Vor ein paar Jahren habe ich einen Artikel unter einer ähnlichen Überschrift veröffentlicht. Darin habe ich kurz über den Prozess der Neuentwicklung eines Geräts gesprochen, das als „ideale Diode“ fungiert, um zu verhindern, dass die Pufferbatterie in ein stromloses Netzteil entladen wird.

Das Gerät erwies sich als relativ komplex, wenn auch wirtschaftlich (der Stromverbrauch bei Verwendung der modernen Version des LM393-Komparators betrug etwa 0,5 mA). Die Leser machten auf diese Komplexität aufmerksam und schlugen in den Kommentaren eine um eine Größenordnung einfachere Variante der „idealen Diode“ vor. Zu meiner Schande war ich damals mit einem solchen Schema nicht vertraut und beschloss, es bei Gelegenheit genauer zu behandeln. Nach einer Reihe von Experimenten, die mit einer Computersimulation begannen und mit einem Steckbrett endeten, stellte sich heraus, dass diese Schaltung aufgrund ihrer offensichtlichen Einfachheit sowohl vom Standpunkt des Verständnisses aller in ihr ablaufenden Prozesse als auch vom Standpunkt der Fallstricke, die sie in sich birgt, sehr nicht trivial ist verbirgt.


Im Allgemeinen mache ich Sie auf eine andere Version der Implementierung der "idealen Diode" mit einer detaillierten Beschreibung ihrer Merkmale aufmerksam.

Die in den Kommentaren vorgeschlagene kanonische Fassung hat folgende Form:


Nur vier (oder fünf, je nachdem, wie Sie zählen) Teile und die "ideale Diode" ist fertig. Alles scheint sehr einfach zu sein. Das Erste, was Ihnen auffällt, ist die Verwendung einer Baugruppe anstelle herkömmlicher diskreter Transistoren. Es scheint, dass dies eine Laune des Autors dieser besonderen Aufführung ist. Nach Prüfung anderer Optionen wird jedoch festgestellt, dass dieser Ansatz in fast allen Schemata verwendet wird, die im Netzwerk zu finden sind. Hier kommen wir zur Analyse des Funktionsprinzips dieses Schemas.

Funktionsprinzip

Um das Prinzip zu verstehen, ist es besser, von dem Moment an zu beginnen, in dem alle Transienten bereits abgeschlossen sind und die Last etwas Strom von der Stromversorgung verbraucht. Dieser Strom fließt durch den Schalter und aufgrund des Nicht-Null-Widerstands des Kanals ist die Spannung an Punkt 1 geringfügig höher als an Punkt 2. In diesem Fall fließt der Strom von Punkt 1 durch den Emitterübergang T1 zum Basisstromkreis beider Transistoren und dann durch R1 zu „ das Land. " Infolgedessen stellt sich an den Basen der Transistoren eine Spannung ein, die der Öffnungsspannung des Emitter-pn-Übergangs entspricht. Aufgrund der Tatsache, dass sich der Emitter T2 auf einem niedrigeren Potential als der Emitter T1 befindet, fließt der Strom jedoch fast nicht durch seine Basis, da die Spannung zwischen seinem Emitter und der Basis zum Öffnen des Übergangs geringer als erforderlich ist. Und da es keinen Basisstrom gibt, dann ist T2 geschlossen, der Emitter-Kollektor-Widerstand ist hoch, das Gate des Leistungsschalters ist über R2 geerdet, was die Bedingungen für sein Öffnen schafft. Infolgedessen fließt der Strom von Punkt 1 nach Punkt 2 durch den offenen Kanal des Leistungsschalters (und nicht nur durch die technologische Diode) und der Spannungsabfall in diesem Abschnitt wird in Millivolt gemessen.

Wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird, wird die Spannung an Punkt 1 sehr schnell niedriger als an Punkt 2. Gleichzeitig hört der Strom auf, durch den Emitterübergang T1 zu fließen und beginnt stattdessen, durch den Emitterübergang T2 zu fließen und diesen zu öffnen. Infolgedessen nimmt der Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors T2 stark ab, das Gate des Leistungsschalters wird mit der Source verbunden und der Kanal wird geschlossen.

Basierend auf dem Vorstehenden ist eine notwendige Bedingung für den Betrieb der Schaltung die Identität der Transistoren T1 und T2. Dies gilt insbesondere für die Spannungsöffnungs-Emitterübergänge. Erstens muss es mit einer Genauigkeit zusammenfallen, die nicht schlechter als Millivolt-Einheiten ist, und zweitens muss jede seiner Schwingungen unter dem Einfluss des Temperaturfaktors für beide Transistoren synchron sein.

Deshalb ist die Verwendung von diskreten Transistoren in dieser Schaltung nicht akzeptabel. Nur Dampf, der im Rahmen eines einzigen Technologiezyklus erzeugt wird, kann als völlig identisch angesehen werden. Und ihre Platzierung auf einem gemeinsamen Untergrund garantiert die notwendige Wärmeverbindung.

Und umso sinnloser ist auch die Variante der Schaltung, die auch im Internet zu finden ist und bei der anstelle eines der Transistoren eine Diode verwendet wird.


Solch ein Schema mit ein bisschen Glück wird funktionieren, aber von Zuverlässigkeit kann hier keine Rede sein.

Übrigens gehen einige Autoren noch weiter und verwenden neben der Transistorbaugruppe auch Widerstände (oder diskrete Widerstände mit einer Toleranz von 1% oder besser), was durch die Notwendigkeit motiviert wird, die Symmetrie der Schaltung weiter aufrechtzuerhalten. Tatsächlich benötigen Widerstände überhaupt keine genaue Auswahl, aber mehr dazu weiter unten.

Aber wirklich?

Die obige Erklärung des Funktionsprinzips ist stark vereinfacht, sie gibt eine kurze Antwort auf die Frage „Wie funktioniert es?“, Liefert jedoch kein Verständnis für die zugrunde liegenden Prozesse, die in der Schaltung ablaufen, und rechtfertigt insbesondere nicht die Auswahl der Elementwerte.

Wenn sich also jemand für die Details interessiert, lesen wir weiter, und für wen das praktische Schema ausreicht, scrollen Sie einfach bis zum letzten Bild des Artikels.

Lassen Sie uns der Übersichtlichkeit halber zuerst die Schaltung umdrehen, die PNP-Transistoren durch bekanntere NPNs ersetzen und schließlich etwas komplizierter gestalten, damit klar wird, woher die endgültige Version stammt.


Was sehen wir hier? Zwei einfache Verstärkungsstufen nach dem OE-Schema und eine gemeinsame Vorspannungsschaltung durch den Widerstand Rs. Wenn die Transistoren gleich sind, wird der durch den Vorspannungswiderstand fließende Strom gleichmäßig auf die Basen beider Transistoren aufgeteilt und diese um den gleichen Betrag leicht geöffnet. Infolgedessen fließen die gleichen Ströme durch die Kollektorabschlusswiderstände, und die Ausgangsspannungen an den Punkten OUT1 und OUT2 sind ebenfalls gleich.

Kehren Sie nun zu unseren RAMs zurück und erinnern Sie sich, dass die Emitter der Transistoren nicht miteinander verbunden sind. Im Gegensatz dazu kann eine Potentialdifferenz zwischen ihnen auftreten, die dem Spannungsabfall über dem offenen Kanal des Leistungsschalters entspricht. In Anbetracht der Größe des Kanalwiderstands kann die Spannungsdifferenz zwischen den Emittern zwischen Einheiten und Hunderten von Millivolt liegen. So sieht es in unserem Diagramm aus.


Infolge der Vorspannung ist der Emitter T2 etwas "höher über dem Boden" als der Emitter T1, was bedeutet, dass die Spannung Ube2 niedriger als Ube1 ist. Erinnern wir uns nun daran, wie die Strom-Spannungs-Kennlinie des Emitter-PN-Übergangs aussieht.


Wenn der Arbeitspunkt im Bereich der maximalen Steigung der Kennlinie liegt, führt bereits eine geringfügige Änderung der angelegten Spannung zu einer sehr starken Änderung des fließenden Stroms, d.h. je niedriger die Durchlassspannung ist, desto größer ist der äquivalente Übergangswiderstand.

Schauen wir uns das Diagramm noch einmal an. Die Spannung am Emitterübergang T2 nahm ab, sein Ersatzwiderstand stieg an, was bedeutet, dass der durch Rs fließende Vorspannungsstrom nicht mehr symmetrisch zwischen den Basen der Transistoren aufgeteilt wird, sondern hauptsächlich durch den Emitterübergang T1 fließt. Daraus ergibt sich, dass T1 um den gleichen Betrag öffnet bzw. T2 schließt. Die Verteilung der Ströme verliert an Symmetrie und "verzerrt" irgendwie den Stromkreis. Darüber hinaus ist der Absolutwert der Vorspannung gleich dem Stromübertragungskoeffizienten der Transistoren (nicht insgesamt, sondern jeweils getrennt, vorausgesetzt, dass die Transistoren gleich sind).

Wenn wir die Potentialdifferenz der Emitter in die entgegengesetzte Richtung umkehren, wird die Schaltung auf ähnliche Weise in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt: Je höher der Kollektorstrom eines Transistors ist, desto geringer ist der zweite und umgekehrt. Als Ergebnis haben wir einen "umgekehrten" Stromspiegel , bei dem unter dem Einfluss eines Eingangssignals eine symmetrisch entgegengesetzte Änderung der Ströme in den Zweigen der Schaltung auftritt.

Der klassische "Gleichstromspiegel" (wie er Teil von Operationsverstärkern und Komparatoren ist) unterscheidet sich darin, dass sich der Strom eines Transistors unter dem Einfluss von zwei unipolaren Eingangsgrößen in entgegengesetzte Richtungen ändert.

Mach weiter. Die resultierende Schaltung gibt uns eine Vorstellung von den Rollen der Widerstände. Die Kollektorwiderstände R1 und R2 sind die Last der Transistoren. Ihre Aufgabe besteht darin, die an unsere Schaltung angeschlossenen Schaltkreise als Quelle eines Steuersignals zu versorgen. Ihr Widerstand muss daher so bemessen sein, dass der durch sie fließende Strom ausreicht, um die Eingangslastkreise zu aktivieren. In diesem speziellen Fall ist die Last das Gate des MOS-Transistors, der eine Eingangsimpedanz von vielen Megaohm aufweist.

In Datenblättern wird normalerweise nicht der Eingangswiderstand angegeben, sondern der Gate-Leckstrom bei einer bestimmten Spannung. Aus diesem Strom können Sie den ohmschen Widerstand der Gate- und Schutzdiodenisolation bestimmen. Beispielsweise wird für den Transistor IRF5305 ein Leckstrom von nicht mehr als 100 Nanoampere bei einer Spannung von 20 Volt angegeben. Eine einfache Berechnung ergibt eine Eingangsimpedanz von mindestens 200 Megaohm.

Mit einem solchen Eingangswiderstand des Verbrauchers könnten sehr hochohmige Lastwiderstände verwendet werden, wodurch der Eigenverbrauch von Transistoren auf ein Nanoampere-Niveau reduziert wird. Es ist jedoch besser, nicht zu viel zu „schlagen“, da hochohmige Schaltkreise empfindlich auf eine Vielzahl von Tonabnehmern reagieren. Außerdem nimmt die Verstärkung des Bipolartransistors mit Submikroampere-Kollektorströmen ab. Der geeignetste Lastwiderstand kann in diesem Fall als Hunderte von kOhm angesehen werden. Dies ist der optimale Widerstand im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und gleichzeitig im Hinblick auf die Rentabilität ziemlich hoch.

Mit aussortierten Kollektorwiderständen. Gehen wir nun zum Vorspannungswiderstand Rs über. Was hängt von seinem Widerstand ab? Die anfänglichen Kollektorströme, dh die Ströme einer vollständig ausgeglichenen Schaltung, hängen davon ab. Darüber hinaus hängen diese Ströme von den zuvor ausgewählten Werten der Lastwiderstände und von der Verstärkung der Transistoren ab. Was ist der optimale Wert für diesen Widerstand? Und solche, bei denen die Moden der Transistoren an den Punkten der geringsten Stabilität sind.

Denn je einfacher die Schaltung für den Einfluss von Unsymmetriefaktoren ist, desto höher ist ihre Empfindlichkeit gegenüber dem Eingangssignal. Aus diesem Grund sollten Transistoren bei Fehlen eines Eingangssignals nicht vollständig geöffnet oder geschlossen sein, sondern sich in einem Zwischenzustand befinden.

Hier bietet sich eine Analogie zu den einfachsten Swing-Balancern an. Wenn ein solcher Schwung im Gleichgewicht ist, ist es am einfachsten, sie aus diesem Zustand herauszuholen: ein leichter Stoß, und sie lehnen sich in die richtige Richtung. Wenn sie jedoch bereits durch die Last auf einer der Schultern verdreht sind, erfordert das Entfernen aus einem solchen stabilen Zustand einen erheblichen Aufwand.

Daher ist der beste Widerstand Rs derart, dass die Spannungen an den Kollektoren der Transistoren ungefähr gleich der Hälfte der Versorgungsspannung sind. Diese Bedingung muss nicht wörtlich genommen werden und Widerstand gegen Ohm aufnehmen. Darüber hinaus ist es zur Verringerung der Betriebsströme durchaus akzeptabel, Rs bewusst zu erhöhen, so dass die Spannung an den Kollektoren etwa 5 Volt niedriger ist als die Versorgungsspannung. Dies lässt einen ausreichenden Spielraum für eine zuverlässige Steuerung des Leistungsschalters, minimiert jedoch gleichzeitig die Ströme in allen Schaltkreisen und damit den Stromverbrauch.

Um ein modernes Leistungs-MOSFET-Volumen zu steuern, muss an sein Gate eine Spannung angelegt werden, die nicht geringer ist als die in der Zeile „Gate-Schwellenspannung“ des Datenblattes angegebene. Für einen typischen modernen Transistor beträgt diese Spannung 3-4 Volt, daher der gewählte Wert von 5 Volt, was garantiert ausreicht, um den Transistor mit einem minimalen Eingangssignal vollständig zu öffnen.

Was die spezifische Rs-Bewertung anbelangt, so hat das Experiment im Vollmaßstab gezeigt, dass zum Beispiel für die Montage des BC807DS sein Widerstand ungefähr 5 MΩ betragen sollte. Für andere Transistoren kann dieser Wert abweichen, aber es gibt einen anderen Faktor, der in unsere Hände spielt und die Notwendigkeit einer feinen Auswahl von Widerständen verringert.

Tatsache ist, dass sich in einer realen Schaltung, wenn ein Strom durch den Leistungsschalter fließt, der die Schaltung aus dem Gleichgewicht bringt, die Gate-Spannung ändert, was bedeutet, dass sich auch der Kanalwiderstand ändert. Und diese Rückkopplung verstärkt sich in der Natur, wenn der Spannungsabfall auf dem Kanal zu einem Ungleichgewicht der Schaltung führt, das die Gate-Spannung so ändert, dass sich der Kanalwiderstand noch mehr ändert, was zu einer noch stärkeren Verzerrung führt. Und so geht es weiter, bis es die äußerste Position erreicht, in der der Netzschalter nicht mehr mit einer Änderung des Kanalwiderstands auf eine Änderung der Gate-Spannung reagiert. Ist die Verstärkung des Transistors jedoch groß genug, so wird der Vorgang fortgesetzt, bis die Versorgungsspannung erreicht oder Null ist (abhängig vom Spannungsverhältnis an den Punkten 1 und 2).

Somit kann das reale Schema, das unter Berücksichtigung des Obigen gezeichnet werden kann, die folgende Form haben:


Und in dieser Form ist es wirklich selten auf Websites zu finden, die sich mit Elektronik befassen. Wir haben jedoch mit einem anderen, vollständig funktionierenden Schema begonnen, das einfacher und gebräuchlicher ist. Was unterscheidet diese beiden Optionen? Kommen wir noch einmal kurz auf den Prototypen zurück, mit dem eine detaillierte Analyse begann.


Was ist in diesem Schema überflüssig? Da wir die Steuerspannung für das Gate des Leistungsschalters vom Kollektor eines der Transistoren entfernen (Punkt OUT2), stört uns die Spannung am Kollektor des zweiten (OUT1) überhaupt nicht. Und aus dem Grund, dass das Vorhandensein oder Fehlen eines kleinen Kollektorstroms einen sehr schwachen Effekt auf die Strom-Spannungs-Charakteristik des Emitterübergangs hat, kann der Lastwiderstand R1 sicher aus der Schaltung entfernt werden. Und damit der Kollektoranschluss T1 nicht in der Luft baumelt und keine Tonabnehmer sammelt, ist es besser, ihn an die Basis von T1 anzuschließen (obwohl dies nicht erforderlich ist, funktioniert die Schaltung perfekt mit einem baumelnden Kollektorausgang).


Das endgültige Schema hat eine schmerzlich vertraute Form:


Außerdem habe ich die Position der Widerstände wie im Prototyp speziell beibehalten, um die Tatsache hervorzuheben, dass diese Widerstände völlig unterschiedliche Funktionen erfüllen. Dies ist im Originaldiagramm nicht ersichtlich, aber hier deutlich zu sehen, insbesondere nach all den Erklärungen und Berechnungen. Der linke Widerstand ist der Vorspannungswiderstand Rs, und der rechte ist der Lastwiderstand R2 von der Prototypschaltung. Sie sind nicht etwas, was nicht genau gleich sein sollte (wie manche Autoren meinen), ihre Werte sind im Allgemeinen sehr indirekt miteinander verbunden und im Allgemeinen müssen sie nicht einmal eine allgemeine Ordnung haben.

Aus diesem Grund ist es nicht erforderlich, an dieser Stelle eine Widerstandsbaugruppe oder diskrete Widerstände mit geringer Toleranz zu verwenden.

Und auch aus diesem Schema folgt, dass das Gerät Strom von Punkt 2 erhält und Punkt 1 nur eine Eingangssignalquelle ist. Wenn also die Spannung nur an Punkt 2 anliegt, wird die Energie direkt zugeführt, und wenn nur an Punkt 1, dann wird zuerst die Energie über die technologische Diode des Leistungstransistors zugeführt, und wenn der Stromkreis aufwacht und zu arbeiten beginnt, erfolgt dies bereits über einen offenen Kanal.

Fallstricke №1

Wir haben das Funktionsprinzip und die Bewertungen herausgefunden, das Ergebnis auf dem Diagramm:


In dieser Form wird das Schema in verschiedenen Foren allgemein empfohlen, aber es gibt einige Nuancen, die seine praktische Anwendung stark einschränken. Das erste Problem ist ein Parameter von Bipolartransistoren, der in den meisten praktischen Anwendungen nicht üblich ist. Da ist er:


Es stellt sich heraus, dass die maximale Sperrspannung des Emitterübergangs der meisten Transistoren mit geringer Leistung in Volt angegeben wird, und genau das gefährdet unsere Schaltung. Liegt nur an Punkt 2 Spannung an und ist Punkt 1 über einen kleinen Widerstand mit Masse verbunden (die stromlose Stromversorgung verhält sich genauso), so fließt der Strom von Punkt 2 durch den in Vorwärtsrichtung vorgespannten Emitterübergang T2 zum in Rückwärtsrichtung vorgespannten Emitterübergang T1, hinter dem sich fast Masse befindet . Das heißt, fast die gesamte Spannung von Punkt 2 wird an den Emitterübergang T1 angelegt.


Und hier passiert das Interessanteste. Wenn die Spannung am Punkt 2 über dem maximal zulässigen Wert liegt, geht der Emitterübergang T1 in den Lawinenmodus über, und bei einem ausreichend kleinen Wert von RL fällt der Transistor einfach aus.

Somit ist ein zuverlässiger Betrieb dieser Schaltung nur bei Betriebsspannungen möglich, die nicht höher sind als im Datenblatt für den ausgewählten Transistor angegeben, d. H. in der Praxis sind es nicht mehr als 5-8 Volt. Auch eine 12-Volt-Quelle kann formal nicht mehr an eine solche Schaltung angeschlossen werden.

Hier ist übrigens eine interessante Tatsache. Ich habe verschiedene Baugruppen verschiedener Typen ausprobiert, die die maximale Spannung der Emitterübergänge von 5 bis 8 Volt angaben, und alle zeigten eine Lawinendurchbruchspannung von 12-13 Volt. Sie sollten sich jedoch in praktischen Schemata nicht darauf verlassen. Nicht umsonst besagen sie, dass Spezifikationen durch den Rauch verbrannter Komponenten geschrieben werden.

Wenn Sie eine relativ hohe Spannung schalten müssen, muss der Transistor T1 geschützt werden. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, einen zusätzlichen Widerstand einzuführen, der den Rückstrom durch die Verbindungsstelle begrenzt.


Dieser Widerstand führt zu einem gewissen Ungleichgewicht in der Schaltung. Da sein Widerstand im Vergleich zum Widerstand des Vorspannungswiderstands jedoch recht klein ist, ist der Effekt minimal und in der Praxis nicht spürbar. Außerdem fließt durch diesen Widerstand ein kleiner Leckstrom von Punkt 2 zu Punkt 1, wodurch unsere Diode nicht so ideal wird, wie wir es uns wünschen. Aber hier müssen wir Kompromisse eingehen.

Einige Autoren (die wenigen, die das Bedürfnis nach Schutz erkannt haben) schlagen vor, den Emitterübergang zusätzlich mit einer direkt angeschlossenen Diode zu schützen.


Mit dieser Diode können Sie den Schwellenspannungswert überhaupt nicht erreichen und ihn auf die Größe des direkten Abfalls begrenzen, dh auf weniger als ein Volt.

, . , pn- .

: , . . . , , . - , , , , .

№2

12 , . , 24-27 , .

, . , MOSFET . . , . «».


, – 20 . , , T2 . R2 . , , , , .

20 . , - . , .


T2 , , D1. «Gate Threshold Voltage» «Gate-to-Source Voltage», , .

, MOS- - , , , . , , .

« », , «», 100 , 25 150 .