Выбор полевого MOSFET транзистора для стола и экструдера — мануал по важным аспектам даташитов

Вместо твердотельного реле для управления питанием нагрева стола или экструдера альтернативным решением является использование полевых (MOSFET) транзисторов. Но какой из всего многообразия моделей и скудности ассортимента ближайшего магазина радиотоваров выбрать? Заказать на Али и ждать месяц? Или бегать по городу и искать 'тот самый, как в инструкции'? Давайте попробуем разобраться.

Сразу предупрежу — в радиотехнике и электронике я слабоват, так что если есть люди более компетентные с достаточным занием, то оставляйте коментарии, попробую дополнить. Все что здесь будет изложено — лишь перевод англоязычного источника.

Очевидно, что для выбора понадобится учесть параметры нагрузки — это напряжение и сила тока. Для 40 Ваттного нагревательного картриджа экструдера работающего от 12 В это примерно 3,33 А и при 24 В — 1,7 А. Для 150 Ваттного стола Prusa это будет 12,5 А при 12 В и 6,25 А при 24 В.

В огромных таблицах даташитов на полевые транзисторы обычно очень много разных значений, но самые важные вынесены на первую страницу документа справа.Вот к примеру страница производителя International Rectifier со ссылками на даташиты своей продукции. Нас интересуют 'N-канальные MOSFET транзисторы одноканальные' в корпусе TO-220, удобном для монтажа радиаторов. Для примера попробуем взять 3 разных по параметрам MOSFET'а: IRLB3034PBF, IRFB3806PBF и IRF3205.

Начнём с IRFB3806PBF, его основные характеристики приведены на картинке выше.

Для начала проверим силу тока и напряжение, на которые рассчитан полевик. Это значения Vdss и Id. По ним вроде всё хорошо, всё с запасом. Но это еще далеко не всё.

Нам нужно выяснить какую мощность в Ваттах будет рассеивать транзистор. Рассеиваемая мощность считается по формуле:

Pрас = R * I^2

R в данном случае берётся из максимального значения Rds(on) при указанном напряжении в даташите. Смотрим:Нормальное значение — 12,6 мОм, максимальное 15,8 мОм. В данном случае указано сопротивление для напряжения 10 В, для 12 В значение будет близким.

Подставим это значение в формулу выше (силу тока возьмём для нагревательного стола на 150 Вт питаемого от 12 В):

Pрас = 15,8 mΩ * (12,5 A)^2 = 0,0158 Ω * 156,25 A = 2,47 Ватт

Теперь посмотрим на другой параметр Rθja — тепловое сопротивление Junction-to-Ambient. Оно измеряется в Градусах Цельсия на Ватт. Находим этот параметр в нашем даташите:В случае SMD корпуса D2 (для модели IRFS3806PBF) это значение было бы 40 ℃/Вт, но для TO-220 (IRFB3806PBF) это значение будет 62 ℃/Вт.

Теперь умножим мощность, которую необходимо рассеять на найденное значение:

2,47 Ватт * 62 ℃/Ватт = 153,14 ℃

Ого, уже выглядит не очень. Но и это не всё. Т.к. Junction-to-Ambient намекает нам на то, что мы имеем дело с окружающей средой, то было бы опрометчиво не добавить температуру окружающей транзистор среды — пусть будет 25℃. И в итоге получим температуру, до которой нагреется корпус нашего транзистора — нехилых 178,14℃!

Не то чтобы обеспечить достаточное охлаждение в таком случае совершенно невозможно, но в домашних условиях пытаться это сделать будет проблематично. Лучше подыскать что-то более подходящее.

Пройдёмся по тем же параметрам у двух других претендентов:Транзистор IRF3205 имеет вот такую рассеиваемую мощность (для тех же 150 Вт при 12 В):

Pрас = 8 mΩ * (12,5 A)^2 = 0.008 Ω * 156.25 A = 1,25 Вт

И тогда температура корпуса транзистора будет:

1,25 Вт * 62 ℃/Ватт + 25 = 102,5 ℃

Лучше, но тоже не фонтан.Транзистор IRLB3034PBF (150 Вт при 12 В):

Pрас = 1.7 mΩ * (12,5 A)^2 = 0.0017 Ω * 156.25 A = 0,266 Вт

И тогда температура корпуса транзистора будет:

0,266 Вт * 62 ℃/Ватт + 25 = 41,5 ℃

Вот это дело! Температура поднимется всего 41,5 ℃ при максимальных нагрузках, а при нормальных будет и того меньше — смотрим Rdss(on) typ. и получим 38,5 ℃. Отличный вариант! Именно этот транзистор был указан в мануале для сборки Ultimaker от Plastmaska.

Может быть америку тут не открыл, но надеюсь, эти две нехитрые формулы помогут вам выбрать подходящий полевой транзистор. Ну и не забываем, что у всех всё разное, без пересчёта под свои значения брать MOSFET из статьи не стоит.