Sustituya un MOSFET en un controlador de motor

Dos razones:

1. En un BJT, la corriente que debe pasar a través de 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 debería suministrar esta corriente base.
2. En cualquiera de los dispositivos, la energía térmica, es decir, el calor generado en el dispositivo de conmutación, está relacionada con la corriente que lo atraviesa, por lo tanto: P = V x I = I^2 x R donde V es el voltaje V _{ce sat} entre el recopilador y el emisor para el BJT, o en el caso MOSFET R es el R _{ds on} .

El TIP31 mencionado, tiene una ganancia de CC tan baja como 10 a 3 Amperios de carga, y 25 a 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 operarse a los valores nominales máximos, por lo que el TIP31 no es una opción.

El TIP120 tiene una mejor ganancia de corriente DC, por lo que la corriente de 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 vatios y 20 vatios de calor en el BJT para tales corrientes. No está bien.

El MOSFET, por otro lado, tiene una calificación R _{ds on} de 0.12 Ohms con compuerta de 5 voltios. Por lo tanto, 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 frío que el BJT, aunque uno todavía usaría un disipador de calor a 3 amperios en adelante. La corriente de la compuerta tampoco es un problema, ya que los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje, de todos modos pasan una corriente despreciable en la compuerta, excepto una pequeña cantidad instantánea en el encendido, para cargar la capacitancia de la compuerta.

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 R _ds bajo R, incluso en la puerta voltajes tan bajos como 2,5 voltios.

Un MOSFET excelente y realmente económico es el IRLML2502 , que se vende por por debajo de 25 centavos , que podría considerar en lugar del MOSFET especificado, si se cumplen las especificaciones de voltaje y corriente de carga: Bajo 0.08 Ohms R _{ds < sub> on} para un voltaje de compuerta de solo 2.5 voltios, y bueno para hasta 3.4 amperios sin ningún problema.

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

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

• Un MOSFET está controlado por voltaje;
• Un BJT está controlado por corriente.

Para manejar completamente el BJT, sin embargo, debe manejarlo con una corriente base. Esta corriente de 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 Es necesario diseñar con los parámetros del peor de los casos, que son 10 en este caso. Esto significa que cuando quiere conducir este transistor, para cada amplificador en el colector, necesita 100 mA en la base. Si su controlador puede generar 10 mA desde un pin lógico, su transistor solo puede hundir 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, obtienes un máximo de 1A en el colector. Esta es una situación bastante útil, entonces, ¿qué es "incorrecto" con este transistor en esta aplicación en particular? ¡Mire la hoja de datos de V _{CE, sat} con una especificación de hasta 4V! Esto significa que cuando el colector del transistor se hunde 5A (hoja de datos), el voltaje a través de la unión del colector-emisor puede ser tan alto como 4V. Cuando se intenta conducir un motor de 5 V, 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!

Para impulsar completamente el MOSFET, basta con aplicar un voltaje de 5 V a la compuerta y, aparte del desafío de cargar la capacidad de la fuente de la compuerta, no es demasiado difícil y generalmente es fácil conducir directamente desde un pin del microcontrolador. De acuerdo con la hoja de datos , la resistencia de Drenaje a la Fuente puede caer hasta 0.12. 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 necesita un disipador de calor, pero uno pequeño en comparación con la opción TIP120.

El MOSFET 12N10L mostrado está diseñado específicamente para ser activado por voltajes de nivel lógico, es decir, 5V. y prácticamente no toma corriente de entrada (actuando como un pequeño condensador). La resistencia de la fuente de drenaje es extremadamente baja (0,12 ohmios) y está clasificada a 100V 12A. Ningún transistor de unión se acerca a estas especificaciones. Como un bono adicional, tiene un diodo interno para protegerlo de la parte trasera y lo hace adecuado para la conmutación de cargas inductivas como los motores.

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