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MOSFETモジュール

MOSFETモジュールはDC負荷用の制御された電力スイッチとして機能する既製の小さなボードです。コントローラは弱い制御信号を供給し、MOSFETモジュールは電源から負荷への電流をオン/オフします。

iDryerのようなデバイスと3Dプリンタの周辺機器では、MOSFETモジュールはファン、LEDストリップ、低電圧ヒーター、およびボードの標準出力が弱い、占有されている、または不便な場合の他の12V/24V負荷に使用されます。

MOSFETとMOSFETモジュール

MOSFETは電界効果トランジスタです。3つのメインピンがあります：

  • Gate - 制御入力；
  • Drain - 電力出力；
  • Source - 電力出力。

ゲートは負荷に電源を供給しません。それは制御のみです。主な負荷電流はMOSFET内のDrainとSourceの間の電力部分を流れます。

MOSFETモジュールは単なるトランジスタではありません。通常、MOSFETが装備されたボード、端子、制御入力、および時には追加の抵抗、インジケータ、ヒートシンク、または保護ダイオードがあります。

ボードはプロトタイプに便利ですが、その仕様は電力ノードと同じくらい慎重にチェックする必要があります。

なぜそれが必要か

コントローラのGPIOは重い負荷に電源を供給すべきではありません。

GPIOは制御できます：

  • MOSFETモジュールの入力；
  • リレーの入力；
  • SSRの入力；
  • ドライバの入力。

しかし、GPIOは直接電源を供給すべきではありません：

  • ファン；
  • LEDストリップ；
  • ヒーター；
  • モーター；
  • ソレノイド；
  • サーボドライブ。

負荷をGPIOに直接接続すると、コントローラを破損し、リブートを取得し、トレースを過熱するか、単に不安定に動作させることができます。

ロサイドスイッチング

N-channelMOSFETモジュールの最も一般的なバリアントはロサイドスイッチング、つまり負のラインを通じたスイッチングです。

ロサイドスイッチングモードのN-channel MOSFET

出典：Wikimedia Commons、KjellElec、CC BY-SA 4.0

典型的なロジック：

  1. 電源からの+24Vは負荷の正に直接流れます。
  2. 負荷の負はMOSFETモジュールの電力出力に流れます。
  3. MOSFETモジュールは負荷の負からGNDへのパスを接続または遮断します。
  4. 電源のGNDとコントローラのGNDが一緒に接続されます。
  5. コントローラの制御ピンはモジュールのSignal、IN、Gateまたは同様の入力に流れます。

共通のGND/共通負は必須です。これなしでは、コントローラとMOSFETモジュールは制御信号の共通の参照レベルを持たない。

ロサイドスイッチングは制限があります：MOSFETは負荷の負を遮断します。スイッチがオフの間、負荷の負は共通のGNDと等しくありません。単純な2ピンファン、ストリップ、またはヒーターの場合、これは通常大丈夫です。タコメータを持つ負荷、別の信号ワイヤ、内部センサ、または別のボードへの追加接続の場合、回路図を確認する必要があります。標準入力を制御するか、別のスイッチング方法を使用する方が良い場合があります。

どこで使用するか

MOSFETモジュールは、その電圧と電流に対して定格されている場合、DC負荷に適しています：

  • 12V/24Vファン；
  • 単色LEDストリップ；
  • 標準RGBストリップのチャネル；
  • 12V/24Vヒーター；
  • スパイクから保護されている小さなDCモーター；
  • フライバックダイオードまたは他の保護がある場合のソレノイド。

アドレス指定可能なLEDストリップの場合、MOSFETは通常データを制御しません。ストリップ全体への電力を遮断できますが、個別のLEDはデータラインを通じて制御されます。

サーボドライブの場合、位置を制御するためにMOSFETモジュールは通常は不要です：サーボは別の制御PWM信号と通常の電源が必要です。

選択時にチェックすること

購入または接続する前に、チェックしてください：

  • 負荷の電圧定格；
  • 最大電流定格；
  • 負荷の実際の電流；
  • 入力が3.3Vから機能するか；
  • 必要なゲート電圧で技術仕様にRds(on)があるか；
  • アクティブロジックHIGHまたはLOWが必要か；
  • 共通のGNDがあるか；
  • モーター/ソレノイド用のフライバックダイオードがあるか；
  • 端子サイズと最大端子電流；
  • ボードトレースの厚さと冷却；
  • ヒートシンクが必要か；
  • 回路図、技術仕様、または正常なドキュメンテーションがあるか。

説明が電圧、電流、回路図、およびMOSFETタイプなしで「Arduinoの場合のMOSFETモジュール」とだけ言っている場合、ヒーターまたは長いLEDストリップの場合、このようなモジュールを選択することはできません。

3.3Vおよびロジックレベルのハード

多くの最新のコントローラは3.3Vロジックで動作します：ESP32、RP2040、多くのSTM32。

すべてのMOSFETが3.3Vから完全に開くわけではありません。完全に開かない場合、その抵抗は高いままで、加熱されます。

重要な用語：

  • Vgs(th) - MOSFETが開き始めるしきい値；
  • Rds(on) - オープンチャネルの抵抗；
  • ロジックレベルのハード - ロジックレベルからの制御に対して定格されたハード。

一般的な間違い：技術仕様でVgs(th) = 2Vを参照して、MOSFETが3.3Vから完全に機能することを決定してください。そうではありません。Vgs(th)は「完全にオープン」を意味しません。2.5V、3.3V、4.5V、または5VでRds(on)をチェックする必要があります。コントローラに応じて。

ESP32/RP2040の場合、明示的に3.3V制御互換性を述べるモジュール、または入力回路がこれを提供するモジュールを選択する方が良いです。テーブルに10VでのみRds(on)があり、2.5V/3.3V/4.5Vでデータがない場合、そのようなモジュールは3.3Vコントローラに対して疑わしいです。

電流と加熱

オープンステートのMOSFETは依然として抵抗を持っています。その全体で熱が生成されます。

電流が大きいほど、以下がより重要です：

  • 低いRds(on)；
  • ボード上の通常の銅の領域；
  • 適切なサイズの端子；
  • 必要に応じてヒートシンク；
  • エンクロージャの通風；
  • 電流ヘッドルーム；
  • 実際の動作後の温度チェック。

トランジスタパッケージの「100Aハード」マーキングは、薄いトレースと安い端子を持つ小さなモジュールが100Aに耐えることを意味しません。実際の制限は、ボード、端子ブロック、ワイヤ、はんだ接合、および冷却です。

MOSFETモジュールがあなたの手に保持するのが難しいほど熱い場合、それは電流、冷却、および接続品質を再計算し、停止する理由です。

モーター、ファン、ソレノイド

帰納的負荷は、オフになるときに電圧スパイクを生成できます。

このような負荷には：

  • DCモーター；
  • ファン；
  • ソレノイド；
  • リレー；
  • 電磁石。

それらはしばしば保護を必要とします：

  • フライバックダイオード；
  • TVSダイオード；
  • 保護を備えた既製ドライバ；
  • 保護が既にインストールされているモジュール。

モジュールがLEDストリップまたは抵抗負荷用にのみ定格されている場合、それはモーターまたはソレノイドに対して自動的に安全であると仮定することはできません。

ヒーターの場合、フライバックダイオードは通常は不要です。ヒーターは抵抗負荷に近いからです。しかし、ヒーターの場合、電流、端子、ヒューズ、および独立した熱保護がより重要です。

PWM制御

MOSFETモジュールは、オン/オフだけでなく、PWM電力制御にも使用できます。

典型的な例：

  • LEDストリップの明るさ；
  • シンプルなDCファンの速度；
  • 低電圧ヒーターの電力。

しかし、PWMは常に同じではありません：

  • 4ピンのPWMファンは、電源を切るのではなく、ファンの別のPWMピンで制御する方が良いです。
  • ヒーターは通常、高いPWM周波数を必要としません；
  • 周波数が高すぎるとMOSFETの加熱が増加する可能性があります；
  • 周波数が低すぎるとLEDのちらつきまたはモーターのノイズが発生する可能性があります。

周波数の選択は、負荷、モジュール、およびファームウェアに依存します。

MOSFETモジュールは110-230V ACではありません

Arduino/ESP32用の標準MOSFETモジュールはDC負荷用に設計されています：5V、12V、24V、明示的に指定されている場合はそれ以上。

商用電源110-230V ACのスイッチとして使用することはできません。

商用負荷の場合、別のソリューションが必要です：

  • AC負荷用に特別に定格されたリレーまたはSSR；
  • 通常の端子；
  • ヒューズ；
  • エンクロージャ；
  • 絶縁；
  • 必要に応じてアース；
  • 電気安全の理解。

モジュールが商用電源用に意図されていることが確認できない場合は、それを商用電源に接続しないでください。

接続後にチェックすること

長期運用前に、チェックしてください：

  • 負荷は正しい電圧を取得します；
  • コントローラと電源は共通のGNDを持ちます；
  • 制御信号は実際に負荷をオン/オフにする；
  • MOSFETモジュールは過剰に加熱しない；
  • 端子は加熱しない；
  • ワイヤは電流に適しています；
  • PWMは奇妙なノイズ、ちらつき、またはリブートなしで機能する；
  • 負荷は、コマンドがオフの場合、実際にオフになる；
  • モーター/ソレノイドについては、スパイク保護がある；
  • ヒーターについては、ヒューズと独立した熱保護がある。

重い負荷の最初のテストを簡潔に観察の下で行います。

一般的な間違い

  • GPIOから負荷に電源を供給する；
  • 共通の接地を忘れる；
  • 名前で面白い電流の数だけでモジュールを選択する；
  • 3.3Vロジックからの動作をチェックしない；
  • 完全に開かないMOSFETを使用する；
  • フライバック保護なしでモーターまたはソレノイドを接続する；
  • 弱い端子を通じて長いLEDストリップを接続する；
  • DC MOSFETモジュールを110-230V ACに使用する；
  • 閉じたエンクロージャ内でのモジュール加熱をチェックしない；
  • MOSFETモジュール自体が負荷電流を制限することを考える。

メインポイント

MOSFETモジュールはDC負荷用の制御された電力スイッチです。電力を作成せず、コントローラから負荷に電源を供給しません。電源からの電流のパスを開くか閉じるだけです。

電圧、電流、3.3V/5Vロジックの互換性、共通のGND、加熱、端子、および帰納的負荷の保護をチェックしてください。商用電源の場合、標準的なArduino/ESP32 MOSFETモジュールは適切ではありません。

参考資料