Beberapa tahun yang lalu saya menerbitkan sebuah artikel di bawah judul yang serupa. Secara singkat, di dalamnya saya berbicara tentang proses pengembangan dari awal perangkat yang berfungsi sebagai "dioda ideal" untuk mencegah baterai buffer tidak habis ke catu daya de-energi.

Perangkat ini ternyata relatif kompleks, meskipun agak ekonomis (konsumsi saat ini ketika menggunakan versi modern komparator LM393 adalah sekitar 0,5 mA). Pembaca menarik perhatian pada kompleksitas ini dan dalam komentar menyarankan versi lain dari "dioda ideal", yang terlihat lebih sederhana. Yang memalukan saya, pada waktu itu saya tidak terbiasa dengan skema semacam itu, jadi saya memutuskan untuk menghadapinya secara lebih rinci pada kesempatan itu. Setelah serangkaian percobaan yang dimulai dengan simulasi komputer dan berakhir dengan papan tempat memotong roti, ditemukan bahwa dengan kesederhanaan yang tampak, sirkuit ini sangat tidak penting baik dari sudut pandang memahami semua proses yang terjadi di dalamnya maupun dari sudut pandang jebakan yang ada pada dirinya sendiri. menyembunyikan.


Secara umum, saya membawa perhatian Anda ke versi lain dari implementasi "dioda ideal" dengan deskripsi rinci fitur-fiturnya.

Versi kanonik yang diusulkan dalam komentar memiliki bentuk berikut:


Hanya empat (atau lima, tergantung pada bagaimana Anda menghitung) bagian dan "dioda ideal" siap. Segalanya tampak sangat sederhana. Namun, hal pertama yang menarik perhatian Anda adalah penggunaan rakitan alih-alih transistor diskrit konvensional. Tampaknya ini adalah kemauan penulis kinerja khusus ini. Namun, setelah mempelajari opsi lain, ditemukan bahwa pendekatan ini digunakan di hampir semua skema yang dapat ditemukan di jaringan. Di sini kita sampai pada analisis prinsip operasi skema ini.

Prinsip operasi

Untuk memahami prinsip ini, lebih baik mulai dari saat semua transien telah selesai, dan beban mengkonsumsi beberapa arus dari catu daya. Arus ini mengalir melalui sakelar dan, karena resistansi saluran yang tidak nol, tegangan pada titik 1 sedikit lebih tinggi dari pada titik 2. Dalam hal ini, arus dari titik 1 melewati persimpangan emitor T1 ke sirkuit dasar kedua transistor, dan kemudian mengalir melalui R1 ke “ tanah. " Sebagai hasilnya, tegangan yang sama dengan tegangan bukaan persimpangan pn emitor dibuat pada basis transistor. Tetapi karena fakta bahwa T2 emitor berada pada potensi yang lebih rendah daripada T1 emitor, arus hampir tidak mengalir melalui basisnya karena tegangan antara emitor dan basis kurang dari yang diperlukan untuk membuka persimpangan. Dan karena tidak ada arus basis, maka T2 ditutup, resistensi emitor-kolektor tinggi, gerbang sakelar daya dibumikan melalui R2, yang menciptakan kondisi untuk pembukaannya. Akibatnya, arus mengalir dari titik 1 ke titik 2 melalui saluran terbuka saklar daya (dan bukan hanya melalui dioda teknologi) dan penurunan tegangan pada bagian ini diukur dalam milivolt.

Ketika catu daya dinonaktifkan, tegangan pada titik 1 akan sangat cepat menjadi lebih rendah daripada pada titik 2. Pada saat yang sama, arus akan berhenti mengalir melalui persimpangan emitor T1 dan alih-alih mulai mengalir melalui persimpangan emitor T2, membukanya. Akibatnya, tahanan emitor-kolektor dari transistor T2 akan sangat berkurang, gerbang saklar daya akan terhubung ke sumbernya, dan saluran akan ditutup.

Berdasarkan hal tersebut di atas, syarat yang diperlukan untuk pengoperasian rangkaian adalah identitas transistor T1 dan T2. Hal ini terutama berlaku untuk sambungan emitor pembuka tegangan. Pertama, ia harus bertepatan dengan akurasi yang tidak lebih buruk dari unit millivolt, dan kedua, setiap getarannya di bawah pengaruh faktor suhu harus sinkron untuk kedua transistor.

Itulah sebabnya penggunaan transistor diskrit di sirkuit ini tidak dapat diterima. Hanya uap yang dibuat dalam kerangka siklus teknologi tunggal yang dapat dianggap cukup identik. Dan penempatannya di media umum menjamin koneksi termal yang diperlukan.

Dan lebih dari itu, varian rangkaian, yang juga dapat ditemukan di Internet, di mana dioda digunakan sebagai pengganti salah satu transistor, juga tidak ada artinya.


Skema seperti itu dengan jumlah keberuntungan tertentu akan berhasil, tetapi tidak ada pertanyaan tentang keandalan di sini.

By the way, beberapa penulis melangkah lebih jauh, dan di samping perakitan transistor, mereka juga menggunakan resistor (atau resistor diskrit dengan toleransi 1% atau lebih baik), memotivasi ini dengan kebutuhan untuk lebih menjaga simetri rangkaian. Sebenarnya, resistor sama sekali tidak membutuhkan pemilihan yang akurat, tetapi lebih pada yang di bawah ini.

Tapi benarkah?

Penjelasan di atas tentang prinsip operasi sangat disederhanakan, memberikan jawaban singkat untuk pertanyaan "bagaimana cara kerjanya", tetapi tidak memberikan pemahaman tentang proses yang mendasari yang terjadi di sirkuit, dan, khususnya, tidak membenarkan pilihan nilai elemen.

Jadi, jika ada yang tertarik dengan detailnya, maka kita membaca lebih lanjut, dan untuk siapa skema praktisnya cukup, cukup gulir ke bawah ke gambar terakhir artikel.

Untuk kejelasan, pertama mari kita membalik sirkuit, ganti transistor PNP dengan NPN yang lebih akrab, dan akhirnya, membuatnya sedikit lebih rumit sehingga jelas dari mana versi final berasal.


Jadi apa yang kita lihat di sini? Dua tahap amplifikasi sederhana sesuai dengan skema OE dan rangkaian bias umum melalui resistor Rs. Jika transistor sama, maka arus yang mengalir melalui resistor bias akan dibagi secara merata antara basis kedua transistor dan sedikit membukanya dengan jumlah yang sama. Akibatnya, arus yang sama mengalir melalui resistor terminasi kolektor, dan tegangan output di titik OUT1 dan OUT2 juga akan sama.

Sekarang kembali ke domba jantan kita dan ingat bahwa penghasil transistor tidak terhubung bersama, sebaliknya, perbedaan potensial dapat terjadi di antara mereka sama dengan penurunan tegangan melintasi saluran terbuka saklar daya. Mengingat besarnya hambatan saluran, perbedaan tegangan antara penghasil emisi dapat dari unit hingga ratusan millivolt. Ini adalah tampilannya di diagram kami.


Sebagai hasil dari bias, emitor T2 sedikit "lebih tinggi di atas tanah" daripada emitor T1, yang berarti bahwa tegangan Ube2 akan lebih rendah dari Ube1. Sekarang mari kita ingat seperti apa karakteristik arus - tegangan dari persimpangan pn emitor.


Jika titik operasi berada di wilayah kemiringan maksimum dari karakteristik, maka bahkan sedikit perubahan pada tegangan yang diberikan akan menyebabkan perubahan yang sangat kuat dalam arus yang mengalir, mis. semakin rendah tegangan maju, semakin besar resistansi transisi yang setara.

Mari kita lihat diagram lagi. Tegangan pada persimpangan emitor T2 menurun, resistensi setara meningkat, yang berarti bahwa arus bias yang mengalir melalui Rs tidak lagi dibagi secara simetris antara basis transistor, tetapi mengalir terutama melalui persimpangan emitor T1. Dari sini, T1 terbuka, dan T2, masing-masing, ditutup dengan jumlah yang sama. Distribusi arus kehilangan simetri dan entah bagaimana "memelintir" sirkuit. Selain itu, nilai absolut dari bias sama dengan koefisien transfer saat ini dari transistor (tidak secara total, tetapi masing-masing secara terpisah, asalkan transistor adalah sama).

Jika kita membalikkan perbedaan potensial dari penghasil emisi ke yang sebaliknya, rangkaian akan memiliki bias yang sama dalam arah yang berlawanan: semakin tinggi arus kolektor dari satu transistor, semakin sedikit yang kedua dan sebaliknya. Sebagai hasilnya, kita memiliki cermin arus "mundur", di mana, di bawah pengaruh satu sinyal input, perubahan arus yang berlawanan secara simetris terjadi di lengan rangkaian.

Cermin arus "langsung" klasik (seperti yang merupakan bagian dari amplifier dan pembanding operasional) berbeda karena di dalamnya, sebaliknya, di bawah pengaruh dua jumlah input unipolar, arus satu transistor berubah dalam arah yang berlawanan.

Silakan. Sirkuit yang dihasilkan memberi kita gambaran tentang peran resistor. Resistor kolektor R1 dan R2 adalah beban transistor. Peran mereka adalah untuk memberi daya pada sirkuit yang terhubung ke sirkuit kami sebagai sumber sinyal kontrol. Jadi, resistansi mereka harus sedemikian rupa sehingga arus yang mengalir melaluinya cukup untuk mengaktifkan sirkuit beban input. Dalam kasus khusus ini, beban adalah gerbang transistor MOS, yang memiliki banyak impedansi input megaohms.

Dalam lembar data, biasanya tidak ditunjukkan resistansi input, tetapi arus kebocoran gerbang pada tegangan yang diberikan. Dari arus ini, Anda dapat menentukan resistensi ohmik isolasi gerbang dan dioda pelindung. Misalnya, untuk transistor IRF5305, arus bocor tidak lebih dari 100 nano-ampere pada tegangan 20 volt dinyatakan. Perhitungan sederhana memberi kita impedansi input minimal 200 megohms.

Dengan resistansi input konsumen yang demikian, akan dimungkinkan untuk menggunakan resistor beban resistansi sangat tinggi, sehingga mengurangi konsumsi intrinsik transistor ke level nanoampere. Namun, lebih baik untuk tidak "menggedor" terlalu banyak, karena sirkuit impedansi tinggi menjadi sensitif terhadap berbagai pickup. Dan selain itu, dengan arus kolektor sub-mikroampere, gain dari transistor bipolar berkurang. Resistansi beban yang paling tepat dalam kasus ini dapat dianggap ratusan kOhm. Ini adalah resistensi optimal dari sudut pandang keandalan, dan pada saat yang sama cukup tinggi dari sudut pandang efisiensi.

Dengan resistor kolektor beres. Sekarang mari kita beralih ke resistor bias Rs. Apa yang tergantung pada penolakannya? Arus kolektor awal, yaitu arus dari rangkaian seimbang sepenuhnya, bergantung padanya. Selain itu, arus ini tergantung pada nilai yang dipilih sebelumnya dari resistor beban, dan pada gain dari transistor. Jadi apa nilai optimal dari perlawanan ini? Dan seperti itu, di mana mode dari transistor akan berada pada titik paling tidak stabilitas.

Memang, semakin sederhana rangkaian cocok untuk pengaruh faktor-faktor yang tidak seimbang, semakin tinggi sensitivitasnya terhadap sinyal input yang diperoleh. Karena itu, jika tidak ada sinyal input, transistor tidak boleh sepenuhnya terbuka atau tertutup sepenuhnya, mereka harus dalam kondisi sedang.

Analogi dengan penyeimbang ayunan yang paling sederhana sesuai di sini. Jika ayunan seperti itu berada dalam keseimbangan, maka paling mudah untuk mengeluarkannya dari kondisi ini: dorongan ringan, dan mereka condong ke arah yang benar. Tetapi jika mereka sudah miring oleh beban di salah satu pundak, mengeluarkan dari keadaan stabil seperti itu membutuhkan upaya yang cukup besar.

Oleh karena itu, resistansi terbaik Rs adalah sedemikian sehingga tegangan pada kolektor transistor kira-kira sama dengan setengah dari tegangan suplai. Kondisi ini tidak perlu dianggap secara harfiah dan menerima resistensi terhadap ohm. Selain itu, untuk mengurangi arus operasi, sangat dapat diterima untuk secara sadar meningkatkan Rs sehingga tegangan pada pengumpul sekitar 5 volt lebih rendah dari tegangan suplai. Ini akan meninggalkan margin yang cukup untuk kontrol saklar daya yang andal, tetapi pada saat yang sama akan meminimalkan arus di semua sirkuit, dan karenanya konsumsi sirkuit.

Untuk mengontrol volume MOSFET daya modern, tegangan harus diterapkan ke gerbangnya, tidak kurang dari apa yang dinyatakan dalam garis "Gerbang ambang tegangan" lembar data. Untuk transistor modern tipikal, tegangan ini 3-4 volt, maka nilai yang dipilih 5 volt, yang dijamin akan cukup untuk sepenuhnya membuka transistor dengan sinyal input minimum.

Sedangkan untuk peringkat Rs tertentu, percobaan skala penuh menunjukkan bahwa, misalnya, untuk perakitan BC807DS, resistansinya harus sekitar 5 MΩ. Untuk transistor lain, nilai ini mungkin berbeda, tetapi ada faktor lain yang berperan di tangan kita dan mengurangi kebutuhan akan pemilihan resistensi yang bagus.

Faktanya adalah bahwa dalam rangkaian nyata, ketika arus mulai mengalir melalui saklar daya, yang membuat sirkuit keluar dari kesetimbangan, tegangan gerbang akan mulai berubah, yang berarti bahwa hambatan saluran juga akan mulai berubah. Dan umpan balik ini menguat di alam, ketika penurunan tegangan pada saluran menyebabkan ketidakseimbangan sirkuit, yang mengubah tegangan gerbang sehingga resistansi saluran berubah bahkan lebih, yang mengarah ke distorsi yang lebih parah. Dan itu terus berlanjut sampai mencapai posisi ekstrim di mana saklar daya tidak lagi merespons dengan mengubah resistansi saluran untuk mengubah tegangan gerbang. Namun, jika gain dari transistor cukup besar, maka prosesnya berlangsung sampai tegangan suplai tercapai atau nol (tergantung pada rasio tegangan pada poin 1 dan 2).

Dengan demikian, skema nyata, yang dapat ditarik dengan mempertimbangkan hal di atas, dapat memiliki bentuk berikut:


Dan dalam bentuk ini, sangat jarang ditemukan di situs yang dikhususkan untuk elektronik. Namun, kami mulai dengan skema lain yang sepenuhnya berfungsi, yang lebih sederhana dan lebih umum. Apa yang membedakan kedua opsi ini? Mari kita kembali sejenak ke prototipe, yang memulai analisis terperinci.


Apa yang berlebihan dalam skema ini? Untuk alasan bahwa kami melepas tegangan kontrol untuk gerbang sakelar daya dari kolektor salah satu transistor (titik OUT2), tegangan pada kolektor kedua (OUT1) tidak mengganggu kami sama sekali. Dan untuk alasan bahwa ada atau tidak adanya arus kolektor kecil memiliki efek yang sangat lemah pada karakteristik tegangan-arus dari persimpangan emitor, resistor beban R1 dapat dengan aman dilepas dari rangkaian. Dan agar terminal kolektor T1 tidak menjuntai di udara dan tidak mengumpulkan pickup, lebih baik untuk menghubungkannya ke pangkalan T1 (meskipun ini tidak perlu, rangkaian bekerja dengan sempurna dengan keluaran kolektor yang sobek).


Skema terakhir mengambil bentuk yang sangat akrab:


Selain itu, saya secara khusus menyimpan lokasi resistor seperti pada prototipe, untuk menekankan fakta bahwa resistor ini melakukan fungsi yang sama sekali berbeda. Ini tidak jelas dalam diagram asli, tetapi jelas terlihat di sini, terutama setelah semua penjelasan dan perhitungan. Resistor kiri adalah resistor bias Rs, dan kanan adalah resistor beban R2 dari rangkaian prototipe. Mereka bukan sesuatu yang tidak boleh persis sama (seperti yang dipikirkan oleh beberapa penulis), nilai-nilai mereka umumnya saling berhubungan secara tidak langsung dan dalam kasus umum bahkan tidak diharuskan memiliki aturan umum.

Itulah sebabnya tidak perlu menggunakan rakitan resistor atau resistor toleransi rendah diskrit di tempat ini.

Dan juga dari skema ini, berarti perangkat menerima daya dari titik 2, dan titik 1 hanyalah sumber sinyal input. Jadi, ketika tegangan hanya ada di titik 2, daya disuplai langsung, dan jika hanya di titik 1, maka pertama daya disuplai melalui dioda teknologi dari transistor daya, dan kemudian, ketika sirkuit bangun dan mulai bekerja, itu sudah melalui saluran terbuka.

Perangkap №1

Kami menemukan prinsip operasi dan peringkat, hasil pada diagram:


Dalam bentuk inilah skema tersebut banyak direkomendasikan di berbagai forum, tetapi ada beberapa nuansa yang sangat membatasi penerapan praktisnya. Masalah pertama adalah salah satu parameter transistor bipolar, yang tidak lazim diingat dalam sebagian besar aplikasi praktis. Ini dia:


Ternyata tegangan balik maksimum dari persimpangan emitor pada kebanyakan transistor daya rendah adalah satuan volt, dan inilah yang mengancam sirkuit kami. Jika ada tegangan hanya pada titik 2, dan titik 1 terhubung ke tanah melalui resistansi kecil (catu daya de-energik berperilaku seperti itu), maka arus dari titik 2 melewati persimpangan emitor bias maju T2 ke persimpangan emitor bias bias T1, di belakang yang hampir ada tanah . Artinya, hampir semua tegangan titik 2 diterapkan pada persimpangan emitor T1.


Dan di sini hal yang paling menarik terjadi. Jika tegangan pada titik 2 di atas maksimum yang diizinkan, maka persimpangan emitor T1 memasuki mode longsoran, dan dengan nilai RL yang cukup kecil, transistor akan gagal.

Dengan demikian, operasi yang dapat diandalkan dari sirkuit ini hanya dimungkinkan pada tegangan operasi yang tidak lebih tinggi dari apa yang dinyatakan dalam lembar data untuk transistor yang dipilih, mis. dalam praktiknya, tidak lebih dari 5-8 volt. Bahkan sumber 12 volt secara resmi tidak dapat lagi dihubungkan ke rangkaian seperti itu.

Omong-omong, ini adalah fakta yang menarik. Saya mencoba beberapa rakitan dari berbagai jenis, yang menyatakan tegangan persimpangan emitor maksimum dari 5 hingga 8 volt, dan semuanya menunjukkan tegangan longsoran salju longsor sebanyak 12-13 volt. Namun, Anda tidak boleh mengandalkan ini dalam skema praktis, bukan karena mereka mengatakan bahwa spesifikasi ditulis oleh asap dari komponen yang terbakar.

Jika Anda perlu mengganti tegangan yang relatif tinggi, maka transistor T1 perlu perlindungan. Cara termudah untuk melakukan ini adalah dengan memperkenalkan resistensi tambahan yang akan membatasi arus balik melalui persimpangan.


Resistor ini akan menimbulkan beberapa ketidakseimbangan dalam rangkaian, namun, dengan alasan bahwa resistansinya cukup kecil dibandingkan dengan resistansi bias, efeknya akan minimal dan tidak terlihat dalam praktiknya. Selain itu, arus bocor kecil akan mengalir melalui resistor ini dari titik 2 ke titik 1, yang akan membuat dioda kita tidak ideal seperti yang kita inginkan. Tapi di sini kita harus berkompromi.

Beberapa penulis (beberapa yang menyadari perlunya perlindungan) mengusulkan tambahan melindungi persimpangan emitor menggunakan dioda yang terhubung langsung.


Dioda ini memungkinkan Anda untuk tidak mencapai nilai tegangan ambang sama sekali, membatasi ke besarnya drop langsung, yaitu, kurang dari satu volt.

Namun, menurut pendapat saya yang sederhana, dioda pemain biola tidak diperlukan. Faktanya adalah bahwa longsoran salju untuk setiap persimpangan pn adalah mode operasi yang sepenuhnya normal dan tidak perlu menghadapinya.

Pepatah lama berbunyi: itu bukan tegangan yang membunuh, arus yang membunuh . Dan ini tidak hanya berlaku untuk kasus sengatan listrik. Dengan dioda dan transistor, situasinya mirip. Kerusakan longsor itu sendiri sepenuhnya dapat dibalik dan secara rutin digunakan, misalnya, dalam dioda zener. Dan kemasyhuran mengakar padanya karena fakta bahwa di sirkuit daya fenomena ini biasanya disertai dengan peningkatan yang tidak terkendali dalam arus yang mengalir melalui transisi, pemanasan yang kuat, dan kerusakan termal yang sudah ireversibel yang mengikutinya.

Perangkap №2

Jika Anda berencana untuk menggunakan sirkuit pada tegangan sekitar 12 volt, maka semuanya dapat dibiarkan apa adanya dan nikmati. Tetapi situasi dalam kehidupan berbeda dan cepat atau lambat tegangan mungkin berubah menjadi lebih tinggi, misalnya 24-27 volt, seperti pada jaringan on-board mobil besar.

Dan di sini satu lagi batasan muncul, yang juga tidak sering perlu diingat ketika merancang sirkuit tegangan rendah. Faktanya adalah bahwa gerbang MOSFET dipisahkan dari saluran oleh film oksida tertipis. Ketebalannya menentukan sifat transfer transistor dan dalam praktiknya jumlah unit atom silikon oksida. Secara alami, kekuatan dielektrik dari dielektrik yang tipis sangat rendah. Mari kita melihat ke dalam lembar data "fieldman" kuat yang khas.


Di sini kita melihat bahwa tegangan marginal yang kedua adalah 20 volt. Dan sekarang lagi, lihatlah sirkuit terakhir perangkat kita dan pikirkan apa yang akan terjadi ketika transistor T2 benar-benar tertutup. Dalam hal ini, gerbang transistor efek medan melalui R2 akan di-ground. Dan karena hambatan gerbang, seperti yang kami temukan di atas, ada di urutan ratusan megaohm, potensi didistribusikan sehingga hampir semua tegangan suplai akan diterapkan pada isolasi gerbang.

Saat ditenagai di atas 20 volt, kami berisiko rusaknya sakelar sakelar daya. Untuk mencegah hal ini terjadi, Anda perlu membatasi voltase antara sumber dan gerbang ke nilai yang dapat diterima. Cara termudah untuk melakukan ini adalah dengan dioda zener, yang shunts sumber dan keluaran gerbang.


Dalam hal ini, bahkan jika transistor T2 benar-benar tertutup, dioda zener akan mengambil kelebihan arus, dan tegangan gerbang akan terbatas pada tegangan stabilisasi D1. Itulah sebabnya tegangan stabilisasi harus berada dalam kisaran dari parameter “Gerbang Ambang Batas” ke “Gerbang ke Sumber Tegangan” parameter, dengan lekukan kecil, tentu saja.

Pada prinsipnya, dalam beberapa lembar data, sebagai bagian dari transistor MOS daya, sepasang dioda zener yang tidak aktif ditarik di antara gerbang dan sumber, yang, mungkin, dirancang untuk membatasi tegangan di gerbang. Jadi di sini, biarkan semua orang memutuskan sendiri, untuk mempercayai nasib transistor dari sirkuit pelindung bawaan, atau untuk melakukan lindung nilai sendiri.

« », , «», 100 , 25 150 .