Šta je to Mosfet i kako se koristi u Arduino Projektima?

U prethodnim Tutorijalima smo objasnili šta je to relej i kako se koristi. Također, objasnili smo i šta je to PWM modulacija i kako se koristi.
Prije ili kasnije doći ćete u situaciju da Vam je potrebna određena frekvencija, određeni napon za pokretanje nekog uređaja ili jednostavno da radi na 15%, 30% ili 78% snage. Odgovor i rješenje za sve navedene probleme ćete naći u ovoj lekciji i zove se MOSFET.

U ovoj lekciji ćemo objasniti:

• Šta je to MOSFET?
• Kako se koristi MOSFET u Arduino projektima
• Šema povezivanja i kod za kontrolu MOSFET-a
• Specifikacija Materijala

Šta je to MOSFET?

U tutorijalu “Kako se koristi Arduino Relay Modul” naučili smo da pomoću 3.3VDC ili 5VDC sa mikrokontrolera možemo upaliti ili ugasiti uređaj puno većeg napona kao što je 12, 24 ili čak 220-230V istosmjerne ili izmjenične struje. Naravno, u slučaju da koristimo struje preko 5 Amper-a, preporučujemo korištenje kontaktera i Vaše granice su skoro beskonačne.

U tutorijalu “PWM (Pulse Width Modulation) i FOR Petlja” naučili smo osnovne stvari o PWM modulaciji, dok smo u tutorijalu “PWM + Funkcija + RGB LED dioda 16.000.000 Boja” naučili kako se koristi PWM modulacija, te smo kombinacijom 3 pin-a RGB led diode kontrolisali čak 16 miliona boja.

Prije praktičnih primjera potrebno je prvo da se upoznamo sa najosnovnijim karakteristikama MOSFET-a:
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) je vrsta poluvodičkog uređaja koji se često koristi u elektronici za kontrolu električnog toka. Također, Mosfet je vrsta tranzistora koji ima tri osnovna sloja: metalni kontakt (Metal), izolator od oksida (Oxide), i poluvodički sloj (Semiconductor). Postoje dva osnovna tipa MOSFET-a: NMOS (N-channel MOS) i PMOS (P-channel MOS), koji se razlikuju u tipu poluvodičkog materijala koji se koristi (N-tip ili P-tip).

Mosfet-i se često koriste zajedno u integrisanim kolima kako bi se omogućila logička funkcionalnost. Osnovna ideja rada MOSFET-a je kontrola struje između izvora (Source) i odvoda (Drain) pomoću električnog polja koje stvara napon na kontrolnom vodu (Gate). Ovaj električni pol se stvara primjenom napona na kontrolnom vodu, što izaziva promjene u električnim svojstvima poluvodičkog sloja između izvora i odvoda, što dalje kontroliše protok struje kroz uređaj.

Na slici ispod možete vidjeti simbol MOSFET-a N – tip-a i P – tip-a sa oznakama (S, D i G):

Kako u startu ne bi došlo do zabune, na slici iznad prikazan je simbol MOSFET-a na kojem izgleda kao da je G (Gate) pin u sredini, ali na slici ispod možete vidjeti i simbol i fizički prikaz pin-ova na MOSFET-u.

Najbitnije je shvatiti da se pomoću MOSFET-a može kontrolisati i P (pozitivni) i N (negativni) pol u ovisnosti od projekta. Također je bitno zapamtiti da je:

• S oznaka za Source ili izvor tj. dovod pola za kontrolu
• D oznaka za Drain ili odvod pola ka uređaju ili nastavku strujnog kruga
• G oznaka za Signal koji kontroliše protok struje kroz MOSFET

Kako se koristi MOSFET u Arduino projektima

Iz svega gore navedenoga možemo zaključiti da se komponenta kao što je MOSFET jako često koristi kada je u pitanju automatika i robotika. Ono što je nama bitno za ovaj Tutorijal je to da korištenje MOSFET-a u Arduino projektima omogućava kontrolu visokih struja i naponskih nivoa sa mikrokontrolerskim sistemom poput Arduina. MOSFET-i se često koriste za kontrolu snage, kao što je upravljanje LED-ovima, motorima, ili drugim uređajima koji zahtevaju veće struje i naponske nivoe od onih koje Arduino direktno može pružiti.

Za Arduino projekte, MOSFET koji se najčešće koristi je MOSFET tipa “logic-level”, jer isti može raditi s niskim naponima i strujama koje Arduino pruža. Ovo je važno jer Arduinu obično upravlja digitalnim signalima niskog napona, poput 5V, te također može pružiti samo ograničene struje (20mA).

Neki od Mosfet-a koji odgovaraju našem projektu su IRF520, IRF840 i IRFZ44N. O razlikama navedena tri mosfet-a moglo bi se u stranicama pisati, ali ono što je nama za početak bitno je da su sva tri MOSFET-a N tipa.

Uz adekvatno aktivno i pasivno hlađenje MOSFET-i mogu upravljati ogromnim naponskim nivoima i strujama, pa čak na stotine Volti i desetine Ampera.

Šema Povezivanja i Kod za kontrolu MOSFET-a

Pa da krenemo sa Šemom i kodom. U slučaju da ne želite prepisivati kod sa slike, kliknite na ovaj GITHUB link i preuzmite kod iz ovog tutorijala, kao i od ostalih Tutorijala.

Kao što je svima već poznato Arduino projekti su poznati po velikom broju modula, pa tako da ćemo i u ovom tutorijalu prikazati dvije šeme sa istim ishodom. Prije nego što krenemo sa šemama na slici ispod možete vidjeti Mosfet modul IRF520N koji na sebi ima i led indikaciju i isti je korištem u šemi sa modulom.

Prikaz šema sa MOSFET modulom IRF520N:

Prikaz šema sa MOSFET-om i Eksperimentalnom pločom (Breadboard):

Na šemama iznad možete vidjeti da smo koristili običnu led traku koja radi na 12V. Na polovima konektora ( + i – ) je napon od 12V i isti napaja Mosfet. Napon od 12VDC možete dobiti ispravljačem (adapterom) 220/12VDC ili kućištem za 8AA baterija (8 baterija x 1,5V = 12VDC). U slučaju da se odlučite za kućište baterija, treba se voditi računa da dužina rada led trake direktno ovisi o kapacitetu baterija.

Nakon što smo izabrali jednu od dvije šeme i povezali MOSFET sa kontrolerom, bacimo se na kod:

Iskoristit ćemo kod iz Tutorijal-a “PWM (Pulse Width Modulation) i FOR Petlja“.

Kao što možete vidjeti, kod jednako radi u oba projekta. Razlika je jedino što je napon Arduino pin-a svega 5V, a struja 20mA sto je dovoljno za LED diodu, dok je za prethodno navedene MOSFET-e sasvim dovoljno za otvaranje i zatvaranje vrata (Gate) na Mosfet-u za kontrolu 12V.

Za pokretanje Serial Plottera izaberite Tools -> Serial Plotter ili CTRL+SHIFT+L.

Savjet: Koristite napajanje / adapter od najmanje 2A jer je moguće da Vam led traka (u zavisnosti od dužine i snage) povuče više struje od adaptera i samim tim neće svijetlili punom snagom.

Specifikacija Materijala

• 1x Arduino Uno
• 1x Breadboard (u slučaju da se koristi šema sa Mosfet komponentom)
• 1x Mosfet Modul (u slučaju da se koristi šema sa Mosfet modulom)
• 1x LED traka
• 1x Ispravljač 220/12V ili kućište za baterije 8AA
• 7x Komunikacijski kablovi

Napomena: Nakon što pročitate bilo koji Turijal na internetu, uvijek pogledajte Datasheet bilo koje komponente ili senzora, jer se tu nalaze svi bitni fabrički detalji!