MOSFET-Schaltungsdesign und thermische Überlegungen

Ich bin ein Neuling bei EE und wollte nur überprüfen, ob das Design, das ich für eine MOSFET-Schaltung entwickelt habe, die eine 12-V-500-mA -Wasserpumpe antreibt, funktioniert. Ich möchte auch bestätigen, dass ich den fraglichen N-Kanal-MOSFET ( RUR020N02 ) ohne Kühlkörper betreiben kann.

MOSFET-Schaltung für Wasserpumpe

P8 ist ein zweipoliger Klemmenblock, an dem die Pumpe angeschlossen wird. Der MOSFET hat ein 1,5-V-Logikpegel-Gate, das von einem 3,3-VI/O-Pin von einem Atmega328p angesteuert wird.

Durch meine Recherchen habe ich gelernt, dass es gut ist, einen Pulldown-Widerstand ( R9 ) für den Fall zu haben, dass der digitale E / A-Pin am Mikrocontroller ( PUMP ) schwebend gelassen wird, sowie einen Begrenzerwiderstand ( R10 ), um den uC-E / A-Pin innerhalb der Spezifikation (20-40 mA) zu halten. Ich denke, dies kann auch als Spannungsteiler fungieren, aber der Spannungsabfall sollte in diesem Fall vernachlässigbar sein und immer noch deutlich über der Gate-Schwelle liegen.

Ich habe für alle Fälle eine Flyback-Diode hinzugefügt, obwohl ich nicht sicher bin, ob eine wirklich benötigt wird. Die Pumpe ist ein Laufrad, daher nehme ich an, dass sie die gleichen Probleme hat wie der Betrieb eines Gleichstrommotors - ich bin mir nicht sicher, ob die Pumpe über eine eigene interne Schutzschaltung verfügt.

Meine Hauptfrage ist also, ob dieses Design für meine Bedürfnisse geeignet ist oder nicht.

Ich würde jedoch auch gerne wissen, ob ich für diesen speziellen SOT-23-MOSFET einen Kühlkörper verwenden müsste.

Basierend auf dem Datenblatt (oben verlinkt) hat es eine Verlustleistung von 0,54 W bei 25 ° C. Da der MOSFET einen R DS(on) -Wert von etwa 105 mΩ hat und meine Pumpe 500 mA zieht , sollte ich ohne Kühlkörper in Ordnung sein, da er nur 52,5 mW abführen muss , richtig?

0,105 Ω x 0,500 A = 0,0525 W

Angenommen, der MOSFET schaltet sich in einem akzeptablen Zeitrahmen vollständig ein.

Deine Pumpe ist ein Motor. Haben Sie über den Anlaufstrom, auch bekannt als Einschaltstrom, nachgedacht?
Ja und nein. Ich weiß nicht, wie hoch der tatsächliche Einschaltstrom sein würde, da ich weder die physische Pumpe zum Messen noch ein Datenblatt dafür habe. Ich gehe also davon aus, dass es < 2A sein wird, bis ich das Gegenteil beweisen kann, wenn ich irgendwann in dieser Woche die eigentliche Pumpe bekomme. Hier die besagte Pumpe.

Antworten (2)

Sie haben das größtenteils richtig durchdacht.

Ein Problem, das ich in Ihren Zahlen sehe, ist die Verlustleistung des FET. Sie sagen, das Gate wird von einem 3,3-V-Digitalausgang angesteuert. Der einzige garantierte Wert für Rdson ist 135 mΩ bei 2,5 V Gate-Ansteuerung. Sie können die 105-mΩ-Zahl nicht verwenden, da dies für 4,5-V-Gate-Ansteuerung gilt.

Die Verlustleistung beträgt (500 mA) 2 (135 mΩ) = 34 mW. Sie werden Schwierigkeiten haben zu bemerken, dass es warm wird. Es ist nicht annähernd Grenzen gesetzt.

Der Einschaltstrom ist viel größer als der konstante Betriebsstrom von 500 mA. Es wird jedoch nicht lange dauern, also sieht es so aus, als ob Sie in Ordnung sein werden. Beachten Sie, dass der maximale Impulsstrom, den dieser FET verarbeiten kann, 6 A beträgt. Das klingt bei 12-fachem Betriebsstrom ausreichend. Natürlich wird die Verlustleistung dann ziemlich groß sein, aber wiederum kurzlebig. Ohne Details zum Motor können wir das mit Sicherheit sagen, aber ich denke, Sie werden wahrscheinlich in Ordnung sein.

Es ist gut, dass Sie R9 dort platziert haben, aber ich würde es kleiner machen. 100 kΩ werden besser gegen eventuell aufgenommenes Rauschen vorgehen und haben dennoch keine Auswirkungen auf Ihren digitalen Ausgang.

Wenn Sie die Pumpe schnell ein- und ausschalten möchten, würde ich eine Schottky-Diode verwenden, um Probleme mit der Sperrverzögerungszeit zu umgehen. Wenn Sie die Pumpe immer länger als etwa eine Millisekunde ausgeschaltet lassen, spielt dies keine Rolle.

Ich würde auch eine kleine Kappe über die Pumpe legen, besonders wenn Sie sie nicht schnell wechseln werden. Das hilft bei HF-Emissionen.

Die Pumpe wird nicht schnell geschaltet. Sie wird nur abgeschaltet, wenn der Wasserstand für einen zuverlässigen Betrieb zu niedrig ist, um den Motor in der Pumpe nicht durchzubrennen. Ich habe mir aber schon eine Schottky-Diode herausgesucht, ich gehe davon aus, dass es kein Problem darstellen wird, wenn ich eine verwende, obwohl ich sie nicht wirklich brauche. Ich frage mich, ob es vielleicht ein besseres Schaltungsdesign für ein Gerät gibt, das "normalerweise an, selten aus" ist? Ich habe den Wert von R9 gesenkt und der Pumpe einen 100-uF-Kondensator hinzugefügt. Meinst du 100uF reichen aus?
@Matt: Der FET sollte in Ordnung sein, außer möglicherweise beim Start. Wenn Sie sich nicht sicher sind, können Sie ein Relais verwenden. 100 uF sind viel zu viel. Besser geeignet wäre eine 1 nF Keramik.
Ich wollte nur hinzufügen, dass ich die obige Schaltung mit Ihren Vorschlägen gebaut habe und alles perfekt funktioniert.

Es sollte in Ordnung sein - lesen Sie das Datenblatt und finden Sie diese Grafik, die ich rot markiert habe: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bei einer Gate-Source-Spannung von 2,5 Volt und einem Drain-Strom von 500 mA beträgt der Spannungsabfall über dem Bauteil typischerweise etwa 50 mV.

Die Verlustleistung beträgt 500 mA x 50 mV = 25 mW statisch.

Das Fahren mit 3v3 wird dies leicht verbessern. Suchen Sie immer nach diesem Diagramm und verlassen Sie sich nicht immer auf die Schlagzeilen auf Seite 1, obwohl für diesen FET die 0,105 Ohm ziemlich genau von dem Diagramm widergespiegelt werden.

Übrigens war Ihre Berechnung bezüglich der Leistung falsch. Leistung ist Strom zum Quadrat x Ohm, also Leistung = 0,5 x 0,5 x 0,105 = 26 mW.

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