Motorgeschwindigkeitssteuerung mit MOSFET

Es gibt viele Anwendungen von MOSFET vom Industriesektor bis hin zu Haushaltsgeräten wie Motordrehzahlregelung, Lichtdimmung, Verstärkung und Schaltung elektronischer Signale in elektronischen Geräten, als Wechselrichter, Hochfrequenzverstärker und vielem mehr. Im Allgemeinen sind diese in verschiedenen Größen erhältlich, um den Anforderungen verschiedener elektronischer Projekte gerecht zu werden. MOSFETs werden immer dann eingesetzt, wenn wir große Spannungen und Ströme mit einem kleinen Signal steuern müssen. Dieser Artikel enthält kurze Informationen zu einer der MOSFET-Anwendungen, beispielsweise zum Design eines Motordrehzahlregelung mit MOSFET .

Motorgeschwindigkeitsregelung mit MOSFET

In der modernen Gesellschaft ist die Drehzahlregelung von Elektromotoren allgegenwärtig, da sie für verschiedene Maschinen von Bedeutung ist. Die geforderten Funktionen und Leistungen von Elektromotoren sind vielfältig. Wenn wir uns auf den Geschwindigkeitssteuerungsteil des Motors konzentrieren, kann die Geschwindigkeitssteuerung von Schritt- und Servomotoren durch eine Impulsfolge erfolgen, während die Geschwindigkeitssteuerung von bürstenlosen Gleichstrom- und Induktionsmotoren mit Gleichspannung oder einem externen Widerstand erfolgen kann. Heutzutage werden in vielen Branchen Elektromotoren als unverzichtbare Energiequelle eingesetzt. Die Steuerung der Motorgeschwindigkeit ist jedoch notwendig, da sie sich direkt auf den Betrieb, die Qualität und das Arbeitsergebnis der Maschine auswirkt.

Die Hauptabsicht dabei besteht darin, eine Schaltung für zu entwerfen Steuern der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem MOSFET. Ein MOSFET ist eine Art Transistor, der zum Verstärken oder Schalten von Spannungen in Schaltkreisen verwendet wird. Der in dieser Schaltung verwendete MOSFET-Typ ist ein Anreicherungsmodus-MOSFET, der nur im Anreicherungsmodus funktioniert. Dies bedeutet, dass dieser Transistor ausgeschaltet wird, wenn keine Spannung an den Gate-Anschluss angelegt wird, und eingeschaltet wird, wenn eine Spannung anliegt. Dadurch eignet sich der Transistor ideal als Schalter zur Steuerung eines Gleichstrommotors.

Gleichstrommotoren werden in verschiedenen Anwendungen wie Robotern, Geräten, Spielzeug usw. eingesetzt. Daher ist in vielen Gleichstrommotoranwendungen die Steuerung der Motorgeschwindigkeit und -richtung unerlässlich. Hier erklären wir, wie man einen einfachen Gleichstrommotor-Controller mit einem MOSFET entwirft.

Erforderliche Komponenten:

Zu den erforderlichen Komponenten für die Herstellung dieses Gleichstrommotor-Controllers gehört eine 12-V-Batterie mit 100 K Potentiometer , IRF540N E-MOSFET, ein Gleichstrommotor und ein Schalter.

Verbindungen:

Die Anschlüsse dieser Gleichstrommotor-Drehzahlregelung mit IRF540N EMOSFET befolgen;

Der Gate-Anschluss des IRF540 E-MOSFET ist mit dem Potentiometer verbunden, der Source-Anschluss ist mit dem Pluskabel des Motors verbunden und der Drain-Anschluss des MOSFET ist über einen Schalter mit dem Pluspol der Batterie verbunden.

Das Minuskabel des Motors ist mit dem Minuspol der Batterie verbunden.

Der Ausgangsanschluss des Potentiometers ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFET verbunden, GND ist über einen Minusdraht des Motors mit dem Minuspol der Batterie verbunden und der VCC-Pin ist über einen Drain-Anschluss des MOSFET mit dem Pluspol der Batterie verbunden und wechseln.

Arbeiten

Sobald der Schalter „S“ geschlossen ist, bewirkt die Spannungsversorgung am MOSFET-Gate-Anschluss die Stromversorgung vom Drain-Anschluss (D) zur Source-Anschlussklemme (S). Danach beginnt Strom durch den Gleichstrommotor zu fließen und der Motor beginnt sich zu drehen. Die Summe des dem Gleichstrommotor zugeführten Stroms kann einfach durch einfaches Einstellen des Potentiometers reguliert werden. Anschließend ändert es die angelegte Spannung am Gate-Anschluss des MOSFET. Wir können also die Drehzahl eines Gleichstrommotors steuern, indem wir die Spannung am Gate-Anschluss im MOSFET steuern. Um die Drehzahl des Gleichstrommotors zu erhöhen, müssen wir die angelegte Spannung am Gate-Anschluss des MOSFET erhöhen.

Hier wurde die MOSFET-basierte DC-Motorsteuerungsschaltung IRF540N zur Steuerung der Drehzahl entwickelt der Motor . Diese Schaltung lässt sich mithilfe eines MOSFET und eines Potentiometers sehr einfach entwerfen. Wir können die Motorgeschwindigkeit steuern, indem wir einfach die angelegte Spannung am Gate-Anschluss des MOSFET steuern.

Vorteile von MOSFETs für die Motordrehzahlregelung:

Transistoren spielen eine grundlegende Rolle in Schaltkreisen zur Steuerung der Motordrehzahl, und MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) werden aus mehreren Gründen häufig gegenüber anderen Transistortypen wie BJTs (Bipolar Junction Transistors) und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) bevorzugt . In diesem Artikel werden wir die Vorteile und Anwendungen der Verwendung von MOSFETs zur Motordrehzahlsteuerung gegenüber anderen Transistoren untersuchen.

• Hohe Effizienz :
  • MOSFETs weisen einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand (RDS(on)) auf, was zu minimaler Verlustleistung und hoher Effizienz in Motorsteuerschaltungen führt.
  • Dieser hohe Wirkungsgrad bedeutet, dass weniger Wärme erzeugt wird, wodurch der Bedarf an aufwändigen Kühlsystemen sinkt und MOSFETs für Hochleistungsanwendungen geeignet sind.
• Schnelle Schaltgeschwindigkeit :
  • MOSFETs haben eine sehr schnelle Schaltgeschwindigkeit, typischerweise im Nanosekundenbereich.
  • Diese schnelle Reaktion ermöglicht eine präzise Steuerung der Motorgeschwindigkeit und -richtung und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen schnelle Änderungen erforderlich sind.
• Geringe Gate-Antriebsleistung :
  • MOSFETs benötigen eine minimale Gate-Treiberleistung, um zwischen ihrem Ein- und Ausschaltzustand umzuschalten.
  • Diese Eigenschaft minimiert den zur Steuerung des Transistors erforderlichen Strom und führt so zu energieeffizienten Motorsteuerungssystemen.
• Kein Gate-Strom erforderlich :
  • Im Gegensatz zu BJTs benötigen MOSFETs keinen kontinuierlichen Gate-Strom, um im eingeschalteten Zustand zu bleiben, was den Stromverbrauch der Steuerschaltung reduziert.
  • Dies ist insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen von Vorteil, bei denen die Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung ist.
• Temperaturtoleranz :
  • MOSFETs können über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden und eignen sich daher sowohl für extrem kalte als auch heiße Umgebungen.
  • Diese Funktion ist in Anwendungen wie Automobilsystemen und Industriemaschinen wertvoll.
• Reduzierte EMI :
  • MOSFETs erzeugen im Vergleich zu BJTs und IGBTs weniger elektromagnetische Störungen (EMI).
  • Dies ist von entscheidender Bedeutung bei Anwendungen, bei denen elektromagnetische Störungen benachbarte elektronische Geräte oder Systeme stören können.

Anwendungen der Motordrehzahlregelung mit MOSFETs:

• Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybridfahrzeuge :
  • MOSFETs werden häufig in Motorsteuerungssystemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet.
  • Sie bieten eine effiziente und präzise Steuerung der Elektromotoren und tragen so zu einer verbesserten Fahrzeugleistung und Reichweite bei.
• Industrielle Automatisierung :
  • In der Industrie wird die Motorgeschwindigkeitssteuerung auf MOSFET-Basis für Förderbänder, Roboterarme und andere automatisierte Systeme eingesetzt.
  • Die hohe Schaltgeschwindigkeit von MOSFETs gewährleistet eine präzise und reaktionsschnelle Steuerung in Fertigungsprozessen.
• Haushaltsgeräte :
  • MOSFETs finden sich in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Klimaanlagen und Lüftern zur Steuerung der Motordrehzahl.
  • Ihre Effizienz und geringe Wärmeentwicklung machen sie ideal für energieeffiziente Geräte.
• HVAC-Systeme :
  • Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) nutzen MOSFETs zur Steuerung der Drehzahl von Motoren in Lüftern und Kompressoren.
  • Dies trägt zur Energieeinsparung und präzisen Temperaturregulierung bei.
• Drohnenantrieb :
  • Drohnen benötigen eine effiziente Steuerung der Motorgeschwindigkeit, um Stabilität und Manövrierfähigkeit aufrechtzuerhalten.
  • MOSFETs werden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihres hohen Wirkungsgrads in Steuerschaltungen für Drohnenmotoren bevorzugt.
• Computerkühlsysteme :
  • MOSFETs werden in Computer-Lüftern verwendet, um die Lüftergeschwindigkeit an die Temperatur anzupassen und so eine optimale Kühlleistung bei minimaler Geräuschentwicklung zu gewährleisten.
• Elektrische Züge und Lokomotiven :
  • MOSFETs werden in Motorsteuerungssystemen elektrischer Züge und Lokomotiven eingesetzt, um Geschwindigkeit und Richtung effizient zu regeln.
• Erneuerbare Energiesysteme :
  • Windkraftanlagen und Solar-Tracking-Systeme nutzen MOSFETs, um die Drehzahl von Motoren zu steuern und so die Energieerzeugung zu optimieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MOSFETs zahlreiche Vorteile für die Motorgeschwindigkeitssteuerung bieten, darunter einen hohen Wirkungsgrad, eine schnelle Schaltgeschwindigkeit, einen geringen Leistungsbedarf für den Gate-Antrieb und eine reduzierte elektromagnetische Störung. Diese Vorteile machen sie zur bevorzugten Wahl in einer Vielzahl von Anwendungen, von Elektrofahrzeugen und Industrieautomation bis hin zu Haushaltsgeräten und erneuerbaren Energiesystemen. Die Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit von MOSFETs machen sie zu einem Eckpfeiler der modernen Motorsteuerungstechnologie.