MOSFET transistor
Når man vil forbinde sit Arduinoboard til ”omverdenen”, oplever man af og til, at Arduinoboardet ikke kan levere nok strøm til den komponent man vil tilkoble, eller der skal bruges en højere spænding end de 5 V som Arduinoboardet arbejder med. Hvad gør man så? Jo, så skal man have fat i en transistor…
I specifikationerne over Arduinoboardet kan man læse, at man højest kan trække 20 mA fra et portben på en Arduino[1]. Det er den strømstyrke man normalt anvender til at få en lysdiode til at lyse. Men hvis man har behov for at trække en større strøm, kan man anvende en transistor, der fungerer som en ”omskifter” eller ”kontakt”, og som man kan tænde og slukke via et portben på Arduinoen.
Man kan også komme ud for, at man skal kunne tænde og slukke for en komponent der arbejder på 12 V, og ikke de 5 V som Arduinoboardet gør. Det kan for eksempel være en DC motor eller en pumpe. Disse komponenter vil oftest også trække større strøm end de 20 mA et portben kan levere. Løsningen er igen en transistor.
Der findes flere slags transistorer; Der er den type der kaldes for ”småsignalstransistore”, som virker som strømforstærkere, men kun kan holde til strømme omkring de 100 mA. Disse transistortyper er beskrevet under Transistor.
En anden slags transistor er en MOSFET transistor; Den virker som en tænd og sluk kontakt, hvor man ved en lav spænding (og uendelig lille strømstyrke), kan styre en stor strøm på adskillelige ampere ved store spændinger.
Kort fortalt, så har MOSFET transistoren 3 ben: Gate, Drain og Source. Når spændingen på Gate overstiger ca. 3 V (i forhold til Source), så tænder transistoren, og strøm kan løbe fra Drain til Source. Man kan se en MOSFET transistor som en styrbar kontakt, der kan styres med en spænding. Lidt som et relæ, men uden alt det mekaniske.
Nedenfor ses el-diagramsymbolet for en N-kanals MOSFET transistor af typen FQP30N06.
El-diagramsymbol for N-kanals MOSFET transistor.
For at strømmen skal kunne løbe gennem MOSFET transistoren, skal ”Gaten” åbnes. Det gøres ved at have en spændingsforskel mellem Gate og Source der er afhængig af MOSFET modellen. Størrelsen af Gate-Source spændingen () styrer hvor stor en strøm der kan løbe gennem transistoren. Man kan finde en graf over sammenhængen mellem og i databladet for den MOSFET transistor man ønsker at benytte.
I databladet[2] for en FQP30N06L N-kanals MOSFET ser vi grafen for som funktion af som vist nedenfor. Her ses det, at der kun skal en spændingsforskel på 3 V mellem Gate og Source for at kunne trække 10 A gennem MOSFET’en. Ud fra databladet kan det endvidere læses, at maksimalt må komme op på 20 V.
Graf der viser som funktion af for FQP30N06 N-kanals MOSFET.
En anden N-kanals MOSFET er IRF520, og sammenligner man dennes som funktion af i databladet[3], ses det, at hvis man ønsker man at kunne trække helt op til 10 A gennem denne, skal der være en spændingsforskel mellem Gate og Source på (mindst) 7,5 V. Det skal man tænke over, når man vælger hvad der skal tænde for MOSFET transistoren (f.eks. et Arduinoboard der leverer en spænding på 5 V).
Graf der viser som funktion af for IRF520 N-kanals MOSFET.
N-kanals MOSFET
Nedenfor ses el-diagramsymbolet for en N-kanals MOSFET transistor, samt visning af strømretningen gennem transistoren.
El-diagramsymbol for N-kanals MOSFET transistor, samt strømpil der viser strømmens retning gennem transistoren.
På diagramsymbolet ses også et diodesymbol; Det er en indbygget beskyttelsesdiode, der har samme funktion, som beskyttelsesdioden man sætter parallelt over en spole (f.eks. i et relæ). Da beskyttelsesdioden sidder i spærreretning, kan man se, at strømmen i en N-kanals MOSFET skal løbe fra Drain til Source.
Source på N-kanals MOSFET forbindes til minus (GND på Arduino), mens komponenten der skal styres af MOSFET'en forbindes mellem Vcc (forsyningsspænding) og Drain. En sådan opstilling ses på MOSFET styrer DC motor.
N-kanals MOSFET åbner for strømgennemgang fra Drain til Source, når spændingen mellem Gate og Source når den for den pågældende transistors minimumsspændning, og afhængig af spændingen mellem Gate og Source bestemmes den maksimale strøm der tillades fra Drain til Source.
P-kanals MOSFET
Nedenfor ses el-diagramsymbolet for en P-kanals MOSFET transistor, samt visning af strømretningen gennem transistoren.
El-diagramsymbol for P-kanals MOSFET transistor, samt strømpil der viser strømmens retning gennem transistoren.
På diagramsymbolet ses også et diodesymbol; Det er en indbygget beskyttelsesdiode, der har samme funktion, som beskyttelsesdioden man sætter parallelt over en spole (f.eks. i et relæ). Da beskyttelsesdioden sidder i spærreretning, kan man se, at strømmen i en P-kanals MOSFET skal løbe fra Source til Drain.
Source på P-kanals MOSFET forbindes til Vcc (forsyningsspændingen), mens komponenten der skal styres af MOSFET'en forbindes mellem Drain og minus (GND på Arduino). En sådan opstilling ses som en del af H-broen opbygget med 4 MOSFET.
P-kanals MOSFET åbner for strømgennemgang fra Source til Drain, når spændingen mellem Gate og Source når den for den pågældende transistors minimumsspændning, og afhængig af spændingen mellem Gate og Source bestemmes den maksimale strøm der tillades fra Source til Drain. Da spændingsoutputtet fra en port på Arduinoboardet er 5 V i forhold til GND, og ikke 5 V i forhold til Vcc på den forsyning der driver den komponent man ønsker at styre med MOSFETen, har man ofte behov for at bygge et signaltilpasningskredsløb der skal sidde mellem porten på mikroprocessoren, og Gate på P-kanals MOSFETen. Et sådant signaltilpasningskredsløb er vist til H-broen opbygget med 4 MOSFET.
MOSFET styrer DC motor
På el-diagrammet til højre er der anvendt en MOSFET transistor til at tænde og slukke for en DC motor. Der er anvendt en FQP30N06L N-kanals MOSFET transistor. Når spændingen ved Gate (G) er mellem 3-5 V vil MOSFET transistoren åbne, og der løber strøm fra til Drain (D) til Source (S), og dermed kan der løbe en strøm gennem DC motoren. Herved roterer DC motorens aksel.
Dioden, D1, der på el-diagrammet ses parallelforbundet med motoren, er en sikkerhedsdiode. Motoren indeholder jo en spole, og en spole bliver til en elektromagnet når man sender strøm gennem den. Når man afbryder strømmen til spolen, vil spolen selv forsøge at opretholde sit magnetfelt, og det sker ved at spolen danner en stor spænding med modsat polaritet end da strømmen løb gennem spolen. Denne spænding kan blive meget stor (afhænger af spolen og strømstyrken anvendt), men kortvarigt flere 100 V! For at forhindre dette, sættes dioden på, så når den store spænding opstår, vil strømmen løbe fra – på motoren gennem dioden D1 og til + på motoren, og dermed aflade sig selv. Alternativt ville strømmen løbe ned mod transistoren Q1, og den høje spænding ville kunne ødelægge denne.