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Dúvida MOSFET

Senhores boa noite.

Sou um tanto quanto leigo em eletrônica mas compenso isso com a programação.

Estou fazendo um protótipo aqui da seguinte maneira:

Fonte de energia: Fonte de PC.
AtTiny sendo alimentado via regulador de tensão de +12V para 5V e negativo direto na fonte do PC
Cooler de PC (12V) com positivo direto na fonte do PC
Peltier TEC1-12706 também com positivo direto na fonte do PC
MOSFET FQP6N60C sendo o GATE ligado no AtTiny (Pino 0), Source no negativo da fonte do PC e o DRAIN ligado nos negativos do Peltier e do Cooler.

PROBLEMA:

SE eu não conectar o Peltier no DRAIN do MOSFET, deixando apenas o cooler, o cooler funciona. Se eu colocar o Peltier o cooler não é energizado, apenas o Peltier.

Alguém poderia me auxiliar? Teria que colocar algum componente adicional (tipo resistor)? A melhor solução seria um MOSFET ou então um rele? Obrigado a todos

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Respostas a este tópico

Permalink Responder até Elcids Chagas em 28 julho 2019 at 2:34

olá Bruno.

Realmente irá ocorrer o que vc descreveu, dada a topologia que vc usou na sua implementação. Vou esclarecer os motivos.

O controle do Gate do MOSFET FQP6N60C (que é do tipo Canal N), tranquilo, vc pode controlar pelo AtTiny, uma vez que o nível "1" será próximo a 5V, garantindo um VGS suficiente para acionar o MOSFET. Da mesma forma, o nível "0" será baixo o suficiente para garantir que o MOSFET desligue.

Na sua topologia, a Pastilha TEC1-12706 estará em paralelo com o Cooler (que vc disse ser de 12V). Como cada um terá uma impedância elétrica (a pastilha e o cooler), estas impedâncias estarão em paralelo, cujo valor equivalente todos sabem calcular (igual a Z1xZ2 / (Z1+Z2) ).

Mas há um problema quando vc acionar o MOSFET. Veja a figura a seguir que mostra a impedância RDSon do MOSFET (marquei em verde na figura):

(clique na figura para "zoom")

Como vc pode ver, para um VGS de cerca de 10V (bem maior que o que vc está usando), e uma corrente ID igual a 2.75A, o valor do RDSon tem um valor típico de 1.7 Ohms, podendo chegar a 2 Ohms (o pior caso).

A Pastilha TEC1-12706 tem uma impedância entre 2 e 3 Ohms. Já o Cooler de PC, normalmente tem uma impedância entre 50 e 150 Ohms (o valor exato depende da potência, mas a faixa é esta). Assim a impedância do Cooler quase não tem peso na impedância equivalente do paralelo destes dois elementos. Fazendo os cálculos, vc verá que a impedância equivalente continuará próxima à faixa entre 1.8 e 3 Ohms.

Mas o que irá ocorrer quando a impedância Drain-Source de condução do MOSFET (o RDSon) estiver em série com a impedância equivalente do conjunto Peltier e Cooler ? Respondendo: justamente um divisor de tensão (como em qualquer circuito desse tipo). E como os 12V irão se distribuir em cada um? Vamos ver isso.

Veja que no seu caso, o RDSon será maior que aquele mostrado no datasheet do MOSFET, pois seu VGS é menor que aquele usado no datasheet (se o VGS diminui, o RDSon aumenta, mas isto não é linear). Mas vamos supor que ficasse em torno de 2 Ohms. Este valor é bem próximo do equivalente do paralelo do Peltier/Cooler. E o que ocorre quando temos em série duas impedâncias de valor muito próximas uma da outra? Terrível resposta para o seu caso: a tensão resultante em cada impedância será próxima à metade da tensão total aplicada ao conjunto em série. Ou seja: próxima de 6V.

Então agora vc já sabe porque o Cooler não aciona. Meça a tensão em cima dele e vai confirmar.

Mas o problema não pára por aí. Note que o fato de se ter cerca de 6V em cima da pastilha, a corrente nela não será a que vc espera (será cerca da metade), uma vez que de fato não temos em cima da Pastilha os 12V da sua fonte de PC. Se a performance da Pastilha será a que vc espera, não é possível responder, uma vez que não sei como vc pretende usá-la.

Mas há ainda um outro problema: se metade da tensão da fonte está em cima do conjunto Peltier/Cooler, onde está a outra metade? Resposta terrível: está em cima do Drain-Source do MOSFET. E o que isso significa? Que a Potência dissipada pelo MOSFET será o produto de cerca de 6V pela corrente de cerca de 2.5A (pois a tensão em cima da Peltier será também cerca de 6V e com uma impedância de uns 2.5 Ohms, teremos uma corrente próxima a 2.5A). Logo a Potência dissipada pelo MOSFET será cerca de 6V x 2.5A = 15W. Isto mesmo, é assustador, mas é isso. O MOSFET nestas condições do seu circuito, estará dissipando cerca de 15W, e na forma exclusiva de calor. Então imagino que seu MOSFET esteja em um bom dissipador de calor, porque senão ele iria pro beleléu.

Claro, vc pode estar até usando PWM para o MOSFET, o que significa que a Potência dissipada vai depender do duty-cycle do PWM. Mas conforme o PWM aumenta, a potência irá aumentar, e poderá se aproximar do valor do meu cálculo aproximado (os 15W).

Como resolver? Acho que fica claro para vc que a impedância RDSon do MOSFET é a chave para a questão, se vc for realmente usar um MOSFET. Assim precisa de um MOSFET com RDSon, bem mais baixo que este atual.

Mas também considere usar dois MOSFETs, um com RDSon bem baixo para o Peltier, e outro para o Cooler mas com um RDSon não tão rigoroso. Neste caso seriam circuitos independentes, controlados pelo mesmo sinal do Arduino. Claro, o AtTiny tem poucas saídas disponíveis, mas se estiver sobrando alguma, considere também controlar a Pastilha e o Cooler também de forma independente (cada um com um sinal digital do Arduino), pois poderá te dar mais flexibilidade no controle via código.

Se vc usar Relé eletro-mecânico (cuja impedância dos contatos é muito mais baixa que o RDSon do MOSFET) precisa ver se os tempos para ligar/desligar o Relé serão adequados para sua aplicação (já que comparado ao MOSFET, o Relé é bem lento).

Espero ter ajudado.

Abrçs,

Elcids

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Permalink Responder até Elcids Chagas em 28 julho 2019 at 4:36

Bruno,

Para facilitar entender o que postei anteriormente, tentei encontrar componentes no Proteus que tivessem um comportamento próximo ao que está acontecendo no seu circuito, já que vendo a coisa, é bem mais digerível.

Assim segue a implementação do que eu descrevi no post anterior:

(clique na figura para "zoom")

Veja que a Pastilha Peltier corresponde à R1, e tem a impedância característica da Peltier que vc está usando, no caso algo próximo de 2.5 Ohms.

O Cooler, é o Motor em paralelo com a Peltier. Se vc olhar as propriedades dele no Proteus, vai ver que tem uma impedância de 86 Ohms (ou seja, dentro da faixa que eu mencionei no post anterior), e uma tensão nominal de 12V.

Há dois Voltímetros. Um deles é V1 e está medindo a tensão em cima do Drain-Source do MOSFET. O outro é V2 e mede a tensão em cima do conjunto Peltier/Cooler.

Observe que a soma dos dois Voltímetros é 12V, como deveria ser (Lei de Kirchhoff), já que é a tensão da Fonte de 12V.

Há também um Amperímetro, medindo a corrente que atravessa todo o conjunto. Veja que a medição está em torno de 2.72A (também dentro do esperado para a impedância total ligada à fonte de 12V, conforme descrevi no post anterior).

Para o controle do Gate do MOSFET, apliquei uma tensão de 4.1V, que é bem realístico em relação ao nível "1" de uma saída digital do Arduino (Processador AVR, alimentado a 5V).

Não é preciso dizer muito, e praticamente o que era necessário já foi no post anterior.

Claro, na simulação o Motor chegou a girar (vc pode ver que está indicando 1860 RPM). Mas na prática um Cooler de 12V ou não ligará, ou ligará com giro bem baixo.

O importante é ver os valores de tensão e corrente no circuito. Calculando o RDSon do MOSFET, ele será = 5.31V / 2.72A = 1.95 Ohms. Bem, isto já mostra a essência do motivo que faz que o seu Sistema se comporte como vc descreveu.

Assim, para usar um MOSFET, este terá que ter um RDSon bem mais baixo (abaixo de 0.5 Ohm, para se aproximar de ser viável).

Mantendo este atual MOSFET que vc está usando, vc também pode tentar usar um circuito intermediário (com Transistor Bipolar ou outro MOSFET "leve"), para aumentar o VGS ao ligar o MOSFET, e assim reduzir o RDSon, mas há um limite para o que pode ser reduzido (e como eu disse anteriormente, não é linear), e provavelmente não será efetivo no seu caso, uma vez que a impedância da Peltier já é bem baixa.

Segue o arquivo de simulação para o Proteus: MOSFET_Peltier_01.pdsprj

Abrçs,

Elcids

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Permalink Responder até Eduardo em 28 julho 2019 at 14:25

Ainda, alem de todas as considerações que o Elcids fez, veja em:

http://www.mouser.com/ds/2/149/FQP6N60C-1009453.pdf

A corrente máxima dele quente é 3,3A. Frio 5,5A.

Se vai ligar uma pastilha que dá em torno de 2,5Ohms a corrente vai ser 12/2,5=4,8A.

Fumaça a vista...

Sugestão:

Use o popular: IRF640

https://www.mouser.com/catalog/specsheets/FairchildSemiconductor_16...

Leia:

http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-conhe-a-e-utiliza-m...

Também, por regra pática, sempre uso os resistores. Entendo que se houver o pior, com a queima do transistor, aumentam as chances de sobrevivência do microcontrolador.