8.4.2014

MOSFET

Eero Tekniikka Airsoft-aseen viritys, MOSFET, Ohje, Sähkötoimiset

1 Johdanto

Teksti käsittelee airsoft-aseiden sähkökoneiston päivitystä mosfetin avulla, sen hyötyjä ja lyhyesti mihin mosfetin toiminta perustuu. Tämän avulla lukijan pitäisi ymmärtää perusperiaatteet: mihin, miten ja miksi mosfettia käytetään. Tekstin taso on pyritty pitämään helposti ymmärrettävänä, mutta sähkötekniikan perusteiden hallinnasta on huomattavasti hyötyä asian hahmottamisessa. Tutustu Tradesoftin MOSFET-valikoimaan.

Perinteisen Tokyo Marui -tyyppisen sähkötoimisen airsoft-aseen sähköjärjestelmä on varsin yksinkertainen ja sen komponentteina ovatkin vain virtalähde, sähkömoottori, mekaaninen kytkin ja sulake. Suurin osa tunnetuista valmistajista joko kopioi Maruita tai on kehittänyt vastaavanlaisen ratkaisun koneistoonsa. Mekaaninen kytkin on halpa ja yksinkertainen ratkaisu, mutta se lisää piirin resistanssia ja näin vähentää moottorille päätyvää virtaa. Pitemmällä aikavälillä se vaatiikin huoltoa tai kytkinpintojen uusimista.

Liipaisinvedon aikana piirin sulkeutuessa ja auetessa kytkimen läpi kulkeva sähkövirta aiheuttaa kosketuspinnoissa kipinöintiä. Kipinöinti tapahtuu kun kytkinpinnat ovat lähellä toisiaan. Sen seurauksena kytkinpinnoille joutunut rasva ja lika pinttyvät siihen. Myös kytkinpintojen metalli saattaa palaa hetkellisen lämmönnousun seurauksena. Kytkinpintojen kuluminen ja peittyminen lialla pienentää niiden sähköä johtavaa pinta-alaa eikä niiden läpikulkeva virta riitä moottorin pyörittämiseen tehokkaasti. Lopulta kytkinpinnat saattavat kulua täysin käyttökelvottomiksi. Tämä on ongelmana kaikissa sähköaseissa pitkällä aikavälillä, mutta tehokkaampia akkuja käytettäessä ongelma saattaa tulla eteen yllättävänkin äkkiä.

 

2 Mikä on MOSFET?

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) eli metallioksidi-puolijohdekanavatransistori on puolijohdetekniikkaa. Pienen sähkövirran, ohjausjännitteen avulla n-tyypin transistorin sisälle luodaan sähkökenttä, joka poistaa lepotilassa vallitsevan resistanssin ja näin avaa tien virran kululle.

Mosfetin avulla virta akulta moottorille ohjataan suoraan johtimia pitkin mekaanisen kytkimen ohi. Mosfetin resistanssi on muutaman milliohmin luokkaa, joten sen vaikutus läpikulkevaan virtaan on olematon, toisin kuin kytkimen resistanssi, jolla on huomattava vaikutus. Mekaanista kytkintä tarvitaan kuitenkin antamaan mosfetille vaadittava ohjausjännite, mutta virta itsessään on todella pieni verrattuna sähkömoottorin vaatimaan virtaan, jolloin kytkinpinnoilla ei juurikaan tapahdu kipinöintiä.

Kannattaa huomioida, että airsoft-maailmassa mosfet-sanalla viitataan useimmiten kytkimen ohittamisessa käytettyyn elektroniikkapiiriin kokonaisuudessaan, joko itse-tehtyyn tai tehdasvalmisteiseen, eikä itse komponenttiin. Tästä lisää alempana.

2.1 Mitä hyötyä mosfetista on?

Hyväkuntoisessa ja heikkotehoisessa aseessa kytkimen ohittamisella mosfetin avulla ei välttämättä saavuteta näkyviä tuloksia, mutta varsinkin raskaasti viritetyissä aseissa muutos on usein huomattavan suuri. Kuitenkin pitemmällä aikavälillä kunnollisesta mosfetista on hyötyä, aseesta riippumatta.

Mosfetin perimmäinen tarkoitus on siis suojata kytkinpintoja kulumiselta, mutta sen edut mekaaniseen kytkimeen verrattuna eivät vielä lopu siihen. Mosfetin pieni resistanssi parantaa virrankulkua virtapiirissä:

• Piiri vaatii vähemmän virtaa ja akun kesto paranee.
• Samasta syystä myös akun käyttöikä saattaa parantua.
• Toisaalta virta pääsee kulkemaan paremmin ja todennäköisesti myös tulinopeus kasvaa (tulinopeuden muutos saattaa olla yli 10%). Tämä riippuu varsinkin moottorista sekä muista sisäosista.
• Liipaisinviive pienenee, koska mekaaninen kytkin ei ole hidastamassa virran kulkua.

2.2 Ominaisuuksia

Perinteisen mosfetin lisäksi on suunniteltu kehittyneempiä piirejä, joiden avulla airsoft-aseen toimintaa ja käyttöikää, sekä monipuolisuutta on lisätty huomattavasti. Ehkä tunnetuin mosfetin lisäominaisuus on ns. aktiivijarrutus, lyhyesti AB (Active Braking). Muita edistyneempiä ominaisuuksia ovat esimerkiksi tulinopeuden säätömahdollisuus, pursketuli-ominaisuus (burst), suojaus litium-akkujen tyhjenemistä vastaan ja integroitu sulake.

Aktiivijarrutus

• Aktiivijarrutuksen avulla moottorin ja rattaiden keräämä ylimääräinen liike-energia saadaan nollattua nopeasti, niin etteivät rattaat vedä mäntää taka-asentoon, saatika aiheuta tuplalaukausta. Koska mäntä jää etuasentoon, se myös kuormittaa vähemmän jousta, joten sen käyttöikä pitenee.

• Aktiivijarrutus tapahtuu luomalla suora kytkentä moottorin napojen välille. Tämä hoituu toisella p-tyypin mosfetilla. Kun liipaisimesta päästetään, piiri ei enää saa virtaa, mosfetin resistanssi palaa normaaliksi ja virrankulku moottorille ja muille elektroniikkapiirin osille lakkaa. Tällöin toinen transistori hyppää mukaan kuvioihin. P-tyypin mosfet johtaa virtaa, kun sille ei johdeta ohjausjännitettä ja näin moottorin napojen välille luodaan kytkentä. Moottorin pyöriminen indusoi johtoihin jännitteen, joka takaisin moottoriin johdettaessa jarruttaa sitä. Moottori siis jarruttaa itse itseään. Näin moottori saadaan pysäytettyä lähes välittömästi liipaisimen painalluksen jälkeen.

• Jarrutus on hyödyllinen vain kertatulta ammuttaessa, kun katkaisinvipu (cut-off) katkaisee virrankulun sektorirattaan ollessa tietyssä pisteessä. Sarjatulella moottori pysähtyy kun liipaisimesta päästetään, joten jousi saattaa jäädä vireeseen. Vireen voi poistaa ampumalla kertalaukauksen. Kehittyneissä MOSFET-/mikrokytkinyksiköissä piiri havaitsee myös sarjatulella katkaisinvivun ja pysäyttää koneiston aina oikeaan aikaan.

• Aktiivijarrutuksen aloitus voidaan perustaa myös virtapiirin sähkövirran ja jännitteen vaihteluihin, mutta tämä vaatii käytetyltä elektroniikalta huomattavasti enemmän.

3 Asennus – tarvitseeko minun tietää jotain?

Oikein toimiva mosfet vaatii aina aseen johtojen uudelleenkolvaamista tai uusien kytkinpintojen asennuksen niin, että mosfetilta kulkee ainakin yksi erillinen signaalijohto kytkimeen. Useissa asennuksissa positiivinen virtajohto toimii samalla myös toisena signaalijohtona, eikä asennus välttämättä vaadi kuin yhden signaalijohdon.

GATE:n sivuilta löytyvät asennusohjeet heidän omille MOSFET-piireilleen. Yksinkertaisia MOSFET-piirejä on myös helppo tehdä itse. Ohjeita näihin löytyy ympäri verkkoa ja esimerkiksi juoksuhauta.net-sivustolta löytyy myös suomenkielinen ohje.

Kuten aikaisemmin mainittiin, MOSFET-termi tarkoittaa sähkökomponenttia, transistoria, mikä saattaa aiheuttaa väärinkäsityksiä airsoft-maailmasssa vakiintuneen termin asiasisällön takia. Hyvänä esimerkkinä markkinoilta löytyy plug and play -mosfetteina mainostettavia piirejä, jotka mahdollistavat esimerkiksi pursketulen, suojaavat LiPo-akkua tyhjenemiseltä ja mahdollistavat muita hyödyllisiä ominaisuuksia. Nämä piirit eivät kuitenkaan ohita kytkinpintoja, jos ne vain liitetään akun ja aseen väliin. Kannattaa siis olla tarkkana mitä piiri oikeasti tekee, kun kytket sen aseeseesi! Tuotteiden nimessä ei luultavasti ole mitään väärää, sillä niiden piirit saattavat sisältää MOSFETin.

4 Mikrokytkimestä

Mekaanisen kytkimen tilalla airsoft-aseissa on käytetty vaihtelevalla menestyksellä mikrokytkimiä. Mikrokytkin saattaa antaa paremman vasteen liipaisinta painettaessa, mutta johtuen airsoft-valmistajien yleisesti käyttämien kytkinten rakenteesta, on niiden havaittu värähtelevän ampumasyklin aikana rataslaatikon täristessä. Värähtelyn seurauksena virtapiiri aukeaa hetkellisesti, ja virrankulku lakkaa. Kyse on millisekunneista, joten värähtelyä on lähes mahdotonta huomata ilman mittauslaitteita. Tämä aiheuttaa ongelmia varsinkin normaalia AB fettiä käytettäessä, sillä jarrutusominaisuus saattaa myös kytkeytyä päälle ja kuumentaa piirin komponentteja. Ongelma ei koske kaikkia mikrokytkimiä eikä mikroprosessoriohjattuja yksiköitä. Osassa mosfeteissa tähänkin on keksitty ratkaisu ja esimerkiksi GATE:n kolmannen sukupolven mosfeteissa ongelma on otettu huomioon digitaalisella signaalinkäsittelyllä.

4.1 Erikseen asennettavat MOSFET-/mikrokytkinyksiköt

Koko liipaisinkoneiston korvaavat mikrokytkinyksiköt kuten ASCU:t, BlackTalon Conceptin yksiköt tarjoavat MOSFETin hyötyjen lisäksi paljon muuta. Nämä yksiköt on suunniteltu parantamaan koko koneiston toimintaa ja poistamaan perinteisen mekaanisen liipaisimen tyyppiviat. Mikroprosessoriohjatut yksiköt tarjoavat tulimoodien ja -nopeuden säätomahdollisuuksia, parempia suojaominaisuuksia sähköosille ja mekaanisia vikoja vastaan, parantavat mikrokytkimen avulla liipaisintuntumaa ja ehkä suurimpana hyötynä, korvaavat mekaanisen kertatulitoiminnon mikrokytkimellä. Tällä tavalla säästytään kokonaan perinteiseltä ”semijumi”-ongelmalta, joka johtuu koneiston pysähtymistä tiettyyn kohtaan, jolloin katkaisinvipu (cut-off lever) häiritsee liipaisinkelkan liikettä.

Tällaiset yksiköt on suunniteltu useimmiten virittäjiä silmälläpitäen ja ne mahdollistavatkin usein todella tehokkaiden kokoonpanojen rakentamisen ilman huolta MOSFETin kestosta.

5 MOSFET tehdasasennettuna?

Nykyään alkaa löytymään jopa normaalihintaisia aseita, jotka on jo tehtaalta tullessaan varustettu MOSFET-piirillä, mikä on todella hyvä asia! Esimerkiksi Krytac käyttää aseissaan harrastelijoiden jo hyväksi toteamaa IRLB3034-piiriä. Perinteisen transistorin lisäksi jotkin valmistajat ovat korvanneet aseen mekaanisen liipaisimen mikroprosessoriyksiköllä, joka toimii hieman edellisessä kappaleessa mainittujen yksiköiden tavoin tarjoten joitakin samoja ominaisuuksia. Tällaisia aseita ovat mm. Systeman PTW-sarjalaiset, ASG:n Scorpion EVO 3 A1 ja Areksen EFCS-yksiköllä varustetut M4-sarjalaiset.

6 Loppusanat

Yhteenvetona, kunnollinen mosfet parantaa aseesi käyttöikää, eikä sillä ole oikeastaan haittapuolia. Tämän takia mosfettia voi suositella jokaiseen sähkökäyttöiseen aseeseen. Kysymykselle: “milloin mosfet kannattaa asentaa?” ei ole olemassa mitään rajaa, mutta yleinen tapa on ollut asentaa mosfet viimeistään, kun aseessa halutaan käyttää 11,1 voltin LiPo-akkua tai muuten korkeaa viritystasoa.

Linkki Tradesoftin MOSFET-valikoimaan.

Päivitysloki

• (18.8.2015) Lisätty kappaleet ”Erikseen asennettavat MOSFET-/mikrokytkinyksiköt” ja ”MOSFET tehdasasennettuna”, korjattu virheitä
• (08.04.2014) Artikkeli julkaistu