficiente y una relación variable de encendido / apagado funcionará. Un temporizador IC NE555 podría verse obligado a hacer el trabajo, pero se puede hacer mejor usando un amplificador operacional doble o un comparador con algunas resistencias y condensadores.

Aquí hay un ejemplo. U1A genera una forma de onda triangular en C2, y U1B la compara con el voltaje de CC en pot2 para crear un ancho de pulso variable (Pot1 simplemente ajusta la frecuencia y podría reemplazarse con una resistencia fija en su aplicación): -

    
respondido por el Bruce Abbott

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