Scelta del Mosfet nei carichi elettronici DL24 o altri: considerazioni

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antonino52
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Scelta del Mosfet nei carichi elettronici DL24 o altri: considerazioni

Messaggio da antonino52 »

Cari colleghi appassionati,
spero di fare cosa gradita nel condividere alcune considerazioni su come scegliere bene un Mosfet per un carico elettronico.
Non riuscirò ad essre breve per cui lascio gli approfondimenti ad eventuali repliche o domande.

Per prima cosa cerchiamo di capire perchè se andiamo in giro nei forum e nelle recensioni su Youtube ci sono tanti casi di MOsfet che esplodono a volte in modo anche pirotecnico e pericoloso.

Escludo da questo discorso il problema della presenza di tanti Mosfet di fabbbricazione cinese che sono dei Fake; ovviamente non sono in grado di mantenere i dati di targa e sono delle vere e proprie truffe; in altri punti ho suggerito un paio di modi relativamente semplici per individuarli e il nostro Pier in uno dei suoi tutorial ci ha spiegato dove comprarli per avere una ragionevole certezza che siano "originali" ovvero cosrrispondenti alle specifiche dei datasheet.

Detto questo il secondo grosso problema, che è l'oggetto di queste considerazioni, è la scelta del Mosfet. Si tratta in generale di scelte difficili per le quali bisogna avere preparazione, conoscenza tecnica ed esperienza sul campo di utilizzo di mosfet (io non li ho); tuttavia possiamo fare delle semplificazioni e trovare ugualmente un modo ragionevolmente sicuro di procedere.

I prodotti economici (a e maggior ragione quelli cinesi) tendono a fare economia, questa cosa mista probabilmente ad ignoranza (che era anche mia prima di buttarmi in questo argomento) usano MOSFET diciamo generici basandosi sul Voltaggio sugli Ampere e sulla potenza dissipabile e ovviamente con un case adeguato tipo T0-247AC.
Questo criterio è il più diffuso anche sui forum.
Un Mosfet da 200 v 94 A e 580 W tipo il IRFP90N20D viene considerato sicuramente migliore del IRFP264 attualmente montato nel DL24pcb e che ha i seguenti dati 250v 38A e 280 W.

Nella realtà questi MOsfet sono entrambi destinati all'uso comune per i MOSFET, ovvero come interruttori e quindi in regime dinamico e non a fare da resistore statico in un carico elettronico e questo volendo semplificare molto vuol dire che correnti e dissipazioni sono possibili solo per brevissimi istanti in cui il MOSFET lavora in commutazione quindi in considzioni dove nella maghgior parte del tempo il Mosfet è o chiuso o aperto e quindi dissipa pochissimo.
in un carico elettronico questa cosa non è rispettata e al MOSFET viene chiesto di comportarsi come una resistenza rimandendo in uno stato di conduzione parziale e quindi di dissipazione per tempi anche molto lunghi.

Nei Datasheet dei MOSFET il costruttore mette un grafico detto brevemente "SOA" o per esteso "Forward bias Safe Operating Area" o ancora "Maximum Safe Operating Area" dove esistono delle curve rimanendo "sotto" le quali il costruttore garantisce la "sopravvivenza" del Mosfet a quelle condizioni indicate.
Vi riporto di seguito un immagine dove ci sono entrambi i MOsfet di cui abbiamo appena parlato

Immagine

La prima cosa IMPORTANTE , anzi importantissima, da notare è che la curva con tempo più lungo è di 10 msec, ovvero il costruttore non fornisce alcun dato per il funzionamento continuativo in "DC"; questo fa capire che non saremo in grado di avere garanzie, anzi l'opposto.
Io ho tracciato delle curve in rosso immaginando un peggioramento che in genere esiste con l'aumento del tempo , ma è solo una mia ipotesi: nessuna garanzia del costruttore.

Possiamo fare i confronti con la curva a 10msec ma forse è meglio usare la mia curva per avere dei valori che anche se non garantiti sono più compatibili con un uso in continua.

prendiamo una tensione banale di 20 v l' IRFP90n20D all'incrocio sulla linea rossa darà circa 8 A mentre il "meno potente" IRFP264 darà ben 20A; una stessa differenza la trovere usando le curve ufficiali del costruttore a 10 msec.
Questo vuol dire che l ' IRFP264 è più adatto all'uso, sempre improprio ricordiamolo, che ne vogliamo fare anche se ha dei dati di massima inferiori.
Ma non vale proprio sempre; ad esempio a 4 volt (proprio la tensione di un elemento al litio) vediamo che l ' IRFP90n20D porterà 70A mentre l' IRFP264 soltanto 50 e se usiamo le curve ufficiali a 10 msec a 7v l'IRFP90n20D porterà 200 A mentre l' IRFP264 si fermerà poco sopra i 100 A.

Insomma il confronto non è così vincente come guardando alle specifiche principali di corrente e wattaggio dove l' IRFP90n20D doppia di netto l' IRFP264.
Nella pratica chi può dire con che coppie di tensione e corrente verrà usato e visto che la curva "DC" è inventata il risultato sarà ...qualsiasi .
Ma abbiamo appurato che i dati generali "da soli" non bastano a trovare il MOsfet migliore e serve guardare il grafico SOA.

adesso facciamo un passo avanti cerchiamo, armati di queste considerazioni, dei MOsfet che abbiamo grandi correnti grandi wattaggi ma anche un bella curca "DC" nel grafico SOA ed esageriamo per essere più chiari.
Qui si deguito un bell'esempio IXFB100N50P, un vero mostro da 500v 100A e ben 1890 W di dissipazione, con un grosso contenitore plus264 e dal peso imponente di 10,28gr ( l'IRFP90n20D o l'IRFP264 pesano poco più meno di 6 gr e per inciso i loro fake 4,4gr)
Questo "mostro" come si vede dal grafico SOA ha anche la curva DC

Immagine

e a 20 v leggiamo ben 100A , insomma arriviamo quasi ai 2000W e saremo limitati a 1890 dalla dissipazione.

teniamo conto che i mosfet iniziali si trovano ancora e costano dai 5 ai 7 €, parlo sempre di quelli originali; questo mostro è invece più difficile da trovare in questo periodo (per cui attenti ai fake) e costa fra i 25 e i 30€.

Quindi è tutto a posto? abbiamo la soluzione? basta pagare?

si e no

C'è ancora una cosa che può sfuggire ed invece è MOLTO IMPORTANTE.
Se guardate il grafico SOA del IXFB100N50P se è vero che c'è la curva DC è anche vero che tutto il grafico SOA è riferito a queste due condizioni di temperatura
Tj di 150 °C e Tc di 25 °C.
Se ci pensate un attimo in un carico elettronico e in una situazione di dissipazione continua come si fa a tenere il case a 25 °C ?
E' praticamente impossibile se non raffreddando a liquido, e non simil acqua ma cose forti come azoto e simili.

Questo avviene perchè anche il mostro IXFB100N50P non è stato progettato per lavorare in modo lineare e quindi il costruttore non è in grado di dare garanzie se lo mettete in un carico elettronico con il case ad esempio a 50°C , situazione piuttosto normale invece.

Ecco che sono all'ultimo punto.
Esiste una categoria di MOSFET detti lineari , nati per fare il lavoro del carico elettronico o cose simili come amplificatori Hi-Fi in classe B o simili , niente classe D.

Prendiamo anche qui un esempio

l ' IXTK110N20L2 meno potente del precedente con "soli" 200V 110A e 960W e che pesa solo 6.8 gr ma che costa almeno altri 10€ in più e si trova ancora meno facilmente in questo periodo.
ecco la sua curva

Immagine

Prima di dirmi che il mostro era migliore guardate le condizioni di test: Tj uguale di 150 °C ma la Tc è di 75 °C. Ecco la GRANDE differenza è questa ; la "sopravvivenza" di questo Mosfet è garantita dal costruttore nelle condizioni reali a cui lavora un carico elettronico e quindi questo MOsfet se raffreddato bene ma con cose fattibili potrà date un vero carico elettronico da 600W accoppiato con un dissipatore di quelli per PC di fascia molto potente.

Non so quanto sia stato chiaro ed utile ma mi fermo qui, eventuali approfondimenti su domenda.

Chiedo perdono a chi queste cose le sapeva già.
sandor626
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Re: Scelta del Mosfet nei carichi elettronici DL24 o altri: considerazioni

Messaggio da sandor626 »

non conosco nessuno schema di carico elettronico ma qualcosa mi fa pensare che, fermo restando che il funzionamento del carico elettronico viene considerato come assorbimento continuo nel tempo, nulla vieta che pur trattandosi di un ambito analogico si possa poi progettare il carico per un funzionamento nel tempo frazionato in modo che comunque nell'unità di tempo si verifichi l'assorbimento medio impostato .
Se avessi invece pensato erroneamente e quindi il funzionamento fosse in regime continuo ( per qualunque intervallo di tempo conunque piccolo) , non vedo perchè non ricorrere ad un classico bipolare di potenza
antonino52
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Re: Scelta del Mosfet nei carichi elettronici DL24 o altri: considerazioni

Messaggio da antonino52 »

Ho promesso delle risposte e pertanto mantengo la promessa anche se nell'ambito di quello che ho ed ho capito.
1 - uno schema disponibile è proprio quello dell'unità DL24, nelle sue varie tipologie. Eccone uno

Immagine

2 - la tua riflessione sul carico ad impulsi in modo pero che la media dia il consumo desiderato non va bene. Le cose da testare con i carichi elettronici sono batterie o alimentatori. In entrambi i casi il funzionamento continuo è nella maggioranza dei casi di utilizzo continuo e non ad impulsi. Anzi gli impulsi potrebbero andare oltre i limiti operativi ocomunque creare problemi. Con questo non intendo dire che non ci sono utilizzi ad impulsi ma solo che non sono la maggioranza e il carico elettronico nasce per testare l'uso continuo

3 - L'ipotesi di usare bipolari invece di mosfet è giusta dal lato circuitistico in quanto i bipolari sono progettati proprio per funzionare in modo lineare.
Ma se spesso non vengono usati dei motivi ci saranno.
Io ne ho trovati un paio:
a - Il componente bipolare, anche in saturazione ha una tensione a i suoi capi che costituisce uno zoccolo ( nel progetto in esame dello schema ci sono da sommare anche le tensioni del diodo di protezione e degli shunt per la misurazione della corrente) sul livello minimo di tensione che si può testare, nella pratica mette fuori gioco le batterie ad elemento singolo
b - i componenti bipolari sono più difficoltosi da pilotare perchè richiedono correnti elevate e comunque andando a 200V e 20A come il DL24 credo siano abbastanza costosi
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Mishel8613
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Re: Scelta del Mosfet nei carichi elettronici DL24 o altri: considerazioni

Messaggio da Mishel8613 »

Ciao Antonino, grazie mi hai fatto felice che hai trovato lo schema elettrico del carico elettronico!!! ;) ;) ;)
Michele ;)
mirco_ughi
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Re: Scelta del Mosfet nei carichi elettronici DL24 o altri: considerazioni

Messaggio da mirco_ughi »

grazie mille del contenuto.
voglio tornare a leggerlo domani a mente lucida.
da un po' mi ha affascinato il discorso carico elettronico e sto esplorando.
giusto qualche settimana fa ne parlavo con un ex collega ingegnere (nel senso che ero collega, non che sono anche io ingegnere) perché semplicemente andando su rs component e filtrando per corrente, tensione e potenza dissipata ti ritrovi dei TO220 da 500w e forse oltre.
Tutto è possibile, ma non mi ha molto convinto la cosa. la mia idea, forse sbagliata, è che quel componente di un centimetro quadrato scarso non potrà mai sopportare tale potenza a meno che non diventi rosso fuoco.
ripeto, forse sbaglio, ma volevo approfondire. la tua trattazione è un ottimo punto per studiare meglio il discorso
antonino52
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Iscritto il: mar 22 nov 2022, 14:24

Re: Scelta del Mosfet nei carichi elettronici DL24 o altri: considerazioni

Messaggio da antonino52 »

Va bene Mirko,
sono a tua disposizione.
In effetti un TO220 da 500w ...richiede molte precauzioni.
ma esistono dei mosfet che sono dei veri e propri mostri
L'IXFB100N50P, ad esempio, è un oggetto da 500V 90A con una potenza dissipabile di oltre 1000W, ma non ha un TO220 ma un SOT-227B .
A parte questo bisogna guardare il grafico del SOA e ci si rende conto che la potenza di 1000w può essere erogata in modo continuo solo per certe coppie di tensione e potenza : ad esempio 100V e 10 A ma per fare questo il costruttore ti chiede che il case rimanga a 25 °C, cosa un po difficilina viste le potenze in gioco.
Se passi ai mosfet lineari o ai transitor lineari di una volta , i valori sono dati anche per temperature di case ragionevoli come 75°C, ma quando dissipi 200-300 W chiunque abbia un minimo di esperienza pratica sa che servono superfici lucidate, paste termoconduttive e grossi dissipatori, a volte servono quelli a liquido e le cose più estreme le fanno usando l'azoto.

Comunque quando vuoi sono qui
Ciao e buona domenica
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