Arduino-Lüftersteuerung: BJT vs. MOSFET

Ich denke über ein Elektronikprojekt nach, bei dem ein Arduino (ATMega32U4-Chip) diesen Noctua NF-A12X25 5V- Lüfter steuern wird. Ich denke daran, die 3-polige Nicht-PWM-Version über die 4-polige PWM-Version zu bekommen und stattdessen das 5-V-Signal an den Motor zu leiten. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob ich einen BJT oder einen Mosfest zwischen der Motorstromleitung und der Arduino-Signalleitung verwenden soll. Unten ist ein Schema der beiden Optionen, die ich untersuche:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Basierend auf den Spezifikationen des Lüfters zieht der Motor einen maximalen Strom von 0,35 A, sodass sowohl der BJT als auch der MOSFET damit umgehen können sollten. Ich möchte jedoch, dass der "Transistorschalter" zwischen Kollektor / Drain und Emitter / Source einen möglichst geringen Spannungsabfall (dh Stromverbrauch) aufweist, wenn der Motor eingeschaltet ist. Somit sollte dem Motor mehr verfügbare Leistung zur Verfügung stehen.

Meine Elektronikkenntnisse sind immer noch sehr begrenzt und ich habe mir das Datenblatt sowohl für den BJT als auch für den MOSFET angesehen. Das BJT-Datenblatt hatte eine Ein-Charakteristik Vce(sat) von 0,2–0,3 V, während das MOSFET-Datenblatt unterschiedliche Vds-Werte hatte. Das hat mich etwas verwirrt.

Wenn jemand erklären kann, welche Option die bessere ist und warum, wäre das großartig.

Angesichts der beiden Optionen, die Sie haben, führt der BJT zu weniger Spannungsverlust an Ihrer Last. Dieser MOSFET hat (typischerweise) einen Widerstand von 1,2 Ohm (mit 10 V GS --- Sie werden wahrscheinlich eine niedrigere VGS als diese haben, sodass Ihr Widerstand noch höher wäre ...) Das wären 0,35 A * 1,2 Ohm = 0,42 V. Der BJT-Verlust wird auf etwa 0,2 V "festgelegt". Es sind jedoch sehr erschwingliche MOSFETs mit verschwindend kleinem Widerstand erhältlich (z. B. AP2306 mit einem Widerstand von etwa 35 mOhm - das sind 0,035 Ohm !!!). Ihr Spannungsverlust wäre ungefähr 0,35 A* 0,035 = 12 mV
Wow! Sie verwenden einen Kleinsignal-BJT für einen Netzschalter. Hmmmm vielleicht keine gute Idee. Die Spezifikation für den Onsemi 2n3904 ist auf einen maximalen Kollektorstrom von 0,20 Ampere ausgelegt, und Sie sagen, dass Ihr Lüfter 0,35 Ampere zieht!
@xstack danke für den Hinweis. Aus irgendeinem Grund habe ich die Ic-Notation als Basisstrom auf dem Datenblatt gesehen (dumm von mir).
@KyleB Ich werde mir den AP2306 ansehen! Eine meiner anderen Sorgen ist die Vgs. Soweit ich weiß / annehme, verbraucht Vgs die 5 V der Stromversorgung. Wenn Vgs also beispielsweise 3 V beträgt, gehen nur 2 V über den Motor. Wenn das stimmt, dann wird der Motor weniger langsamer sein.
Wenn Sie einen nackten Bürstenmotor hätten, wäre ein geeigneter Leistungs- FET ( Ihrer ist nicht geeignet !!! ) eine bessere Idee. Aber was Sie wahrscheinlich haben, ist ein bürstenloser Motor, der sich hinter einem Controller versteckt, also sollten Sie nicht wirklich versuchen, ihn extern zu PWM, sondern eher eine Version mit einem PWM-Eingang verwenden. Sie könnten damit durchkommen, aber wenn Sie daran denken, was tatsächlich passieren würde, wären Sie entsetzt.
@kuan VGS subtrahiert nicht von Ihrer Spannungsschiene.
@KyleB. Wirklich? Es gibt also keinen Spannungsabfall über dem MOSFET, wenn er eingeschaltet ist? Wenn ich mich richtig erinnere, hat ein BJT normalerweise einen Abfall von 0,6 bis 0,7 V über der Spannungsschiene und ein Darlington-Paar hat einen Abfall von 1,4 V.
@ChrisStratton oh, daran habe ich nicht gedacht. Ich weiß mit Sicherheit, dass sich unter dem Lüftergehäuse in der Nähe des Motors eine Leiterplatte befindet. Sie haben mir den Kauf eines Nicht-PWM-Lüfters erspart, den ich später zurückgeben muss.
@kuan BJTs sind keine MOSFETs;) Was für den einen gilt, gilt nicht unbedingt für den anderen. Ja, wirklich, mit diesem MOSFET (oder jedem MOSFET mit niedrigem Drain-Widerstand) haben Sie effektiv "keinen Spannungsabfall" über dem MOSFET. Ich habe vorhin schon nachgerechnet ;) Bei 35 Milli-Ohm Drain-Widerstand und 350 mA Drain-Strom beträgt der Spannungsverlust 0,35 * 0,035 = 12 Millivolt. Wirklich ;) (Reiner Zufall, die doppelten "35er" hier ...)
Übrigens, beachten Sie, dass meine Firma diese AP2306 von der MILLION verwendet. Und oft werden sie verwendet, um Motoren zu steuern, die in demselben Strombereich arbeiten, in dem Sie arbeiten, oder höher. Wir erleben keine übermäßigen Feldausfälle, gut bewährte Komponente. Es wäre jedoch eine gute Idee, eine Snubber-Diode über den Motor zu legen, um Spannungsspitzen zu löschen, wenn Sie ihn PWM machen (wir verwenden normalerweise 1N5817).
Kuan. Sie mögen die harte Realität nicht zu schätzen wissen, aber ich versuche, Ihnen das Denken beizubringen und Ihnen nicht nur eine Antwort zu geben Frequenztaktung und die Schäden, die Sie verursachen könnten, wenn Sie die internen Kondensatoren an einem Nicht-PWM-Lüfter umschalten. Holen Sie sich den 4-Draht-Lüfter oder verwenden Sie eine lineare Steuerung an 3-Draht
@Kuan Diese Frage ist mit falschen Annahmen beladen > Können Sie einen Nicht-PWM-Lüfter per PWM betreiben, ohne den internen Kondensator mit einer beschleunigten Rate zu beschädigen? Was ist Rce vs. RdsOn? vs $ vs Steuerspannung oder Strom?
@KyleB Es scheint jetzt, dass PWMing der Leistung mit der integrierten Schaltung des Lüfters keine praktikable Option ist. Aber Ihr Wissen und Ihr Beitrag sind sehr hilfreich! Ich werde es auf jeden Fall für zukünftige Projekte und Designs im Hinterkopf behalten :D
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Ja, mein Fehler bei der Formulierung meiner Fragen. Ich sollte klar fragen, ob das PWMing des 3-Pin-Lüfters eine gute Idee ist oder nicht. Jetzt verstehe ich Rce und Rdson (den äquivalenten Widerstandswert, wenn der BJT / MOSFET eingeschaltet ist) und seine Rolle bei der Bestimmung des Stromverbrauchs. Ich bin mir nicht sicher, was Sie mit "vs $ vs" gemeint haben.
RdsOn vs. Kosten vs. Vgs(th) vs. Imax
Vgs subtrahiert NICHT von der Motorspannung, ABER Vds tut es. Vds = Ids x Rdson. | | R2 ist VIEL VIEL zu niedrig und frisst Ihren Antriebsstrom. 100k ist ok. Wirklich. R1 = V/I = (Varduino-Vbe)/(Ic/Beta) = sagen wir (5-0,6)/(0,350/100) ~~= 1k. Ändern Sie sich mit Annahmen. || R4 sagen auch 100k und R3 fast nicht benötigt. | 2n7002 ist der klassische 60-Pfund-Schwächling. Es funktioniert irgendwie, aber es gibt weitaus bessere FETs zu kaum oder gar keinen höheren Kosten. | Wie gezeigt, laufen R3 / R4 5 V PWM bis 3 V am Gate und FET hat WIRKLICH Probleme. Fahren Sie gut über Vgsth. Auch unter Vgsmax, aber bei 5 V liegen Sie weit darunter.
@RussellMcMahon. Danke für deinen Beitrag. Dies hilft, die von anderen geteilten Informationen zu verstärken!

Antworten (2)

Mein erster Rat ist, die 4-Draht-Version zu verwenden. Es ist viel einfacher damit zu arbeiten und heutzutage in jedem gewünschten Formfaktor weit verbreitet (insbesondere in einem großen 120-mm-Modell, wie Sie es vorschlagen). Da die Chop-Rate so hoch ist (25 kHz oder so), haben sie kein akustisches Rauschen Probleme.

Sie sollten 3-Draht oder 2-Draht nur dann in Betracht ziehen, wenn Ihr Design extrem kostengünstig sein muss.

2 Draht

Wenn Sie 2-Draht verwenden, können Sie Low-Side-Chop verwenden. Ich würde zu einem Paar 2n7002 parallel tendieren - das sollte für diesen Fan ausreichen. Wenn Sie einen BJT verwenden, müssen Sie sicherstellen, dass ein ausreichender Basisstrom vorhanden ist, wenn der PWM-Pin hoch ist - keine Selbstverständlichkeit. Überprüfen Sie das ATMega-Datenblatt. Betrachten Sie einen 2N2222 anstelle von 2N3904.

3-Draht

Wenn Sie 3-Draht verwenden (dh eines mit Drehzahlmesser), gibt es ein paar Probleme:

  • Sie können kein Low-Side-Chop verwenden. Dadurch wird das Tachosignal durcheinander gebracht. Verwenden Sie High-Side-Chop (P-Kanal-FET ist am einfachsten).

  • Selbst mit High-Side-Chop kann die Lüfterspannung nicht vollständig abfallen: Sie muss geglättet werden, damit der BLDC-Controller-Chip immer noch das Drehzahlsignal ausgibt. Fügen Sie eine Kappe über dem Schaltergerät hinzu; Sein Wert hängt von Ihrer PWM-Schaltrate und der gewünschten Steuerung ab.

Noch etwas: Bei einem bürstenlosen DC-Lüfter ist die Fangdiode nicht erforderlich.

Ich stimme zu, dass 4-Draht einfacher zu handhaben ist, aber insgesamt nicht unbedingt billiger. Als ich vor 18 Jahren für 10.000-Einheiten mit zwei 1U-Hochlüftern entwarf, war die billigste Lösung 2-Draht-Nidec-Lüfter und $ 2 LDO mit linearer Geschwindigkeit + automatischer Thermistor-Geschwindigkeitsregelung bei 45 ~ 50 ° C XFRM-Temperatur
Es ist nicht das billigste, 4-Draht zu verwenden. Aber diese Art von Lüfter ist mittlerweile weit verbreitet, dass sie auch nicht unverschämt teuer ist. Es ist der Standardtyp für ein PC-Gehäuse (mit Ausnahme von 12 V), sodass Skaleneffekte erzielt werden. Vor allem für die Größe 120 mm.
Vielen Dank. Der 4-Pin ist die Richtung, in die ich jetzt gehen werde. Der 2- und 3-Pin scheint die Kopfschmerzen für mein Können nicht wert zu sein. Eine Sache, die ich gelesen habe, ist, dass die Arduino-PWM-Frequenz 490 Hz beträgt. Laut Wikipedia könnte eine Frequenz unter 22 kHz ein hörbares Spulenfiepen verursachen. Ich weiß, dass es eine Möglichkeit gibt, die PWM-Frequenz von Arduino zu erhöhen. Auf den ersten Blick sieht es nicht lustig aus.

Lassen Sie uns mit dem Ohmschen Gesetz zu den Grundlagen zurückkehren. Dann kannst du selbst entscheiden.

Verwenden Sie das Impedanzverhältnis von Schalter zu Last und verstehen Sie, dass der Widerstand mit der Nennleistung des Geräts abnimmt. SMT-Teile haben den Vorteil, dass sie in FETs weniger Kosten, Größe und Widerstand aufweisen, neigen aber dazu, mehr zu kosten. Für Schalter vom Typ BJT ist ein Verhältnis erforderlich, das näher an Ic/Ib=10 liegt, um die Nennspannung Vce(sat) zu erreichen, aber Sie können den Sättigungswiderstand berechnen und ihn nun mit der Last R für den Spannungsabfall =I*R vergleichen, da sowohl der BJT als auch der Lüfter Motoren vom Typ (BLDC+Hall sense+Cct) verhalten sich eher wie lineare R. Die Lüfterlast lässt die inkrementelle BLDC-Impedanz im stationären Zustand oberhalb der Stalldrehzahl nahezu konstant erscheinen. Aber die Beschleunigung senkt die Impedanz.

Alles, was Sie brauchen, ist ein verlustarmer Schalter, bei dem der Schalterwiderstand aus Effizienzgründen beispielsweise < 2 % Ihrer Last oder besser beträgt. (z. B. 10 % Verlust schlecht, aber funktioniert, 1 % oder mehr ist ausgezeichnet)

Denken Sie daran, dass der Pd-Verlust und die Chipgröße in BJTs umgekehrt proportional zu R sind, aber Ihre Kosten, Zuverlässigkeit und Temperaturerhöhung sind die wichtigen Spezifikationen. mit Funktionen. FETs sind hier eine klügere Energiewahl, aber die Kosten hängen von klugen Entscheidungen ab und sind in SMT weitaus besser.

Last = 5 V x 0,35 A = 1,75 W oder 5/0,35 A = 14,3 Ohm im Durchschnitt. Sie möchten also einen Schalter < 280 mOhm (2%)

Transistorschalter basieren auf Ic/Ib=10 für Vce(sat) @ ___ A.

Der effektive Schalterwiderstand des BJT ist normalerweise umgekehrt zu seiner Pmax-Bewertung (mit Kühlkörper):

  • für Vce(sat) max @ Ic im Datenblatt ist der Kollektor-Emitter-Strömungswiderstand wie folgt definiert:

Rce = Vce(gesättigt)/Ic

Für den 2N3904, der bei 200 mA unterbewertet ist, Rce = 0,3 Vmax/50 mA = 6 Ohm.
Ein Leistungstransistor mit einem Nennstrom von >= tbd Ampere

zB PN2222A – NPN Allzweckverstärker
Vce(sat) = 300mV @ 150mA = 2 Ohm & 1V @ 500mA = 2 Ohm (Nicht gut).

Wie ändert sich also Rce mit den Nennleistungen eines Transistors? Beispiele zum Nachmachen:

KSC2328AYBU TRANS NPN 30V 2A TO-92L 1000 mW Rce= 2Vmax /1.5A = 1.3 Ohm (nicht gut)

MJE243G TRANS NPN 100V 4A TO225AA 15W max Rce= 300mV max @ 500mA = 0,6 Ohm (näher ...)

2SC4511 TRANS NPN 80 V 6 A TO220F 30 W max. Rce = 0,5 V max. bei 2 A = 250 mOhm (Gut) 2,46 $ (1 Stück)

Es kann kostengünstiger sein, einen SMD-FET mit ~ 100 mOhm bei 4,5 V oder weniger zu wählen ... wenn Sie SMD verwenden können ...

RTR025N03HZGTL NCH 30 V 2,5 A KLEINSIGNAL-MOSFET 0,79 $ Digikey (1 Stück) Rds Ein (max.) @ Id, Vgs
92 mOhm @ 2,5 A, 4,5 V Beste Wahl oder gleichwertiger Nch-FET mit einer Nennleistung von 4,5 V oder weniger

Zusammenfassung

für Ic/Ib=10 in BJTs
2N3904 = 6 Ohm
PN2222A = 2 Ohm
KSC2328AYBU = 0,6 Ohm
2SC4511 = 0,25 Ohm

FET (0,79 $ 1 Stück) RTR025N03HZGTL = 0,1 Ohm bei 4,5 V Sie können FETs in 4-Draht-Lüfter einbauen, die viel billiger sind als Sie.

Alle Engineering-Entscheidungen können auf jeder Design- und Komponentenebene getroffen werden.

Danke für die 2%-Faustregel Tony. Ich werde das für zukünftige Projekte im Hinterkopf behalten. Ich habe die Schaltpläne selbst in kurzer Eile gezeichnet, basierend auf meinem begrenzten Wissen.
Es wäre besser, mehr über die Fans herauszufinden, was sie vertragen. Das letzte Mal, als ich eine thermische Lüftersteuerung für Avaya entworfen habe, hat PWM meine 1U-Muffin-Lüfter gestört, also habe ich eine lineare Steuerung vorgenommen. Sie können anstelle von 2% Verlust auch einen Anstieg der Sperrschichttemperatur um 10 ° C für eine Startspezifikation verwenden, aber am Ende kommt es auf die Kosten und die Zuverlässigkeit an
Arduino-Lüftersteuerung: BJT vs. MOSFET
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