Arduino ile maksimum MOSFET anahtarlama hızı

[taydin]

Bir Arduino UNO ile bir MOSFET'i en fazla hangi hızda anahtarlayabiliriz, öncelikle bunu teorik olarak belirlemeye çalışalım. Sonra da gerçek bir UNO ve gerçek bir MOSFET ile ölçerek sınırları belirleyelim.

MOSFET'lerin gate'lerindeki kaçak kapasite birkaç nano Farad veya daha fazla olabilir, bunun sonucunda da anahtarlama amaçlı gate'e bir ON voltajı uygulanırsa, gate kaçak kapasitesi bu voltaj kaynağından şarj olacaktır ve anlık olarak yüksek bir akım geçecektir.

UNO'nun GPIO pinini MOSFET gate anahtarlama amaçlı kullanacaksak, akımı bir direnç ile sınırlandırmamız gerekiyor. Atmega328p nin datasheet'ina bakınca, 40 mA lik bir sınır akımı verilmiş. Ama bu "absolute maximum ratings" başlığı altında verilmiş, yani bu değeri aşarsan 328p gider. Bu durumda bir güvenlik marjı bırakmamız lazım. Akımı 20 mA ile sınırlandıralım. Bu da 5 V besleme için 250 Ω demek. Standart olarak 220 Ω kullanalım.

MOSFET olarak da lojik seviyelerle çalışan IRLZ44 kullanacağız (şu anda elimde yok sipariş ettim). Datasheet'te 3.3 nF lık bir gate kapasitesi verilmiş. Buradan zaman sabitini hesaplarsak:

[math]\tau = RC = 220 \times 3.3 \times 10^{-9} = 726 \times 10^{-9}\ s = 726\ ns[/math]
Zaman sabiti, kapasitör şarjının %70 değerine ulaştığı zamanı verir. Tam şarj zamanını yuvarlayalım, 1 μs diyelim. Yani UNO nun GPIO pini, gate kapasitesini yeterince saniyede 1000000 kere doldurup boşaltabilecek kapasiteye sahip.

Gene MOSFET datasheet'e bakınca, rise time ve fall time olarak da 230 ns ve 110 ns verilmiş. Burada da sıkıntı yok. Başarılı anahtarlamada kriterimiz, MOSFET drain hem maksimum voltaja ulaşması (full OFF) hem de şaseye inmesi lazım (full ON).

Şimdi bu, işin teorik hesabı. Teorik olarak 1 MHz anahtarlama hızına çıkıyoruz.

Bu hesapta bir yanlışlık var mıdır? Varsa isteyen belirtsin one göre düzelteyim.

 

[taydin]

Sonraki aşama, gerçek UNO ve MOSFET ile bunu deneyeceğim. Testi kontrollü şartlarda yapmak için MOSFET gate kaçak kapasitesini de ölçeceğim.

 

[Atak]

Daha yüksek hız için daha küçük gate kapasitansına sahip 2n7000 veya yüksek akımlar için IRF510 kullanılabilir bunlar logic olmadığı için önüne buffer koymak gerekiyor ama. Bu ikisi özellikle IRF510 RF için tasarlanmamış olsa da dünyadaki birçok hobici amatör telsizcinin imdadına yetişiyor. 3.5-7MHz sonrası tabi bunların da işi bitmeye başlıyor. Gerçi kare dalga şeklinde on off zor iş burada yine amaç sinüs olduğu için rising ve falling timeler bir yere kadar kabul edilebilir oluyor.

 

[Ahmet]

Daha yüksek hız için daha küçük gate kapasitansına sahip 2n7000 veya yüksek akımlar için IRF510 kullanılabilir bunlar logic olmadığı için önüne buffer koymak gerekiyor ama. Bu ikisi özellikle IRF510 RF için tasarlanmamış olsa da dünyadaki birçok hobici amatör telsizcinin imdadına yetişiyor. 3.5-7MHz sonrası tabi bunların da işi bitmeye başlıyor. Gerçi kare dalga şeklinde on off zor iş burada yine amaç sinüs olduğu için rising ve falling timeler bir yere kadar kabul edilebilir oluyor.

çare ıgbt

 

[taydin]

Benim bunu test etmemdeki amaç, gate sürücü kullanmak, kullanmamak açısından. Şimdi teoride 1 MHz e çıkıyoruz ama gerçek devrede denerken muhtemelen bir pislik çıkacak ve bu hızlara ulaşamayacağız. Amaç onu görmek.

 

[Endorfin35+]

Bir Arduino UNO ile bir MOSFET'i en fazla hangi hızda anahtarlayabiliriz, öncelikle bunu teorik olarak belirlemeye çalışalım. Sonra da gerçek bir UNO ve gerçek bir MOSFET ile ölçerek sınırları belirleyelim.

MOSFET'lerin gate'lerindeki kaçak kapasite birkaç nano Farad veya daha fazla olabilir, bunun sonucunda da anahtarlama amaçlı gate'e bir ON voltajı uygulanırsa, gate kaçak kapasitesi bu voltaj kaynağından şarj olacaktır ve anlık olarak yüksek bir akım geçecektir.

UNO'nun GPIO pinini MOSFET gate anahtarlama amaçlı kullanacaksak, akımı bir direnç ile sınırlandırmamız gerekiyor. Atmega328p nin datasheet'ina bakınca, 40 mA lik bir sınır akımı verilmiş. Ama bu "absolute maximum ratings" başlığı altında verilmiş, yani bu değeri aşarsan 328p gider. Bu durumda bir güvenlik marjı bırakmamız lazım. Akımı 20 mA ile sınırlandıralım. Bu da 5 V besleme için 250 Ω demek. Standart olarak 220 Ω kullanalım.

MOSFET olarak da lojik seviyelerle çalışan IRLZ44 kullanacağız (şu anda elimde yok sipariş ettim). Datasheet'te 3.3 nF lık bir gate kapasitesi verilmiş. Buradan zaman sabitini hesaplarsak:

[math]\tau = RC = 220 \times 3.3 \times 10^{-9} = 726 \times 10^{-9}\ s = 726\ ns[/math]
Zaman sabiti, kapasitör şarjının %70 değerine ulaştığı zamanı verir. Tam şarj zamanını yuvarlayalım, 1 μs diyelim. Yani UNO nun GPIO pini, gate kapasitesini yeterince saniyede 1000000 kere doldurup boşaltabilecek kapasiteye sahip.

Gene MOSFET datasheet'e bakınca, rise time ve fall time olarak da 230 ns ve 110 ns verilmiş. Burada da sıkıntı yok. Başarılı anahtarlamada kriterimiz, MOSFET drain hem maksimum voltaja ulaşması (full OFF) hem de şaseye inmesi lazım (full ON).

Şimdi bu, işin teorik hesabı. Teorik olarak 1 MHz anahtarlama hızına çıkıyoruz.

Bu hesapta bir yanlışlık var mıdır? Varsa isteyen belirtsin one göre düzelteyim.

Açma veya kapama 1us ise anahtaralama hızı 500khz olmaz mı?

 

[Ahmet]

Benim bunu test etmemdeki amaç, gate sürücü kullanmak, kullanmamak açısından. Şimdi teoride 1 MHz e çıkıyoruz ama gerçek devrede denerken muhtemelen bir pislik çıkacak ve bu hızlara ulaşamayacağız. Amaç onu görmek.

aynı deneyi elindeki herhangi bir optokuplör ile de dener misin abi?

 

[taydin]

Açma veya kapama 1us ise anahtaralama hızı 500khz olmaz mı?

Hem açmada hem kapatmada iş yapıyoruz, o yüzden her bir işlemi sayıyorum

 

[taydin]

aynı deneyi elindeki herhangi bir optokuplör ile de dener misin abi?

Optokuplör hızını merak ediyorsan o bağımsız olarak test edilebilir. Odağımızı bozmayalım.

 

[Ahmet]

Optokuplör hızını merak ediyorsan o bağımsız olarak test edilebilir. Odağımızı bozmayalım.

Benim merak ettiğim şuan opto ile sürüyporum ya mos'u.

eğer opto ve mos aynı hızda açılıp kapanabiliyorsa basit bir izole sürücü deneyide yapmış oluruzç

 

[ozkarah]

Optoizolatörlere göre çok ama çok değişiyor bant genişliği. Yükselme ve düşme (rise-fall) zamanına bakarak hesap yapabilirisin.

Bir proje için PC817 ile denediğimde pek iç açıcı değildi. 18us maksimum yükselme zamanı var. 280 KHz gibi bir limit demek bu. Ama ona bile doğru düzgün erişemiyorduk. Sonrasında MOC serisiyle filan da denedim, sonucu hatırlayamıyorum ama çok parlak değildi onlar da.

Uygun fiyatlı hızlı optoizolatör olarak 6N137 makul bir performans verdi. 23 ns yükselme zamanı var. PC817'nin 780'de biri. Filtreler olmadan breadboard üzerinde bile 6-7 MHz'e kadar düzgün sonuç aldık.

 

[Ahmet]

Optoizolatörlere göre çok ama çok değişiyor bant genişliği. Yükselme ve düşme (rise-fall) zamanına bakarak hesap yapabilirisin.

Bir proje için PC817 ile denediğimde pek iç açıcı değildi. 18us maksimum yükselme zamanı var. 280 KHz gibi bir limit demek bu. Ama ona bile doğru düzgün erişemiyorduk. Sonrasında MOC serisiyle filan da denedim, sonucu hatırlayamıyorum ama çok parlak değildi onlar da.

Uygun fiyatlı hızlı optoizolatör olarak 6N137 makul bir performans verdi. 23 ns yükselme zamanı var. PC817'nin 780'de biri. Filtreler olmadan breadboard üzerinde bile 6-7 MHz'e kadar düzgün sonuç aldık.

6N137 step sürücülerin vazgeçilmezi oluyor en ucuzunda da en pahalısında da görülebiliyor.
TLP621 çok kullandım memnunum ben hızından.

Daha önce yer aldığım bir servo sürücü projesinde;
RV1S9262A
Kullanmıştık fiyatı çok absürt ama yüksek hızlarda izolasyon lazımsa kesinlikle bu RV müthiş çalışıyor.

Şimdi RV'nin satın almasına baktım 52 hafta diyor

omron 352c güzel bir optoydu AC anahtarlama yapmıştık bununlada

 

[semih_s]

Optoizolatörlere göre çok ama çok değişiyor bant genişliği. Yükselme ve düşme (rise-fall) zamanına bakarak hesap yapabilirisin.

Bir proje için PC817 ile denediğimde pek iç açıcı değildi. 18us maksimum yükselme zamanı var. 280 KHz gibi bir limit demek bu. Ama ona bile doğru düzgün erişemiyorduk. Sonrasında MOC serisiyle filan da denedim, sonucu hatırlayamıyorum ama çok parlak değildi onlar da.

Uygun fiyatlı hızlı optoizolatör olarak 6N137 makul bir performans verdi. 23 ns yükselme zamanı var. PC817'nin 780'de biri. Filtreler olmadan breadboard üzerinde bile 6-7 MHz'e kadar düzgün sonuç aldık.

Tüh! Keşke bunu sabahın köründe sipariş vermeden okusaydım. Derken aklıma yaktığım step sürücülerden söktüğüm entegreler geldi. 6N137 çıktılar .

 

[taydin]

Bugün lojik seviye MOSFET'ler geldi. Arduino'dan önce doğrudan sinyal jeneratörü ile deneyeyim dedim. Devre şu şekilde: Yani MOSFET drain'ine 4 Ω 300 W direnç bağlı. Besleme voltajı da 5 V. Sinyal jeneratöründen de koaksiyel kablo ile sinyal geliyor, 50 Ω olarak sonlandırılıyor ve 1 kΩ direnç üzerinden gate'e bağlanıyor.

 

[taydin]

Sonra osiloskobu MOSFET drain'e bağladım ve 1 kHz, 5 V kare dalga ile başladım. Duty cycle %50. Drain Çıkış fena değil, ama hafiften yükselme ve düşme noktalarında eğriler var.

 

[taydin]

Teoride 1 MHz lere kadar çıkınca, ben sinyal jeneratöründen gelen kablonun kaçak endüktansından gol yemeyelim diye koaksiyel kablo ve 50 Ω falan kullanıyorum, ama daha 1 kHz de musibetler başladı 10 kHz yapınca drain düşüşteki eğrilme iyice belirginleşiyor.

Bu ilginç gerçekten. Sanki gate kapasitesini boşaltırken sıkıntımız yok, ama doldururken sıkıntı var.

 

[taydin]

100 kHz e gelince artık MOSFET pratik olarak ON olmuyor bile ...

En fazla 3.8 V a kadar iniyor ve hemen ondan sonraki döngü başlıyor.

 

[semih_s]

@taydin hocam senin skopta kanal çoktur. pwm ve gate sinyallerini de ekleyince elinizdeki mosfetin gate kapasitansı da belli oluyor. Benim testlerde logic mosfetlerde* kapasitenin daha yüksek olduğunu gördüm.

Drain source voltajının büyüklüğü de etkiliyor kapanma hızını.
düzeltme*

 

[taydin]

500 kHz de artık MOSFET ortalıkta yok ...

 

[semih_s]

Bu arada mosfetler arasında test yaparken mosfetleri entegre soketiyle kullandım kolaylık oluyor. dip8 soketi kesip kullandım, düşük akımlarda sıkıntı olmayacağını düşündüm.