Hace unos años publiqué
un artículo bajo un encabezado similar. Brevemente, en él hablé sobre el proceso de desarrollar desde cero un dispositivo que funciona como un "diodo ideal" para evitar que la batería amortiguadora se descargue a una fuente de alimentación desenergizada.
El dispositivo resultó ser relativamente complejo, aunque bastante económico (el consumo de corriente al usar la versión moderna del comparador LM393 fue de aproximadamente 0,5 mA). Los lectores llamaron la atención sobre esta complejidad y en los comentarios sugirieron otra versión del "diodo ideal", que parece un orden de magnitud más simple. Para mi vergüenza, en ese momento no estaba familiarizado con tal esquema, así que decidí tratarlo con más detalle en la oportunidad. Después de una serie de experimentos que comenzaron con una simulación por computadora y terminaron con una placa de pruebas, se descubrió que, con su aparente simplicidad, este circuito es muy poco trivial tanto desde el punto de vista de comprender todos los procesos que tienen lugar como desde el punto de vista de las trampas que tiene en sí mismo. oculta
En general, traigo a su atención otra versión de la implementación del "diodo ideal" con una descripción detallada de sus características.
La versión canónica propuesta en los comentarios tiene la siguiente forma:
Solo cuatro (o cinco, dependiendo de cómo cuente) partes y el "diodo ideal" está listo. Todo parece ser muy simple. Sin embargo, lo primero que llama la atención es el uso de un conjunto en lugar de transistores discretos convencionales. Puede parecer que este es un capricho del autor de esta actuación en particular. Sin embargo, después de estudiar otras opciones, se descubre que este enfoque se utiliza en casi todos los esquemas que se pueden encontrar en la red. Aquí llegamos al análisis del principio de funcionamiento de este esquema.
Principio de operación
Para comprender el principio, es mejor comenzar desde el momento en que todos los transitorios ya están completos, y la carga consume algo de corriente de la fuente de alimentación. Esta corriente fluye a través del interruptor y, debido a la resistencia no nula del canal, el voltaje en el punto 1 es ligeramente más alto que en el punto 2. En este caso, la corriente del punto 1 pasa a través de la unión del emisor T1 al circuito base de ambos transistores, y luego fluye a través de R1 a " la tierra ". Como resultado, se establece un voltaje igual al voltaje de apertura de la unión pn del emisor en las bases de los transistores. Pero debido al hecho de que el emisor T2 tiene un potencial menor que el emisor T1, la corriente casi no fluye a través de su base porque el voltaje entre su emisor y la base es menor al necesario para abrir la unión. Y dado que no hay corriente de base, entonces T2 está cerrado, la resistencia del emisor-colector es alta, la puerta del interruptor de alimentación está conectada a tierra a través de R2, lo que crea las condiciones para su apertura. Como resultado, la corriente fluye desde el punto 1 al punto 2 a través del canal abierto del interruptor de alimentación (y no solo a través del diodo tecnológico) y la caída de voltaje en esta sección se mide en milivoltios.
Cuando la fuente de alimentación se desenergiza, el voltaje en el punto 1 será muy rápidamente más bajo que en el punto 2. Al mismo tiempo, la corriente dejará de fluir a través de la unión del emisor T1 y comenzará a fluir a través de la unión del emisor T2, abriéndola. Como resultado, la resistencia del emisor-colector del transistor T2 disminuirá considerablemente, la puerta del interruptor de alimentación se conectará a la fuente y el canal se cerrará.
Con base en lo anterior, una condición necesaria para el funcionamiento del circuito es la identidad de los transistores T1 y T2. Esto es especialmente cierto para las uniones de emisor de apertura de voltaje. En primer lugar, debe coincidir con una precisión no peor que las unidades de milivoltios, y en segundo lugar, cualquiera de sus vibraciones bajo la influencia del factor de temperatura debe ser sincrónica para ambos transistores.
Es por eso que el uso de transistores discretos en este circuito es inaceptable. Solo el vapor producido en el marco de un solo ciclo tecnológico puede considerarse bastante idéntico. Y su colocación en un sustrato común garantiza la conexión térmica necesaria.
Y aún más, la variante del circuito, que también se puede encontrar en Internet, donde se usa un diodo en lugar de uno de los transistores, tampoco tiene sentido.
Tal esquema con cierta cantidad de suerte funcionará, pero simplemente no hay duda de confiabilidad aquí.
Por cierto, algunos autores van más allá, y además del conjunto del transistor, también usan resistencias (o resistencias discretas con una tolerancia de 1% o mejor), motivando esto por la necesidad de mantener aún más la simetría del circuito. De hecho, las resistencias no necesitan una selección precisa, sino más sobre eso a continuación.
Pero realmente?
La explicación anterior del principio de operación se simplifica enormemente, da una breve respuesta a la pregunta "cómo funciona", pero no proporciona una comprensión de los procesos subyacentes que ocurren en el circuito y, en particular, no justifica la elección de los valores de los elementos.
Entonces, si alguien está interesado en los detalles, entonces leemos más, y para quienes el esquema práctico es suficiente, simplemente desplácese hacia abajo hasta la última imagen del artículo.
Para mayor claridad, primero volteemos el circuito, reemplacemos los transistores PNP con NPN más familiares y, por último, hagámoslo un poco más complicado para que quede claro de dónde proviene la versión final.
Entonces, ¿qué vemos aquí? Dos etapas de amplificación simples de acuerdo con el esquema OE y un circuito de polarización común a través de la resistencia Rs. Si los transistores son iguales, entonces la corriente que fluye a través de la resistencia de polarización se dividirá uniformemente entre las bases de ambos transistores y se abrirá ligeramente por la misma cantidad. Como resultado, las mismas corrientes fluyen a través de las resistencias de terminación del colector, y los voltajes de salida en los puntos OUT1 y OUT2 también serán iguales.
Ahora volvamos a nuestros carneros y recordemos que los emisores de los transistores no están conectados entre sí, por el contrario, puede ocurrir una diferencia de potencial entre ellos igual a la caída de voltaje a través del canal abierto del interruptor de encendido. Dada la magnitud de la resistencia del canal, la diferencia de voltaje entre los emisores puede ser de unidades a cientos de milivoltios. Así es como se ve en nuestro diagrama.
Como resultado de la polarización, el emisor T2 está ligeramente "más arriba del suelo" que el emisor T1, lo que significa que el voltaje Ube2 será menor que Ube1. Ahora recordemos cómo se ve la característica de corriente - voltaje de la unión pn del emisor.
Si el punto de operación está en la región de la pendiente máxima de la característica, incluso un ligero cambio en el voltaje aplicado conduce a un cambio muy fuerte en la corriente de flujo, es decir, cuanto menor es el voltaje directo, mayor es la resistencia de transición equivalente.
Miremos el diagrama nuevamente. El voltaje en la unión del emisor T2 disminuyó, su resistencia equivalente aumentó, lo que significa que la corriente de polarización que fluye a través de Rs ya no se divide simétricamente entre las bases de los transistores, sino que fluye principalmente a través de la unión del emisor T1. A partir de esto, T1 se abre y T2, respectivamente, se cierra en la misma cantidad. La distribución de las corrientes pierde simetría y de alguna manera "sesga" el circuito. Además, el valor absoluto de la polarización es igual al coeficiente de transferencia actual de los transistores (no en total, sino cada uno por separado, siempre que los transistores sean los mismos).
Si invertimos la diferencia de potencial de los emisores en la dirección opuesta, el circuito se polarizará de manera similar en la dirección opuesta: cuanto mayor sea la corriente del colector de un transistor, menor será el segundo y viceversa. Como resultado, tenemos un
espejo de corriente "inverso", donde, bajo la influencia de una señal de entrada, se produce un cambio simétricamente opuesto en las corrientes en los brazos del circuito.
El clásico espejo de corriente "directa" (como los que forman parte de los amplificadores y comparadores operacionales) es diferente porque, por el contrario, bajo la influencia de dos cantidades de entrada unipolares, la corriente de un transistor cambia en direcciones opuestas.
Adelante El circuito resultante nos da una idea de los roles de las resistencias. Las resistencias colectoras R1 y R2 son la carga de los transistores. Su función es alimentar esos circuitos que están conectados a nuestro circuito como fuente de una señal de control. Por lo tanto, su resistencia debe ser tal que la corriente que fluye a través de ellos sea suficiente para activar los circuitos de carga de entrada. En este caso particular, la carga es la puerta del transistor MOS, que tiene una impedancia de entrada de muchos megaohmios.
En las hojas de datos, generalmente no se indica la resistencia de entrada, sino la corriente de fuga de la puerta a un voltaje dado. A partir de esta corriente, puede determinar la resistencia óhmica del aislamiento de la puerta y los diodos de protección. Por ejemplo, para el transistor IRF5305, se declara una corriente de fuga de no más de 100 nanoamperios a un voltaje de 20 voltios. Un cálculo simple nos da una impedancia de entrada de al menos 200 megaohmios.
Con tal resistencia de entrada del consumidor, sería posible usar resistencias de carga de muy alta resistencia, reduciendo así el consumo intrínseco de transistores a un nivel de nanoamperios. Sin embargo, es mejor no "golpear" demasiado, porque los circuitos de alta impedancia se vuelven sensibles a una variedad de pastillas. Y además, con las corrientes de colector submicroamperios, la ganancia del transistor bipolar disminuye. La resistencia de carga más apropiada en este caso puede considerarse cientos de kOhm. Esta es la resistencia óptima desde el punto de vista de la fiabilidad, y al mismo tiempo bastante alta desde el punto de vista de la rentabilidad.
Con resistencias colectoras resueltas. Ahora pasemos a la resistencia de polarización Rs. ¿Qué depende de su resistencia? Las corrientes iniciales del colector, es decir, las corrientes de un circuito totalmente equilibrado, dependen de él. Además, estas corrientes dependen de los valores previamente seleccionados de las resistencias de carga y de la ganancia de los transistores. Entonces, ¿cuál es el valor óptimo de esta resistencia? Y tal, en que los modos de los transistores estarán en los puntos de menor estabilidad.
Después de todo, cuanto más simple se presta el circuito a la influencia de factores de desequilibrio, mayor es su sensibilidad a la señal de entrada. Es por eso que en ausencia de una señal de entrada, los transistores no deberían estar completamente abiertos o completamente cerrados, deberían estar en un estado intermedio.
Aquí es apropiada una analogía con los balanceadores de balance más simples. Si tal oscilación está en equilibrio, entonces es más fácil sacarlos de este estado: un ligero empujón, y se inclinan en la dirección correcta. Pero si ya están sesgados por la carga en uno de los hombros, la eliminación de un estado tan estable requiere un esfuerzo considerable.
Por lo tanto, la mejor resistencia Rs es tal que los voltajes en los colectores de los transistores son aproximadamente iguales a la mitad del voltaje de suministro. No es necesario tomar esta condición literalmente y aumentar la resistencia a ohmios. Además, para reducir las corrientes de funcionamiento, es perfectamente aceptable aumentar conscientemente Rs para que el voltaje en los colectores sea aproximadamente 5 voltios más bajo que el voltaje de suministro. Esto dejará un margen suficiente para un control confiable del interruptor de alimentación, pero al mismo tiempo minimizará las corrientes en todos los circuitos y, por lo tanto, el consumo del circuito.
Para controlar un volumen MOSFET de potencia moderna, se debe aplicar un voltaje a su puerta, no menos de lo que se indica en la línea de "voltaje de umbral de puerta" de la hoja de datos. Para un transistor moderno típico, este voltaje es de 3-4 voltios, de ahí el valor seleccionado de 5 voltios, que se garantiza que es suficiente para abrir completamente el transistor con una señal de entrada mínima.
En cuanto a la clasificación Rs específica, el experimento a gran escala mostró que, por ejemplo, para el ensamblaje del BC807DS, su resistencia debería ser de aproximadamente 5 MΩ. Para otros transistores, este valor puede diferir, pero hay otro factor que juega en nuestras manos y reduce la necesidad de una buena selección de resistencias.
El hecho es que en un circuito real, cuando una corriente comienza a fluir a través del interruptor de alimentación, lo que saca el circuito del equilibrio, el voltaje de la puerta comenzará a cambiar, lo que significa que la resistencia del canal también comenzará a cambiar. Y esta retroalimentación es de naturaleza amplificada, cuando la caída de voltaje en el canal conduce a un desequilibrio del circuito, lo que cambia el voltaje de la puerta para que la resistencia del canal cambie aún más, lo que conduce a una distorsión aún mayor. Y así continúa hasta que alcanza la posición extrema en la que el interruptor de alimentación ya no responde cambiando la resistencia del canal para cambiar el voltaje de la puerta. Sin embargo, si la ganancia del transistor es lo suficientemente grande, entonces el proceso continúa hasta que se alcanza el voltaje de suministro o cero (dependiendo de la relación de voltajes en los puntos 1 y 2).
Por lo tanto, el esquema real, que se puede dibujar teniendo en cuenta lo anterior, puede tener la siguiente forma:
Y de esta forma, rara vez se encuentra en sitios dedicados a la electrónica. Sin embargo, comenzamos con otro esquema completamente funcional, que es más simple y más común. ¿Qué distingue estas dos opciones? Regresemos por un corto tiempo al prototipo, que comenzó un análisis detallado.
¿Qué es superfluo en este esquema? Debido a que eliminamos el voltaje de control para la puerta del interruptor de alimentación del colector de uno de los transistores (punto OUT2), el voltaje en el colector del segundo (OUT1) no nos molesta en absoluto. Y debido a que la presencia o ausencia de una pequeña corriente de colector tiene un efecto muy débil en la característica de voltaje de corriente de la unión del emisor, la resistencia de carga R1 se puede quitar de forma segura del circuito. Y para que el terminal del colector T1 no cuelgue en el aire y no recolecte pastillas, es mejor conectarlo a la base del T1 (aunque esto no es necesario, el circuito funciona perfectamente con una salida de colector colgante).
El esquema final toma una forma dolorosamente familiar:
Además, mantuve específicamente la ubicación de las resistencias como en el prototipo, para enfatizar el hecho de que estas resistencias realizan funciones completamente diferentes. Esto no es obvio en el diagrama original, pero es claramente visible aquí, especialmente después de todas las explicaciones y cálculos. La resistencia izquierda es la resistencia de polarización Rs, y la derecha es la resistencia de carga R2 del circuito prototipo. No son algo que no debería ser exactamente el mismo (como piensan algunos autores), sus valores generalmente están interconectados de manera muy indirecta y, en el caso general, ni siquiera se requiere que tengan un orden general.
Es por eso que no hay necesidad de usar un conjunto de resistencia o resistencias discretas de baja tolerancia en este lugar.
Y también de este esquema se deduce que el dispositivo recibe energía del punto 2, y el punto 1 es solo una fuente de señal de entrada. Por lo tanto, cuando el voltaje está presente solo en el punto 2, la energía se suministra directamente, y si solo en el punto 1, primero se suministra la energía a través del diodo tecnológico del transistor de potencia, y luego, cuando el circuito se activa y comienza a funcionar, ya es a través de un canal abierto.
Escollo №1
Descubrimos el principio de funcionamiento y las clasificaciones, el resultado en el diagrama:
Es en esta forma que el esquema se recomienda ampliamente en varios foros, pero hay un par de matices que limitan en gran medida su aplicación práctica. El primer problema es un parámetro de los transistores bipolares, que no es habitual recordar en la mayoría de las aplicaciones prácticas. Aquí esta:
Resulta que el voltaje inverso máximo de la unión del emisor de la mayoría de los transistores de baja potencia son unidades de voltios, y esto es lo que amenaza nuestro circuito. Si hay voltaje solo en el punto 2, y el punto 1 está conectado a tierra a través de una pequeña resistencia (la fuente de alimentación desenergizada se comporta así), entonces la corriente desde el punto 2 pasa a través de la unión del emisor polarizado hacia adelante T2 a la unión del emisor polarizado inverso T1, detrás del cual hay casi tierra . Es decir, casi todo el voltaje del punto 2 se aplica a la unión del emisor T1.
Y aquí sucede lo más interesante. Si el voltaje en el punto 2 está por encima del máximo permitido, entonces la unión del emisor T1 ingresa al modo de ruptura de avalancha, y con un valor suficientemente pequeño de RL, el transistor simplemente falla.
Por lo tanto, la operación confiable de este circuito solo es posible con voltajes de operación no superiores a los establecidos en la hoja de datos para el transistor seleccionado, es decir. en la práctica, no es más de 5-8 voltios. Incluso una fuente de 12 voltios ya no puede conectarse formalmente a dicho circuito.
Aquí, por cierto, es un hecho interesante. Probé varios ensambles de diferentes tipos, que indicaban el voltaje máximo de unión del emisor de 5 a 8 voltios, y todos mostraban un voltaje de ruptura de avalancha de hasta 12-13 voltios. Sin embargo, no debe confiar en esto en esquemas prácticos, no es por nada que dicen que las especificaciones están escritas por el humo de los componentes quemados.
Si necesita cambiar un voltaje relativamente alto, entonces el transistor T1 necesita protección. La forma más fácil de hacer esto es simplemente mediante la introducción de resistencia adicional, que limitará la corriente inversa a través de la unión.
Esta resistencia introducirá algún desequilibrio en el circuito, sin embargo, debido a que su resistencia es bastante pequeña en comparación con la resistencia de la resistencia de polarización, el efecto será mínimo y no se notará en la práctica. Además, una pequeña corriente de fuga fluirá a través de esta resistencia desde el punto 2 al punto 1, lo que hará que nuestro diodo no sea tan ideal como nos gustaría. Pero aquí tenemos que hacer un compromiso.
Algunos autores (los pocos que se dieron cuenta de la necesidad de protección) proponen además proteger la unión del emisor utilizando un diodo conectado directamente.
Este diodo le permite no alcanzar el valor de voltaje umbral en absoluto, limitándolo a la magnitud de la caída directa, es decir, menos de un voltio.
Sin embargo, en mi humilde opinión, no se necesita un diodo violinista . El hecho es que el desglose de avalanchas para cualquier unión pn es un modo de operación completamente normal y no hay necesidad de lidiar con eso.Un viejo dicho dice: no es el voltaje lo que mata, la corriente lo que mata . Y esto se aplica no solo al caso de descarga eléctrica. Con diodos y transistores, la situación es similar. El desglose de avalanchas en sí mismo es completamente reversible y se usa de manera rutinaria, por ejemplo, en diodos zener. Y la notoriedad se arraigó a él debido al hecho de que en los circuitos de alimentación este fenómeno suele ir acompañado de un aumento incontrolado de la corriente que fluye a través de la transición, un fuerte calentamiento y la ruptura térmica ya irreversible que lo sigue.
Escollo №2
Si planea usar el circuito a voltajes de aproximadamente 12 voltios, entonces todo se puede dejar como está y disfrutar. Pero las situaciones en la vida son diferentes y, tarde o temprano, el voltaje puede llegar a ser más alto, por ejemplo, 24-27 voltios, como en la red a bordo de automóviles grandes.Y aquí aparece una limitación más, que a menudo tampoco es necesario recordar al diseñar circuitos de bajo voltaje. El hecho es que la puerta MOSFET está separada del canal por la película de óxido más delgada. Su grosor determina las propiedades de transferencia del transistor y en la práctica equivale a unidades de átomos de óxido de silicio. Naturalmente, la resistencia dieléctrica de un dieléctrico tan delgado es muy baja. Echemos un vistazo a la hoja de datos de un poderoso "hombre de campo" típico.
En principio, en algunas hojas de datos, como parte de un transistor MOS de potencia, se dibuja un par encendido-apagado de diodos zener entre la puerta y la fuente, que, presumiblemente, está diseñada para limitar el voltaje en la puerta. Entonces, aquí, que cada uno decida por sí mismo, confiar en el destino del transistor del circuito de protección incorporado o protegerse por sí mismo.
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