MOSFET на Рисунке 1 одновременно используется как нагреватель и датчик температуры в схеме терморегулятора.
 |
|
| Рисунок 1. | Принципиальная схема использования MOSFET в качестве термостатического нагревателя. |
Схема может применяться в качестве миниатюрного термостата для некоторых биологических структур в чашке Петри (типичная задаваемая температура от 30 °C до 50 °C). Другие приложения могут включать резку/сварку пластика, термостатирование электронных компонентов и даже пайку легкоплавким припоем, поскольку максимальная рабочая температура для кремниевых MOSFET составляет порядка 175 °C, а для карбидокремниевых (SiC) MOSFET она может быть намного выше.
Для правильной работы в этой схеме структура MOSFET Q1 должна содержать так называемый «паразитный» диод, катод которого подключен к стоку n-канального МОП транзистора. Этот диод имеют в своем составе почти все мощные MOSFET (в любом случае, его наличие можно проверить в техническом описании). В схеме этот диод используется в качестве датчика температуры (температурный коэффициент для кремния составляет около –2 мВ/°C).
Во время отрицательной полуволны входного переменного напряжения, когда MOSFET Q1 выключен, отрицательное напряжение на «паразитном» диоде заряжает конденсатор С1 через диод Шоттки D3; по сути, эти компоненты образуют детектор огибающей. (Эту часть схемы также можно рассматривать как устройство выборки-хранения).
Дело в том, что типичное прямое напряжение на «паразитном» кремниевом диоде на 0.3-0.5 В выше, чем на диоде Шоттки, поэтому максимальное отрицательное напряжение на конденсаторе C1 может составлять от –0.3 до –0.5 В. Резисторы R6 и R7 являются частью детектора огибающей; они также сдвигают уровень этого отрицательного напряжения в положительную область, что дает возможность подавать его на микросхему TL431. Положительное напряжение для сдвига уровня обеспечивает регулятор напряжения на микросхеме LM317.
Уставка температуры схемы может быть изменена простым изменением выходного напряжения регулятора (изменяя сопротивления резисторов R8 или R9).
Основная роль резистора R1 заключается в ограничении любых переходных токов до значений, безопасных как для MOSFET Q1, так и для диода D2. Тем не менее, если позволяет приложение, эта роль может быть расширена: R1 можно использовать как еще одну точку нагрева. Однако следует помнить, что в этом месте не будет термодатчика, поэтому регулирование в непосредственной близости от резистора может быть гораздо более грубым.
Во время положительной полуволны отрицательное напряжение, сохраненное на конденсаторе C1, активирует микросхему TL431, которая определяет, должен ли MOSFET Q1 быть включен или выключен.
Когда транзистор Q1 включен, цепь на p-n-p транзисторе Q3 поддерживает напряжение на стоке Q1 очень близким к напряжению на R4. Это происходит потому, что MOSFET Q1 и транзистор Q3 образуют усилитель с отрицательной обратной связью, в котором положение рабочей точки Q1 определяется соотношением сопротивлений R3 и R4.
Как показано на Рисунке 1, MOSFET Q1 с резистором R1 (одно плечо) и резисторами R3 и R4 (другое плечо) образуют мостовую схему, которая восстанавливает свое равновесие, если напряжение на стоке приблизительно равно напряжению базы Q3 или близко к нему.
Играя с отношением сопротивлений R3/R4, можно изменять соотношение количества тепла, рассеиваемого транзистором Q1 и резистором R1.
Когда R3 = R4, электрические мощности, рассеиваемые элементами Q1 и R1, равны; в общем случае R1 можно использовать в качестве дополнительного нагревателя для более крупного объекта, если один MOSFET Q1 не может обеспечить достаточного нагрева.
В любом случае, помните о предельно допустимых режимах элементов Q1, D2 и R1.
Между постоянными времени должны соблюдаться такие соотношения:
(R6 + R7) × C1 >> T/2 >> R1 × C1,
где T – период входного переменного напряжения.
При использовании нагревателя в критических приложениях при высоких температурах следует соблюдать осторожность, поскольку некоторые SiC MOSFET могут быть ненадежными [1].
Примечание: поскольку минимальное напряжение на TL431 составляет от 0.9 В до 1 В, минимальное пороговое напряжение затвора транзистора Q1 (при максимальных рабочих температурах!) должно быть выше этого значения.
Ссылка
- Lelis, Aivars J., et al. “High-Temperature Reliability of SiC Power MOSFETs.” Materials Science Forum, vol. 679–680, Trans Tech Publications, Ltd., Mar. 2011, pp. 599–602.
Купить TL431 на РадиоЛоцман.Цены
