Untuk pertanyaan yang aneh (lagi) dan pilihan transistor

Temukan alasan untuk semuanya dan Anda akan mengerti banyak.

Misteri lain muncul dalam perangkat yang dirancang oleh salah satu kolega muda saya (selanjutnya MMK). Perangkat ini dirancang untuk kontrol masuk baterai seri 18650 (tidak, Ilon Mask dapat tidur nyenyak, perusahaan kami tidak akan membuat mobil listrik, ini untuk produk yang sama sekali berbeda) dan diimplementasikan pada chip BQ29700 yang agak terkenal, yang berbeda dari banyak pengontrol baterai serupa di hadapan dua pisahkan kesimpulan untuk mengelola kunci dan kemampuan untuk mengontrol arus ("jangan lupa, teman saya, tentang suspender"). Skema ini dilaksanakan sesuai dengan rekomendasi pabrikan (lihat KDPV), seharusnya tidak ada pertanyaan sama sekali, tetapi ... mereka.



Berikutnya adalah pengalaman penyelidikan teknik kecil diikuti oleh moralitas yang sepele (dan mungkin membosankan).

Sebelum melanjutkan ke deskripsi masalah, mari kita bicara sedikit tentang skema yang sebenarnya direkomendasikan. Pertama, perhatikan fakta bahwa kunci berada di bahu bawah (di kabel netral) tetapi tidak di atas. Kenapa begitu? Jawabannya - karena sirkuit mikro dirancang dengan cara ini - tidak diterima, karena menimbulkan pertanyaan - mengapa ia dirancang dengan cara ini.


Pertanyaan selanjutnya adalah mengapa ada dua transistor: semua orang tahu jawabannya - karena kita memerlukan saklar dua arah, dan keberadaan dioda built-in membuat implementasi pada transistor tunggal menjadi tidak mungkin.

Tetapi pertanyaan berikutnya lebih menarik - mengapa transistor dihubungkan oleh moncong satu sama lain, sepertinya Anda dapat menghubungkan mereka dengan sisi lain (sebagaimana mereka dipanggil, putuskan sendiri).


Nah, sekarang tentang masalah itu sendiri - perangkat yang dirakit tidak berfungsi. Gejala eksternal dan fakta yang sudah ada:

1. Setelah memasang baterai uji (BAT), tegangan tidak mengalir ke terminal eksternal (atau lebih tepatnya, tidak pergi ke minus yang lebih rendah).
2. Transistor T1 (tombol pengisian) dihidupkan, transistor T2 dimatikan rendah di gerbang (output Dout).
3. Setelah menerapkan tegangan eksternal 4.2V ke terminal + dan - (simulator pengisian daya), kedua transistor menyala, sementara setelah melepas tegangan eksternal, mereka tetap menyala dan baterai dapat diuji.
4. Setelah mengeluarkan baterai dari slot, lanjutkan ke langkah 1.

Secara umum, tampaknya setelah memasang baterai, rangkaian mikro menganggap perlu untuk mengisi daya baterai (setidaknya untuk jumlah yang sedikit sewenang-wenang) dan baru siap untuk memungkinkannya berfungsi sebagai sumber. Yah, pertama, ini adalah perilaku yang agak aneh, dan kedua, mengapa tidak dijelaskan dalam dokumentasi, sehingga hipotesisnya terlihat meragukan. MMK menggunakan metode modern yang telah dicoba dan diuji untuk menemukan penyebab kegagalan fungsi - untuk mencari di Internet dan forum e2e, sebuah pertanyaan ditemukan tentang situasi yang serupa, di mana guru TI memberikan jawaban yang agak aneh (menurut saya) bahwa chip ini dirancang untuk bekerja dengan baterai yang disolder, dan Plugin tidak dapat diterima. Sebagian sampah, setelah semua, baterai yang disolder juga pernah dimasukkan, jadi kami akan mencari penyebabnya menggunakan metode lama - percobaan (pengukuran juga merupakan percobaan) dan memahami hasil mereka

Kita melangkah lebih jauh - tegangan pada baterai normal, tidak ada pemicu dalam diagram blok perangkat (meskipun diagram blok modern, seperti deskripsi, adalah subjek lagu yang terpisah dan suram), tetapi salah satu kuncinya ditutup, sehingga sensor saat ini berfungsi, tidak ada yang lain. Pada saat yang sama, ada simpul logis dalam diagram blok, dan deskripsi mengacu pada pemicu (tetapi dalam aspek yang sedikit berbeda) dan penghitung internal. Lebih lanjut dikatakan bahwa ketika situasi kelebihan arus terjadi selama pelepasan, rangkaian memasuki mode cacat dan kembali dari itu ke mode normal setelah melepaskan beban atau menerapkan tegangan pengisian - sangat mirip dengan kasus kami.

Untuk memeriksa, hubungkan ujung bawah resistor R1 ke kaki Vss (ini penting, MMK membiarkannya menggantung di udara, yang tidak cukup dalam kasus ini) dan ... efeknya menghilang, setelah memasukkan baterai, kedua transistor terbuka, tegangan output disuplai ke terminal eksternal.

Pnp: masih ada efek halus yang terkait dengan sumber listrik yang terputus tetapi tidak terputus, saya tidak memperhitungkannya.

Jadi, batas saat ini masih berfungsi, tetapi dengan rasa takut - sekarang beban kita terputus saat baterai dimasukkan. Selanjutnya, kita hubungkan dan lepaskan beban kecil, arus mengalir, itu cukup normal dan tidak ada cutoff.

Ini berarti bahwa baik pada saat penyisipan baterai, arus mengalir jauh lebih tinggi daripada yang diizinkan, atau sirkuit secara keliru memutuskan untuk melebihi arus. Anda dapat menghubungkan osiloskop dan melihat, tetapi lebih baik untuk berpikir, karena Anda masih harus berpikir.

Dan segera keputusan datang - apa perbedaan antara proses memasukkan baterai dari koneksi terus menerus - kehadiran bouncing. Jika kita memperhitungkan bahwa tegangan pada baterai disuplai ke sirkuit mikro melalui filter R2C1, dan tegangan pada terminal + secara langsung melalui resistor R1, maka situasinya dimungkinkan ketika input BAT masih beroperasi, dan input V- sudah nol. Kemudian rangkaian mikro memutuskan bahwa semua voltase telah jatuh pada kunci, lalu arus terlampaui dan kunci pelepasan dimatikan - semuanya tampak logis.

Pada saat yang sama, perlu dicatat bahwa pengoperasian detektor arus berlebih harus panjang, hingga 10 ms, karena ada penundaan di dalam rangkaian mikro, dan konstanta waktu dari filter daya 330 * 0,1 * 10 ** - 6 = 33 μs merupakan kontradiksi. Tapi ini adalah konstanta waktu yang terkait dengan muatan kapasitor, tetapi itu tidak akan habis melalui resistor (karena ketika baterai bergetar pada papan kontak kedua papan tidak akan ada nol, tapi istirahat), tetapi melalui sirkuit mikro. Kemudian, dengan arus konsumsi 1 mA, tegangan melintasi kapasitor dari 4,2 V akan berkurang menjadi 2,8 V dalam 0,1 * 10-6 * 1,6 / 1 * 10 ** - 3 = 0,16 ms, dengan arus 5,5 μA sudah dalam 30 ms, itu sudah cukup untuk memutuskan arus lebih.

Ada kemungkinan alasan lain untuk perilaku ini, misalnya, pemicu dapat diatur ulang (dipasang) hanya dengan menerapkan daya ke sirkuit mikro (tidak, hipotesis ini tampaknya dibantah dengan mengganti resistor, meskipun tidak semuanya begitu jelas), yang akan mengarah pada hasil yang sama. Tidak ada diagram perangkat, diagram blok tidak cukup informatif, sehingga pilihan akhir tergantung pada preferensi pribadi.

Secara umum, alasan perilaku microcircuit yang dijelaskan di atas ditentukan (umumnya tidak sepenuhnya, mekanisme yang diusulkan hanya salah satu yang mungkin, meskipun tampaknya masuk akal, satu-satunya hal yang dapat kita katakan dengan pasti adalah bahwa itu terhubung dengan kontrol saat ini), tidak ada cacat yang ditemukan di dalamnya, aneh Jawaban di forum tidak lagi aneh (meskipun tidak menjadi lebih informatif). Bagaimana tepatnya menghadapi fenomena ini - ada banyak cara, satu tidak lebih buruk dari satu, MMK memilih yang paling sederhana - meninggalkan ujung bawah resistor pada titik baru dan mematikan kontrol arus. Solusinya dapat diterima jika kita yakin bahwa beban dikalibrasi (itu) dan tidak ada yang akan cocok dengan pinset di mana seharusnya tidak (tapi di sini lebih sulit. Tapi kita masih tidak terlindungi dari "orang yang kompeten secara teknis" dengan pinset di tangan, ini dia) - kurangnya ground switching).

Dan sekarang tiba bagian kedua dari balet Marleson, tercermin dalam judulnya. Kami memperbaiki cacat, memasukkan baterai dan mengamati tegangan pada output perangkat, menghubungkan beban nominal 4 ohm dan ... tegangan di atasnya turun tajam dari 4.2V ke 2.0V, dan baterai masih menghasilkan 4.1V. Jadi, pada dua transistor seri-terhubung, 2.1V turun, terlalu banyak - kita akan mengerti.

Nah, tidak ada teka-teki di sini, tegangan kontrol jelas tidak cukup, yang memungkinkan saya untuk dengan lancar pergi ke bagian kedua pos. Untuk memulainya, kita membuka tanggal pada transistor, dan kita melihat di sana - dan apa yang harus kita lihat dalam lembar data pada transistor efek medan.

Sebenarnya, kita harus melihat setidaknya dua set dari dua parameter: tegangan sumber gerbang dan arus sumber, dan pada titik yang benar-benar sewenang-wenang. Mengingat bahwa fungsi transfer transistor efek medan diberikan oleh

$$

$$Is (Ugs) = Iso * (1-Ugs / Ugso) ** 2$$

, dua pasang tegangan / arus cukup untuk menemukan dua yang tidak diketahui. Kami menulis dua persamaan

$$

$$I1 = (Iso / Ugso ** 2) * (Ugso-Ugs1) ** 2$$

dan

$$

$$I2 = (Iso / Ugso ** 2) * (Ugso-Ugs2) ** 2$$

, lalu bagi yang pertama dengan I2, dapatkan

$$

$$(I1 / I2) * Ugso ** 2 / Iso = (Ugso-Ugs1) ** 2 / I2$$

. Kemudian dalam kondisi (I2 >> I1) && (Ugso! = 0) kita mendapatkan separuh dari jawaban Ugso = Ugs1.

Sekarang jelas bahwa kita masih terbatas dalam memilih titik-titik umum kita dengan akal sehat, dan yang pertama harus dekat titik pembukaan transistor sehingga arusnya cukup kecil. Biasanya ini adalah titik dengan arus 250 μA, yang sesuai dengan dua nilai tegangan gerbang - minimum dan maksimum (ada juga yang khas, tetapi ini tentang apa-apa). Tapi apa sebenarnya arti kedua arti ini:

1. Kami yakin bahwa ketika tegangan di gerbang kurang dari atau sama dengan minimum, kami tidak akan pernah mendapatkan arus yang lebih ditandai.

2. Kami yakin bahwa ketika tegangan di gerbang lebih besar dari atau sama dengan maksimum, kami tidak akan pernah mendapatkan arus kurang dari yang ditunjukkan (tentu saja, asalkan elemen eksternal rangkaian mampu menyediakannya dengan transistor).



Di atas dua kondisi yang ditunjukkan, kami tidak dijamin apa-apa, memperhatikan jadwal dengan bidang larangan. Semua bagian yang tidak terisi adalah zona karakteristik transfer yang memungkinkan. Secara khusus, setiap asumsi benar mengenai nilai arus dalam kisaran yang ditunjukkan, beberapa di antaranya telah saya gambarkan dalam warna hitam.

Semua pertimbangan yang sama dari akal sehat, adalah logis untuk memilih titik kedua dengan arus yang signifikan, biasanya menunjukkan tegangan maksimum di gerbang, di mana arus signifikan yang mengalir, biasanya dekat dengan arus kerja maksimum, lagi memperhatikan formulasi 2. Kemudian kita dapat menghitung parameter tidak dikenal

$$

$$Iso = I2 * Ugso ** 2 / (Ugso-Ugs2) ** 2$$

dan kita dapat menulis ekspresi untuk arus pada tegangan apa pun pada saluran pembuangan

$$

$$Is (Ugs) = I2 * Ugs1 ** 2 / (Ugs1-Ugs2) * (Ugs1-Ugs) ** 2 / Ugs1 ** 2$$

menyederhanakan, kita dapatkan

$$

$$Is (Ugs) = I2 * (Ugs1-Ugs) ** 2 / (Ugs1-Ugs2) ** 2$$

Mudah untuk menunjukkan bahwa ekspresi terakhir di Ug € [Ugs1 ... Ugs2] berkurang dengan meningkatnya Ugs1, maka untuk menghitung arus drainase minimum (dijamin) pada tegangan gerbang tertentu, kita harus mengambil nilai maksimum Ugs1.

Pembaca yang penuh perhatian akan menyerah - jika tidak sulit, lalu di mana buktinya, dalam rumus parameter muncul di pembilang dan penyebutnya, sehingga pernyataan Anda tidak jelas - dan akan sepenuhnya benar. Apa yang bisa kita jawab padanya:

1. Ambil transistor tertentu dan hitung nilainya di tepian dan di tengah dan tunjukkan di mana tepatnya minimum yang dihasilkan. Metodenya begitu-begitu, karena tidak membuktikan bahwa tidak ada titik internal tertentu di mana perhitungan akan memberikan nilai lebih sedikit.
2. Gambarlah grafik saluran pembuangan untuk ambang yang berbeda dan tawarkan untuk memverifikasi ini secara visual. Metode ini sedikit lebih baik, tetapi murni ilustratif dan memerlukan analisis tambahan, sehingga lebih mudah untuk segera beralih ke metode 3.
   
   
3. Untuk menganalisis ekspresi, untuk mana kita mengambil turunannya terhadap variabel Ugs1 dan setelah serangkaian penyederhanaan, dapatkan

   $$

   $$Is '(Ugs1) = 2 * I2 * (Ugs1-Ugs) * (Ugs-Ugs2) / (Ugs1-Ugs2) ** 3$$
   . Kami melihat lima faktor (kecuali yang konstan) dan masing-masing negatif untuk kondisi kami, yang berarti bahwa turunannya negatif dan fungsinya mencapai nilai minimum pada batas kanan kisaran, dll.

Pertimbangkan contoh spesifik, berdasarkan pada kenyataan bahwa tingkat cutoff untuk pengosongan baterai jenis ini adalah 2.6V, yaitu, untuk tegangan yang diberikan di gerbang, transistor harus menyediakan arus pengosongan 1C = 1A.

Transistor MMK yang dipilih adalah tegangan pembuka awal pada gerbang 2.0V-4.0V, sehingga tidak masuk akal untuk menghitung arus yang dijamin pada 2.6V, dibutuhkan nilai apa pun, termasuk nol, tanpa komentar. Pembaca yang penuh perhatian akan mengajukan pertanyaan - setelah semua, arus melalui transistor benar-benar pergi dan, mengetahui beban, Anda dapat menghitung nilainya (tidak begitu kecil, sekitar 0,5A). Dan saya akan menjawab - kami memiliki baterai yang terisi penuh dengan tegangan 4.2V dan kami mendapat transistor dengan tegangan ambang lebih rendah dari maksimum, tetapi ini tidak selalu. Seorang insinyur harus bergantung pada kasus terburuk dan tidak memiliki hak untuk mengharapkan yang terbaik.

Transistor lain, yang dipilih dengan mempertimbangkan kritik, tetapi menurut kriteria utama untuk ketersediaan stok: tegangan awal 1.4V-2.6V, pada 2.6V kami mendapatkan arus jaminan 250μA, yang jelas tidak cukup. Mari kita coba sedikit menurunkan persyaratan dan bekerja hingga 2.8V, kemudian dengan memperhitungkan 20A pada 4.5V, kita mendapatkan I (2.8) = 20 * (2.8-2.6) ** 2 / (2.8-4.5) ** 2 = 20 * 0.2 ** 2 / 1,7 ** 2 = 0,22A, yang sekali lagi tidak cukup. Perhitungan untuk 3.0V menunjukkan nilai saat ini dari 0.8A dan hanya pada 3.2V kita mendapatkan 1A yang diperlukan. Tentu saja, kita dapat berharap untuk nilai ambang pada rata-rata 2.0V, maka pada 2.6V kita memiliki 1.12A dan semuanya baik-baik saja, tetapi kata "harapan", seperti yang saya katakan di atas, tidak boleh dimasukkan dalam kosakata seorang insinyur.

Sekarang pertimbangkan transistor SCD16406 yang direkomendasikan oleh TI dengan tegangan awal 1.4V-2.2V dan titik ekstrim yang sama. Kemudian kami mendapatkan arus yang dijamin pada 2,6 V sama dengan 20 * (2.6-2.2) ** 2 / (2.2-4.5) ** 2 = 0,6 A, yang aneh, itu masalahnya - level batasnya adalah 2,8 V dan dengan tegangan ini kami memiliki 1.36A, seperti yang dipersyaratkan, itu berarti semuanya baik-baik saja dengan TI. MMK juga akan memilikinya jika lebih memperhatikan membaca dokumentasi teknis sampai akhir (RTFMF). Pada saat yang sama, saya tidak bisa tidak mencatat bahwa, menurut pendapat saya, perusahaan tidak cukup memperhatikan masalah memilih transistor untuk mengimplementasikan kunci dalam rangkaian yang disarankan, meskipun sebaliknya tidak akan ada posting ini, jadi kami mencari sisi terang dalam segala hal (dan itu karakteristik, kami temukan).

Dan akhirnya, pertanyaan lain - mengapa dalam dokumentasi mereka memberikan nilai minimum dari ambang tegangan, karena kami tidak menggunakannya sama sekali untuk menghitung arus yang dijamin. Jawabannya adalah menentukan ambang batas jaminan tidak menyalakan transistor. Jika Anda puas dengan arus 250 μA melalui transistor yang terputus, maka Anda akan menerimanya dengan mengatur tegangan di gerbang sama dengan ambang batas bawah. Jika Anda membutuhkan arus yang lebih kecil, maka Anda harus membuat perhitungan yang sama dari nilai Io dan, menggunakan rumus umum, tentukan tegangan gerbang di mana arus drain menjadi sangat kecil.

Untuk transistor yang dianggap terakhir
Io = I2 ** U1 ** 2 / (U1-U2) ** 2 = 20 * 1.4 ** 2 / (3.1) ** 2 = 4.08A
Maka nilai (1-U1 / U0) ** 2 berbeda dari 1 oleh 0,00025 / 4.08 ~ 0,5 * 10 ** - 5, kita mengambil akar kuadrat sama dengan 2 * 10 ** - 3 dan ini berarti kita perlu mengurangi tegangan di gerbang dengan 2 * 10 ** - 3 * 1.4, yang akan menjadi 0,006V, sehingga arus dalam transistor sepenuhnya berhenti (bagian itu karena sifat penguat transistor). Aturan umumnya adalah sebagai berikut - Ugs1 (minimum) -0.1V akan cukup dalam sebagian besar kasus untuk benar-benar menutup transistor, meskipun Anda masih harus melihat mode pengukuran parameter ini, seperti yang dikatakan Winnie, “Anda dapat mengharapkan semuanya dari babi”.

Oh ya, saya berjanji pada moralitas, ini dia: tentu saja, seorang insinyur berbeda dari semua orang lain dalam hal dia berpikir dengan tangannya, tetapi pemikiran (dengan bantuan otak) yang biasa dan perhatian terhadap detail tidak kalah penting dalam praktik teknik. Ya, ini sepele, tetapi tetap benar.