Có rất nhiều ứng dụng của MOSFET từ lĩnh vực công nghiệp đến các thiết bị gia dụng như điều khiển tốc độ động cơ, điều chỉnh độ sáng ánh sáng, khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu điện tử trong các thiết bị điện tử, như bộ biến tần, bộ khuếch đại tần số cao, v.v. Nói chung, chúng có sẵn ở các kích cỡ khác nhau để phù hợp với các nhu cầu cần thiết khác nhau của dự án điện tử. MOSFET được sử dụng bất cứ khi nào chúng ta cần điều khiển điện áp và dòng điện lớn bằng tín hiệu nhỏ. Bài viết này cung cấp thông tin ngắn gọn về một trong những ứng dụng của MOSFET như cách thiết kế một điều khiển tốc độ động cơ bằng MOSFET .
Điều khiển tốc độ động cơ bằng MOSFET
Trong xã hội hiện đại, việc điều khiển tốc độ của động cơ điện có ở khắp mọi nơi vì nó có ý nghĩa quan trọng đối với các loại máy móc khác nhau. Chức năng cần thiết và hiệu suất của động cơ điện rất đa dạng. Khi chúng ta tập trung vào phần điều khiển tốc độ của động cơ, việc điều khiển tốc độ của động cơ bước & động cơ servo có thể được thực hiện bằng mạch xung trong khi điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng và DC không chổi than có thể được thực hiện bằng điện áp DC hoặc điện trở bên ngoài. Hiện nay trong nhiều ngành công nghiệp, động cơ điện được sử dụng như một nguồn năng lượng không thể thiếu. Tuy nhiên, việc điều khiển tốc độ động cơ là cần thiết vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của máy, chất lượng & kết quả làm việc.
Mục đích chính của việc này là thiết kế một mạch cho điều khiển tốc độ động cơ DC bằng MOSFET. MOSFET là một loại bóng bán dẫn, được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển đổi điện áp trong mạch. Loại MOSFET được sử dụng trong mạch này là MOSFET chế độ tăng cường chỉ hoạt động ở chế độ tăng cường. Điều này có nghĩa là bóng bán dẫn này sẽ tắt bất cứ khi nào không có điện áp cung cấp cho cực cổng và nó sẽ BẬT bất cứ khi nào có điện áp được cung cấp. Vì vậy, làm cho bóng bán dẫn trở nên lý tưởng để sử dụng như một công tắc điều khiển động cơ DC.
Động cơ DC được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như robot, thiết bị, đồ chơi, v.v. Vì vậy, trong nhiều ứng dụng động cơ DC, điều khiển hướng và tốc độ động cơ là điều cần thiết. Ở đây chúng tôi sẽ giải thích cách thiết kế bộ điều khiển động cơ DC đơn giản với MOSFET.
Thành phần bắt buộc:
Linh kiện cần có để làm nên bộ điều khiển động cơ DC này bao gồm ắc quy 12V, 100K chiết áp , IRF540N E-MOSFET, động cơ DC và công tắc.
Kết nối:
Các kết nối của bộ điều khiển tốc độ động cơ DC này với IRF540N EMOSFET theo như;
Cực cổng E-MOSFET IRF540 được nối với chiết áp, cực nguồn được nối với dây dương của động cơ và cực xả của MOSFET được nối với cực dương của pin thông qua một công tắc.
Dây âm của động cơ được nối với cực âm của ắc quy.
Cực đầu ra chiết áp được kết nối với cực cổng của MOSFET, GND được kết nối với cực âm của pin thông qua dây âm của động cơ và chân VCC được kết nối với cực dương của pin thông qua cực xả của MOSFET và chuyển đổi.
Đang làm việc
Khi công tắc 'S' được đóng, nguồn điện áp ở cực cổng MOSFET sẽ tạo ra dòng điện từ cực cống (D) đến nguồn (S). Sau đó dòng điện bắt đầu chạy khắp động cơ DC và động cơ bắt đầu quay. Tổng dòng điện cung cấp cho động cơ DC có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách điều chỉnh chiết áp, sau đó nó thay đổi điện áp đặt vào cực cổng của MOSFET. Vì vậy chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ DC bằng cách điều khiển điện áp ở cực cổng trong MOSFET. Để tăng tốc độ động cơ DC, chúng ta phải tăng điện áp đặt vào cực cổng của MOSFET.
Ở đây, mạch điều khiển động cơ DC dựa trên MOSFET IRF540N được thiết kế để điều khiển tốc độ của chiếc xe máy . Mạch này được thiết kế rất đơn giản bằng cách sử dụng MOSFET và chiết áp. Chúng ta có thể điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều khiển điện áp đặt vào cực cổng của MOSFET.
Ưu điểm của MOSFET trong điều khiển tốc độ động cơ:
Các bóng bán dẫn đóng một vai trò cơ bản trong các mạch điều khiển tốc độ động cơ và MOSFET (Transitor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) thường được ưa chuộng hơn các loại bóng bán dẫn khác như BJT (Bóng bán dẫn lưỡng cực) và IGBT (Bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách điện) vì một số lý do . Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những ưu điểm và ứng dụng của việc sử dụng MOSFET để điều khiển tốc độ động cơ so với các bóng bán dẫn khác.
- Hiệu quả cao :
- MOSFET có điện trở đóng (RDS(on)) rất thấp, dẫn đến tiêu tán điện năng ở mức tối thiểu và mang lại hiệu suất cao trong các mạch điều khiển động cơ.
- Hiệu suất cao này đồng nghĩa với việc tạo ra ít nhiệt hơn, giảm nhu cầu về hệ thống làm mát phức tạp, giúp MOSFET phù hợp với các ứng dụng công suất cao.
- Tốc độ chuyển đổi nhanh :
- MOSFET có tốc độ chuyển đổi rất nhanh, thường ở phạm vi nano giây.
- Phản ứng nhanh này cho phép kiểm soát chính xác tốc độ và hướng của động cơ, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng cần thay đổi nhanh.
- Công suất ổ đĩa cổng thấp :
- MOSFET yêu cầu nguồn điện điều khiển cổng tối thiểu để chuyển đổi giữa trạng thái bật và tắt của chúng.
- Đặc tính này giảm thiểu năng lượng cần thiết để điều khiển bóng bán dẫn, mang lại hệ thống điều khiển động cơ tiết kiệm năng lượng.
- Không cần cổng hiện tại :
- Không giống như BJT, MOSFET không yêu cầu dòng điện cổng liên tục để duy trì trạng thái bật, điều này làm giảm mức tiêu thụ điện năng của mạch điều khiển.
- Điều này đặc biệt thuận lợi trong các ứng dụng chạy bằng pin, nơi hiệu quả sử dụng năng lượng là rất quan trọng.
- Dung sai nhiệt độ :
- MOSFET có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng, khiến chúng phù hợp với cả môi trường cực lạnh và cực nóng.
- Tính năng này có giá trị trong các ứng dụng như hệ thống ô tô và máy móc công nghiệp.
- Giảm EMI :
- MOSFET tạo ra ít nhiễu điện từ (EMI) hơn so với BJT và IGBT.
- Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng mà EMI có thể can thiệp vào các thiết bị hoặc hệ thống điện tử gần đó.
Ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ bằng MOSFET:
- Xe điện (EV) và xe hybrid :
- MOSFET thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ của xe điện và xe hybrid.
- Chúng cung cấp khả năng điều khiển hiệu quả và chính xác đối với động cơ điện, góp phần cải thiện hiệu suất và phạm vi hoạt động của xe.
- Tự động trong công nghiệp :
- Trong các ngành công nghiệp, điều khiển tốc độ động cơ dựa trên MOSFET được sử dụng cho băng tải, cánh tay robot và các hệ thống tự động khác.
- Tốc độ chuyển đổi nhanh chóng của MOSFET đảm bảo khả năng điều khiển chính xác và nhạy bén trong quy trình sản xuất.
- Thiết bị gia dụng :
- MOSFET được tìm thấy trong các thiết bị gia dụng như máy giặt, máy điều hòa không khí và quạt để điều khiển tốc độ động cơ.
- Hiệu quả và khả năng sinh nhiệt thấp khiến chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị tiết kiệm năng lượng.
- Hệ thống HVAC :
- Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) sử dụng MOSFET để kiểm soát tốc độ động cơ trong quạt và máy nén.
- Điều này góp phần tiết kiệm năng lượng và điều chỉnh nhiệt độ chính xác.
- Động cơ đẩy không người lái :
- Máy bay không người lái yêu cầu kiểm soát tốc độ động cơ hiệu quả để duy trì sự ổn định và khả năng cơ động.
- MOSFET được ưa chuộng hơn trong các mạch điều khiển động cơ máy bay không người lái do trọng lượng nhẹ và hiệu suất cao.
- Hệ thống làm mát máy tính :
- MOSFET được sử dụng trong quạt làm mát máy tính để điều chỉnh tốc độ quạt dựa trên nhiệt độ, đảm bảo hiệu suất làm mát tối ưu với độ ồn tối thiểu.
- Tàu điện và đầu máy xe lửa :
- MOSFET được sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ của tàu điện và đầu máy xe lửa để điều chỉnh tốc độ và hướng một cách hiệu quả.
- Hệ thống năng lượng tái tạo :
- Tua bin gió và hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời sử dụng MOSFET để kiểm soát tốc độ động cơ, tối ưu hóa việc tạo ra năng lượng.
Tóm lại, MOSFET mang lại nhiều lợi ích cho việc điều khiển tốc độ động cơ, bao gồm hiệu suất cao, tốc độ chuyển mạch nhanh, yêu cầu công suất truyền động cổng thấp và giảm EMI. Những ưu điểm này khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên trong nhiều ứng dụng, từ xe điện và tự động hóa công nghiệp đến thiết bị gia dụng và hệ thống năng lượng tái tạo. Tính linh hoạt và độ tin cậy của MOSFET khiến chúng trở thành nền tảng của công nghệ điều khiển động cơ hiện đại.
