Thiết kế mạch Mosfet điều khiển Relay

Mosfet là gì?

 

Mosfet, viết tắt của “Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor” trong tiếng Anh, là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tức một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường. Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.

Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường. Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên. Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao.

MOSFET được chia thành 2 loại:

• N-MOSFET: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S
• P-MOSFET: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs <0. Dòng điện sẽ đi từ S đến D, điện áp khóa là Ugs~0.

Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ.

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N:

• G (Gate): cực cổng. G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic
• S (Source): cực nguồn
• D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS)

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.

Một số thông số chính của Mosfet

Loại bóng bán dẫn – các loại transistor khác nhau có thể được sử dụng trong các thiết bị thực: JFET hoặc MOSFET.

Phân cực điện – transistor hiệu ứng trường có thể dẫn truyền thuận hoặc dẫn ngược (kênh P- hoặc kênh N).

Công suất tiêu tán tối đa (Pd) – cần đảm bảo rằng MOSFET tương đương có thể tiêu tán đủ công suất. Thông số này phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động của transistor tối đa – nếu nhiệt độ tăng, công suất tiêu tán cực đại giảm. Nếu công suất tiêu tán tối đa không đủ – một số tính năng của transistor trở nên tồi tệ hơn. Ví dụ, điện trở Rds có thể tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng từ 25 ° C lên 125 ° C.

Điện áp đánh thủng cực máng cực nguồn (Vds) – là điện áp cực máng cực nguồn tối đa không gây ra đánh thủng kiểu thác ở 25 ° C. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ: điện áp giảm nếu nhiệt độ transistor cũng giảm. Ví dụ: ở -50 ° C, điện áp không gây ra đánh thủng kiểu thác có thể là 90% Vds ở 25 ° C. Điện áp cực máng cực nguồn có thể tiếp cận tối đa (Vds) khi đặt một điện áp dễ tiếp cận lên cực cổng có thể xảy ra hư hỏng đối với lớp oxide cổng cách ly (cũng có thể là tĩnh điện). Bạn không nên sử dụng các transistor có điện áp Vds và Vgs dự phòng lớn, vì thường chúng có các tính năng tốc độ kém nhất.

Điện áp ngưỡng cực cổng Vgs (th) – nếu điện áp trên cực cổng cao hơn Vgs (th), MOSFET bắt đầu dẫn dòng điện qua kênh cực máng cực nguồn. Vgs (th) có hệ số nhiệt độ âm: nếu nhiệt độ tăng, MOSFET bắt đầu mở ở điện áp cực cổng cực nguồn thấp hơn.

Dòng cực máng liên tục (Id) – bạn nên nhớ rằng một số đầu ra từ thân transistor giới hạn dòng cực máng trực tiếp có thể tiếp cận tối đa (dòng chuyển mạch có thể lớn hơn). Nếu nhiệt độ tăng, dòng điện tiếp cận tối đa giảm.

Nhiệt độ mối nối tối đa (Tj) – thông số này giới hạn nhiệt độ của kênh transistor ở trạng thái kích hoạt. Nếu nó vượt quá, tuổi thọ của transistor có thể bị giảm.

Thời gian tăng (tr) – thời gian mà dòng cực máng tăng từ 10% đến 90% so với quy định.

Điện trở trạng thái mở cực máng cực nguồn (Rds) là điện trở của kênh cực máng cực nguồn mở đối với các thông số đã thiết lập: Id, Vgs và Tj. Điện trở này gây phát sinh nhiệt trên MOSFET.

Ứng dụng rất phổ biến để điều khiển rơ le là sử dụng MOSFET. Từ các ứng dụng gia dụng đến ô tô đều sử dụng mạch này. Có một số khía cạnh cần xem xét như “stress” trên MOSFET, mức điện áp điều khiển để đảm bảo bão hòa MOSFET, mức điện áp thực tế đặt vào cuộn dây rơle nếu đủ để đáp ứng yêu cầu và “stress” trên các thành phần liên quan.

Mạch phổ biến điều khiển Relay

Trên đây là mạch phổ biến nhất về cách điều khiển rơ le với MOSFET. MOSFET nằm ở phía thấp của mạch và điều này được gọi là điều khiển phía thấp – low side. Trong trường hợp này, có thể dễ dàng điều khiển MOSFET chỉ với điện áp nhỏ.

Có thể đặt MOSFET ở phía VDD không?

Câu trả lời là có. Tuy nhiên, điều này khó hơn so với điều khiển ở phía thấp. Đặt MOSFET ở phía VDD được gọi là điều khiển phía cao “high side driving”. Xem xét cùng một MOSFET kênh N, VDRIVE phải cao hơn VDD cộng với điện áp ngưỡng cổng để bật MOSFET nếu tham chiếu là GND.

Mô tả thành phần của mạch

• VDRIVE là mức điện áp từ bất kỳ nguồn nào như chân GPIO của vi điều khiển, mạch khác hoặc nguồn điện áp bên ngoài.

• R1 được đặt để kiểm soát mức dòng khởi động khi VDRIVE được đưa vào (mức cao). Trong quá trình khởi động, cổng MOSFET vào nguồn sẽ bị ngắn vì lúc này điện dung đầu vào đang sạc. R1 sẽ xác định dòng khởi động nằm trong khả năng của mạch điều khiển (mạch cung cấp VDRIVE). R1 không đủ lớn sẽ gây ra quá nhiều trễ trong quá trình khởi động mạch. Nó cũng phải được lựa chọn cẩn thận để điện áp qua Gate đến  Source không giảm xuống nhiều và không thể đảm bảo MOSFET bật được nữa.

• R2 sẽ xác định điện áp Vgs. Trong khi bật, nó sẽ cung cấp điện áp đảm bảo cho MOSFET mở. Trong quá trình tắt, nó sẽ đảm bảo MOSFET tắt bất kể VDRIVE là bộ thu hở hay cống hở. Bộ thu hở hoặc cống hở có nghĩa là bộ thu hoặc cống của mạch dẫn động (VDRIVE) đang trôi nổi. Sự hiện diện của R2 sẽ buộc Gate phải được kết nối với mặt đất.

• Q1 là MOSFET kênh N sẽ nối cuộn dây rơ le với đất để dòng điện chạy qua cuộn dây.

• L1 là cuộn dây của rơle.

• D1 được thêm vào mạch để kẹp điện áp giật ngược của cuộn dây rơ le trong quá trình tắt. Điều này sẽ đảm bảo rằng MOSFET sẽ không bị hỏng.

Ở đây có giải thích chi tiết về điện áp ngược qua rơ le.

http://electronics Believer.com/relay-kickback-voltage-analysis/

Lựa chọn thành phần

 Chọn R1 sao cho yêu cầu hiện tại của mạch VDRIVE không bị vượt quá. Ví dụ, mạch VDRIVE là một chân vi điều khiển. Một chân vi điều khiển thường có thể cung cấp 3,3V và có thể cấp nguồn / dòng chìm 10mA. Giả sử như vậy, thì R1 phải lớn hơn 330 ôm với biên độ ứng suất tốt.

R1 >> (3.3V / 0.01A) >> 330 ohms

R1 có thể là 470 ohms . Điều này sẽ chỉ cung cấp 70% căng thẳng hiện tại,

(3,3V / 470 ohms) / 0,01A = 70,2%

470 ohms sẽ không gây ra độ trễ khi bật đáng kể cho MOSFET vì hầu hết các MOSFET đều có điện dung đầu vào trong phạm vi nano-farad.

Việc tiêu tán công suất R1 không phải là một vấn đề vì trong trạng thái ổn định, phần lớn điện áp sẽ nằm trên R2. Trong các giá trị trên, điện trở có định mức 100mW là đủ tốt.

 

 Chọn R2 sao cho điện áp rơi trên R1 tương đối rất nhỏ. Một nguyên tắc nhỏ là nhân R1 với 100. Vì vậy, với R1 là 470 ohms, R2 có thể là 47.000 ohms.

R2 = 100 X R1 = 100 X 470 ohms = 47.000 ohms

Kiểm tra xem MOSFET có thể Bật với các Giá trị đã xác định hay không

Điện áp trên R2 sẽ xác định xem MOSFET có thể bật và bão hòa hay không. Làm phân áp thì hiệu điện thế trên R2 là

VR2 = (VDRIVE X R2) / (R1 + R2)

VR2 = (3,3VX 47,000 ohms) / (470 ohms + 47,000 ohms) = 3,267V

MOSFET phải được chọn sao cho điện áp ngưỡng cổng thấp hơn nhiều so với 3,267V. Công suất tiêu tán trên R2 có thể được tính như

Pdiss_R2 = VR2 X VR2 / R2 = 3,267VX 3,267V / 47,000 ohms = 0,227mW .

Một điện trở tiêu chuẩn có định mức công suất 100mW là đủ tốt cho R2.

Sự tiêu tán công suất R1 có thể được tính như

Pdiss_R1 = (VDRIVE – VR2) X (VDRIVE – VR2) / R1 = (3.3V-3.267V) X (3.3V-3.267V) / 470 ohms = 2.3µW .

Vì vậy, một chiếc R1 với định mức 100mW là rất tốt.

 

 Chọn MOSFET có cổng vào nguồn điện áp thấp hơn nhiều so với điện áp trên R2 như đã tính trong phần 3.2. Đánh giá điện áp nguồn của MOSFET cống phải cao hơn nhiều so với mức của VDD. Đối với mức 12V VDD, MOSFET 30V thoát vào điện áp nguồn là đủ tốt. Điều này được giả định rằng có một diode kẹp trên cuộn dây rơle.

Trong trường hợp không có diode kẹp, định mức điện áp nguồn của cống MOSFET phải đủ cao để chịu được điện áp giật ngược. Điều này đòi hỏi nhiều tính toán toán học hơn để xác định mức tăng đột biến điện áp tối đa.

MOSFET cũng phải được chọn sao cho xếp hạng dòng xả của nó không bị vượt quá. Dòng xả của MOSFET có thể được tính là,

Id_MOSFET = VDD / Rcoil

Giả sử VDD là 12V và điện trở cuộn dây là 100 ôm, thì

Id_MOSFET = VDD / Rcoil = 12V / 100 ohms = 0,12A

Đối với rơ le, điện trở của cuộn dây sẽ ở giá trị thấp nhất ở nhiệt độ thấp nhất của hoạt động. Nếu đúng như vậy thì xếp hạng hiện tại của thiết bị phải cao hơn rất nhiều so với giá trị được tính toán để đảm bảo lợi nhuận thiết kế dồi dào. Một nguyên tắc nhỏ là nhân dòng điện thông thường với 10.

Trong ví dụ này,

Id_MOSFET_rating = 10 X Id_MOSFET = 10 X 0.12A = 1.2A

Sự tiêu tán công suất MOSFET có thể được tính là,

Pdiss_MOSFET = Id_MOSFET X Id_MOSFET X RDSon

Giả sử và RDSon 0,1 ohm,

Pdiss_MOSFET = 0,12AX 0,12AX 0,1 ohms = 1,44mW

MOSFET với đánh giá 0,5W là rất tốt.

 Chọn rơ le sao cho cuộn dây của nó có thể được điều khiển bởi mức điện áp bằng VDD là 12V trong ví dụ trên. Nếu ứng dụng là DC, hãy chọn loại DV. Chọn loại AC nếu ứng dụng là AC.

 Công suất tiêu tán của diode kẹp D1 là,

Pdiss_D1 = Id_MOSFET X VF_diode

Giả sử một VF_diode (điện áp chuyển tiếp) 0,7V,

Pdiss_D1 = Id_MOSFET X VF_diode = 0,12AX 0,7V = 84mW

Một diode có mức công suất 1W là đủ tốt.

Điện áp diode phải cao hơn mức VDD với biên độ cao. Đối với VDD 12V, một diode có định mức 50V là đủ tốt.

Tìm kiếm MOSFET tương đương

Các thông số quan trọng:

• 1. Nhóm linh kiện
• 2. Kênh N/P
• 3.Công suất Mosfet Pd
• 4 Điện áp cực DS  Vds
• 5. Điện áp Vgs(th)
• 6. Dòng qua chân D Id
• 7. Chỉ số Qg
• 8. Điện trở nội Rds

Mosfet thay thế phải thỏa mãn

• 1. Cùng Dạng Mosfet
• 2. Kênh N hoặc P
• 3. Công suất Pd lớn hơn công suất Pd của Mosfet cần thay thế
• 4. Điện áp Vds lớn hơn Vds của Mosfet cần thay thế
• 5. Điện áp Vgs(th) < Vgs(th) của Mosfet cần thay thế
• 6. Dòng Id  > Id của Mosfet cần thay thế
• 7. Chỉ số Qg < Qg của Mosfet cần thay thế
• 8. Điện trở Rds < Rds của Mosfet cần thay thế