Techniek - Halogeen knipperlicht met 555 timer en een FET
Transistor: kachel en stroomzuiper in een knipperlicht
Als je met een 555 IC een knipperlicht wil maken dat veel zwaardere zaken aan kan dan een paar LEDjes, kun je met een transistor aan de gang. Een nadeel daarvan is de enorme warmteproductie van de transistor en de stuurstroom die vaak nodig is om een zware tor aan te sturen.
Betrouwbaarder en efficiënter met een FET
Een veel efficiëntere en betrouwbaardere schakeling wordt verkregen door de transistor te vervangen door een FET. Waar ik hier over FETs praat, kun je ook MOSFET lezen: een MOSFET is een speciaal gefabriceerde FET, met dezelfde benamingen voor de aansluitingen.
Het grootste verschil tussen FET's en transistoren (eigenlijk zijn het allebei transistoren) is het feit dat een FET een spanningsgestuurd component is: een transistor stuur je aan door een stroom op zijn basis, een FET door een spanning op de gate.
Een ander verschil bij FETs zijn de benamingen van de aansluitpootjes: wat bij een NPN transistor de collector is, is bij een FET de drain: de emitter is bij een FET de source.
Dat klinkt misschien wat tegenstrijdig, maar zie het maar als het punt waar alles weer uit de FET komt 'stromen': het is eigenlijk het punt waar alle stromen de FET weer verlaten.
Een FET: Waar moet je op letten?
In het kort 5 dingen:
1. Het type FET:
Waar je bij transistors een NPN of PNP type nodig hebt, heb je bij FETs N- en P-FETs. Onderling zitten er daar ook weer verschillen in, maar ga er maar vanuit dat als je een N-FET koopt, je het juiste type hebt: P-FETs zijn zeldzamer dan hun N-broertjes.
2. Maximale stroom en spanning
Dit verschilt niet van een transistor. Een te hoge spanning kan de FET niet aan, maar een te hoge stroom net zo min. Daarnaast speelt de maximale dissipatie natuurlijk ook mee. Ook dat verschilt niet van transistoren.
3. Of het een 'standaard' of zogenaamde Logic Level FET betreft.
Een Logic Level FET is bij uitstek geschikt voor logische schakelingen, waarbij het stuursignaal niet groter is dan 5 Volt: bij 5 Volt op de gate zal de FET volledig opensturen, waar dat bij 'gewone' FETs vaak pas bij een volt of 10 het geval is. Een standaard FET is voor de schakeling op deze pagina beter geschikt.
4. De Rdson . De watte?! De Rdson .
Rdson staat, als we de afkorting letterlijk voluit schrijven voor: Resistance drain-source on-state. In databladen zul je het vaker zo zien staan: drain-to-source on-state resistance.
In gewoon Nederlands: Het staat voor de weerstand die de FET van drain naar source heeft in geleidende toestand. Over een weerstand waar stroom doorheen loopt valt spanning, dus kort gezegd kun je stellen: hoe lager de Rdsonhoe beter, want een hoge Rdson betekent bij grote stromen meer warmte.
5. ESD.
Velen in het electronicawereldje hebben vast wel eens van deze term gehoord. Het staat voor ElectroStatic Discharge en geeft over het algemeen aan dat er gevaar is dat componenten schade oplopen (of erger: defect raken) bij een ontlading van statische electriciteit door het vastpakken door mensenhanden.
FETs zijn wat dat betreft wat gevoeliger dan gewone transistoren. Of je maatregelen wil nemen tegen ESD is helemaal aan jou, maar feit blijft dat een ernstige ESD de FET kan beschadigen wat later voor problemen kan zorgen.
Hoe kom je aan een FET?
FET's zijn, net als transistoren, gewoon verkrijgbaar bij de electronicazaak.
Ze kunnen wat meer kosten dan een transistor, maar zitten verder vaak in hetzelfde huisje als transistors.
Er is 1 nadeel: hoe lager de Rdson, hoe hoger de prijs over het algemeen is.
Maar... Op veel moderne moederborden zitten tegenwoordig FET's (een stuk of 5 of meer, afhankelijk van het moederbord)
Dit kunnen zowel standaard als logic level FETs zijn. Het nadeel: deze FETs zijn op moederborden vrijwel altijd uitgevoerd in SMD-behuizingen (D2PAK is een bekende verschijningsvorm)
Weinig vermogen verstoken door lage Rdson
Het mooiste van deze FET's is dat ze een extreem lage Rdson hebben (0,03 ohm en lager is geen uitzondering)
Omdat ze zo'n lage Rdson waarde hebben, kan er vaak een enorm vermogen mee geschakeld worden.
De FET die ik gebruikt heb in de schakeling is bijvoorbeeld een 2SK3296 MOSFET (een bepaalde uitvoeringsvorm van een FET)
Deze FET heeft een Rdson van maximaal 19 milli-ohm: met een halogeenlamp van 20 watt wordt, uitgaande van de 'typical Rdson' van 0,012 Ohm, slechts 0,035 Watt in de FET verstookt.
Een transistor verstookt een veelvoud daarvan.
Hoe bereken je dat vermogen?
Een halogeenlamp van 20 Watt neemt een stroom op van ruwweg 1,7 ampere bij 12 Volt.
De spanningsval over de FET bereken je als volgt:
Ufet = I x Rdson
Ufet = 1,7 A x 0,012 Ohm
Ufet = 0,0204 V.
Pfet = Ufet x I
Pfet = 0,0204 V x 1,7 A
Pfet = 0,03468 Watt.
Sluiten we een halogeenlamp van 50 Watt aan, dan bedraagt het in de FET verstookte vermogen slechts 0,212 Watt: daar wordt de 2SK3296 (maar ook alle genoemde andere types) niet bepaald warm of koud van.
Hetzelfde rekensommetje nogmaals:
Een halogeenlamp van 50 Watt neemt ruwweg 4,2 Ampere op.
Ufet = 4,2 A x 0,012 Ohm
Ufet = 0,0504 V.
Pfet = 0,0504 V x 4,2 A
Pfet = 0,21168 Watt.
Uit deze berekeningen blijkt ook dat je, een beetje afhankelijk van het type FET, met koeling nog veel meer stroom kan schakelen dan de halogeenlamp van 50 Watt. 100 Watt verdubbelt het vermogen verstookt in de FET ruwweg.
Schema en onderdelenlijst:
R1 = 4,7 k ohm R2 = 470 k ohm R3 = 68 Ohm C1 = 2,2 uF C2 = 100 uF IC1 = NE555 T1 = 2SK3296, 46N03L, 80N03L of RFP50N06 of equivalent L1 = Halogeenlamp (in mijn geval) 50 Watt
Voor de weerstanden R1 en R2 kan uiteraard ook een combinatie van vaste weerstanden en potmeters gebruikt worden.
In mijn geval bedraagt de maximale spanning die T1 kan verdragen 20 Volt. Voor de overige 3 types is dat respectievelijk 30 Volt en 60 Volt voor de RFP50N06.
Het enige onderdeel dat misschien opvalt is R3: waarom is R3 nodig bij een spanningsgestuurd component? Dat zit zo: de gate van een FET is in combinatie met de drain-pin eigenlijk een condensator. Bij het inschakelen van een FET moet die gatecapaciteit opgeladen worden. En het opladen trekt, net als bij een gewone condensator, stroom. Je zou dus een risico kunnen lopen het 555 IC om zeep te helpen door de gate-weerstand weg te laten. Er is dan (theorethisch gezien) geen beperking in de stroom die de FET trekt bij het opladen van z'n gate.
Er zijn formules om te berekenen hoe hoog de weerstand voor de gate precies moet worden, maar die zijn erg complex. Daarnaast doet de weerstand hier niet erg ter zake: de schakelfrequentie is relatief laag. Daarom heb ik in dit schema gekozen voor een waarde van 68 ohm. Op die manier wordt er wel iets meer stroom getrokken dan toegestaan is (de maximum stroom is 200 mA bij 15 Volt voedingsspanning) maar zit je alsnog een stuk veiliger dan zonder weerstand.
Er is vaak enig verband tussen de Rdson en de gate-capaciteit.