Alguns anos atrás, publiquei um artigo sob um título semelhante. Resumidamente, falei sobre o processo de desenvolver do zero um dispositivo que funciona como um "diodo ideal" para impedir que a bateria do buffer seja descarregada em uma fonte de alimentação desenergizada.

O dispositivo acabou sendo relativamente complexo, embora bastante econômico (o consumo atual ao usar a versão moderna do comparador LM393 foi de cerca de 0,5 mA). Os leitores chamaram a atenção para essa complexidade e, nos comentários, sugeriram outra versão do "diodo ideal", que parece uma ordem de magnitude mais simples. Para minha vergonha, naquela época eu não estava familiarizado com esse esquema, então decidi lidar com ele com mais detalhes na oportunidade. Depois de uma série de experimentos que começaram com uma simulação em computador e terminaram com uma placa de ensaio, verificou-se que, com sua aparente simplicidade, esse circuito é muito trivial, tanto do ponto de vista da compreensão de todos os processos que ocorrem nele quanto do ponto de vista das armadilhas que ele próprio possui esconde.


Em geral, trago à atenção outra versão da implementação do "diodo ideal", com uma descrição detalhada de suas características.

A versão canônica proposta nos comentários tem a seguinte forma:


Apenas quatro (ou cinco, dependendo de como você conta) e o "diodo ideal" está pronto. Tudo parece ser muito simples. No entanto, a primeira coisa que chama sua atenção é o uso de uma montagem em vez de transistores discretos convencionais. Pode parecer que esse é um capricho do autor dessa performance em particular. No entanto, depois de estudar outras opções, verifica-se que essa abordagem é usada em quase todos os esquemas encontrados na rede. Aqui chegamos à análise do princípio de operação deste esquema.

Princípio de operação

Para entender o princípio, é melhor começar a partir do momento em que todos os transitórios já estejam concluídos e a carga consome alguma corrente da fonte de alimentação. Essa corrente flui através do comutador e, devido à resistência diferente de zero do canal, a tensão no ponto 1 é um pouco mais alta que no ponto 2. Nesse caso, a corrente do ponto 1 passa pela junção do emissor T1 para o circuito base dos dois transistores e depois flui através de R1 para " a terra ". Como resultado, uma tensão igual à tensão de abertura da junção pn do emissor é estabelecida nas bases dos transistores. Porém, devido ao fato de o emissor T2 ter um potencial menor que o emissor T1, a corrente quase não flui através de sua base porque a tensão entre o emissor e a base é menor do que o necessário para abrir a junção. E como não há corrente de base, o T2 é fechado, a resistência do coletor-emissor é alta, o portão do interruptor de energia é aterrado através do R2, o que cria as condições para sua abertura. Como resultado, a corrente flui do ponto 1 ao ponto 2 através do canal aberto do interruptor de alimentação (e não apenas do diodo tecnológico) e a queda de tensão nesta seção é medida em milivolts.

Quando a fonte de alimentação é desenergizada, a tensão no ponto 1 se torna muito mais baixa do que no ponto 2. Ao mesmo tempo, a corrente pára de fluir através da junção emissora T1 e começa a fluir através da junção emissora T2, abrindo-a. Como resultado, a resistência do emissor-coletor do transistor T2 diminuirá bastante, o portão do interruptor será conectado à fonte e o canal será fechado.

Com base no exposto, uma condição necessária para a operação do circuito é a identidade dos transistores T1 e T2. Isto é especialmente verdade nas junções dos emissores de abertura de tensão. Em primeiro lugar, ele deve coincidir com uma precisão não pior que as unidades de milivolts e, em segundo lugar, qualquer uma de suas vibrações sob a influência do fator de temperatura deve ser síncrona para ambos os transistores.

É por isso que o uso de transistores discretos nesse circuito é inaceitável. Somente o vapor produzido no âmbito de um único ciclo tecnológico pode ser considerado bastante idêntico. E sua colocação em um substrato comum garante a conexão térmica necessária.

E ainda mais, a variante do circuito, que também pode ser encontrada na Internet, onde um diodo é usado em vez de um dos transistores, também não faz sentido.


Esse esquema com uma certa quantidade de sorte funcionará, mas simplesmente não há questão de confiabilidade aqui.

A propósito, alguns autores vão além, e além do conjunto do transistor, eles também usam resistores (ou resistores discretos com uma tolerância de 1% ou melhor), motivando isso pela necessidade de manter ainda mais a simetria do circuito. De fato, os resistores não precisam de uma seleção precisa, mas mais do que isso abaixo.

Mas mesmo?

A explicação acima do princípio de operação é bastante simplificada, fornece uma breve resposta à pergunta "como funciona", mas não fornece uma compreensão dos processos subjacentes que ocorrem no circuito e, em particular, não justifica a escolha dos valores dos elementos.

Portanto, se alguém estiver interessado nos detalhes, leremos mais e para quem o esquema prático é suficiente, basta rolar para baixo até a última imagem do artigo.

Para maior clareza, vamos primeiro virar o circuito, substituir os transistores PNP por NPNs mais familiares e, finalmente, torná-lo um pouco mais complicado, para que fique claro de onde veio a versão final.


Então, o que vemos aqui? Dois estágios simples de amplificação de acordo com o esquema OE e um circuito de polarização comum através do resistor Rs. Se os transistores forem iguais, a corrente que flui através do resistor de polarização será dividida igualmente entre as bases dos dois transistores e os abrirá levemente na mesma quantidade. Como resultado, as mesmas correntes fluem através dos resistores de terminação do coletor e as tensões de saída nos pontos OUT1 e OUT2 também serão iguais.

Agora voltemos aos nossos carneiros e lembre-se de que os emissores de transistores não estão conectados juntos, pelo contrário, uma diferença de potencial pode ocorrer entre eles igual à queda de tensão no canal aberto do interruptor de alimentação. Dada a magnitude da resistência do canal, a diferença de tensão entre os emissores pode variar de unidades a centenas de milivolts. É assim que parece em nosso diagrama.


Como resultado do viés, o emissor T2 é ligeiramente "mais alto acima do solo" do que o emissor T1, o que significa que a tensão Ube2 será menor que Ube1. Agora, vamos lembrar como é a característica de tensão de corrente da junção pn do emissor.


Se o ponto de operação estiver na região da inclinação máxima da característica, mesmo uma ligeira mudança na tensão aplicada leva a uma mudança muito forte na corrente de fluxo, ou seja, quanto menor a tensão de avanço, maior a resistência de transição equivalente.

Vamos olhar o diagrama novamente. A tensão na junção do emissor T2 diminuiu, sua resistência equivalente aumentou, o que significa que a corrente de polarização que flui através de Rs não é mais dividida simetricamente entre as bases dos transistores, mas flui principalmente através da junção do emissor T1. A partir disso, T1 abre e T2, respectivamente, fecha na mesma quantidade. A distribuição de correntes perde simetria e de alguma forma "distorce" o circuito. Além disso, o valor absoluto da polarização é igual ao coeficiente de transferência atual dos transistores (não no total, mas cada um separadamente, desde que os transistores sejam os mesmos).

Se invertermos a diferença de potencial dos emissores para o oposto, o circuito será igualmente polarizado na direção oposta: quanto maior a corrente do coletor de um transistor, menor o segundo e vice-versa. Como resultado, temos um espelho de corrente "reverso", onde, sob a influência de um sinal de entrada, ocorre uma mudança simetricamente oposta nas correntes nos braços do circuito.

O clássico espelho de corrente “direta” (como aqueles que fazem parte de amplificadores e comparadores operacionais) é diferente, pois, pelo contrário, sob a influência de duas grandezas de entrada unipolares, a corrente de um transistor muda em direções opostas.

Vá em frente. O circuito resultante nos dá uma idéia dos papéis dos resistores. Os resistores coletores R1 e R2 são a carga dos transistores. O papel deles é alimentar os circuitos conectados ao nosso circuito como fonte de um sinal de controle. Portanto, sua resistência deve ser tal que a corrente que flui através deles seja suficiente para ativar os circuitos de carga de entrada. Nesse caso em particular, a carga é a porta do transistor MOS, que possui muitas impedâncias de entrada de megaohms.

Nas folhas de dados, geralmente não é indicada a resistência de entrada, mas a corrente de fuga do portão em uma determinada tensão. A partir desta corrente, você pode determinar a resistência ôhmica do isolamento do gate e dos diodos de proteção. Por exemplo, para o transistor IRF5305, é declarada uma corrente de fuga de não mais de 100 nano-amperes a uma voltagem de 20 volts. Um cálculo simples nos fornece uma impedância de entrada de pelo menos 200 megaegohms.

Com essa resistência de entrada do consumidor, seria possível usar resistores de carga de alta resistência, reduzindo assim o consumo intrínseco de transistores para um nível de nanoampere. No entanto, é melhor não bater demais, porque os circuitos de alta impedância se tornam sensíveis a uma variedade de captadores. Além disso, com as correntes do coletor sub-microampere, o ganho do transistor bipolar diminui. A resistência de carga mais apropriada nesse caso pode ser considerada centenas de kOhm. Essa é a resistência ideal do ponto de vista da confiabilidade e, ao mesmo tempo, bastante alta do ponto de vista da lucratividade.

Com resistores de coletor resolvidos. Agora vamos para o resistor de polarização Rs. O que depende de sua resistência? As correntes iniciais do coletor, isto é, as correntes de um circuito totalmente equilibrado, dependem dele. Além disso, essas correntes dependem dos valores previamente selecionados dos resistores de carga e do ganho dos transistores. Então, qual é o valor ideal dessa resistência? E assim, em que os modos dos transistores estarão nos pontos de menor estabilidade.

Afinal, quanto mais simples o circuito se presta à influência de fatores de desbalanceamento, maior é sua sensibilidade ao sinal de entrada. É por isso que, na ausência de um sinal de entrada, os transistores não devem estar totalmente abertos ou completamente fechados, devem estar em um estado intermediário.

Uma analogia com os balanceadores de balanço mais simples é apropriada aqui. Se esse balanço estiver em equilíbrio, é mais fácil tirá-los desse estado: um leve empurrão, e eles se inclinam na direção certa. Mas se eles já estiverem distorcidos pela carga em um dos ombros, remover de um estado tão estável exige um esforço considerável.

Portanto, a melhor resistência Rs é tal que as tensões nos coletores dos transistores são aproximadamente iguais à metade da tensão de alimentação. Esta condição não precisa ser tomada literalmente e obter resistência a ohms. Além disso, para reduzir as correntes de operação, é perfeitamente aceitável aumentar Rs conscientemente, para que a tensão nos coletores seja cerca de 5 volts abaixo da tensão de alimentação. Isso deixará uma margem suficiente para um controle confiável do interruptor, mas ao mesmo tempo minimizará as correntes em todos os circuitos e, portanto, o consumo do circuito.

Para controlar um volume MOSFET de energia moderno, uma tensão deve ser aplicada ao seu portão, não menos do que o indicado na linha "Tensão limite do portão" da folha de dados. Para um transistor moderno típico, essa tensão é de 3-4 volts, daí o valor selecionado de 5 volts, que é garantido o suficiente para abrir completamente o transistor com um sinal de entrada mínimo.

Quanto à classificação específica de Rs, o experimento em larga escala mostrou que, por exemplo, para a montagem do BC807DS, sua resistência deve ser de aproximadamente 5 MΩ. Para outros transistores, esse valor pode diferir, mas há outro fator que afeta nossas mãos e reduz a necessidade de uma boa seleção de resistências.

O fato é que, em um circuito real, quando uma corrente começa a fluir através do interruptor, o que desequilibra o circuito, a tensão do portão começa a mudar, o que significa que a resistência do canal também começa a mudar. E esse feedback é amplificador por natureza, quando a queda de tensão no canal leva a um desequilíbrio do circuito, que altera a tensão do portão, de modo que a resistência do canal muda ainda mais, o que leva a ainda mais distorção. E assim continua até atingir a posição extrema em que o interruptor de energia não responde mais, alterando a resistência do canal e alterando a tensão do portão. No entanto, se o ganho do transistor for grande o suficiente, o processo continuará até que a tensão de alimentação seja atingida ou zero (dependendo da razão de tensões nos pontos 1 e 2).

Assim, o esquema real, que pode ser desenhado considerando o exposto acima, pode ter a seguinte forma:


E dessa forma, raramente é encontrado em sites dedicados à eletrônica. No entanto, começamos com outro esquema completamente funcional, que é mais simples e mais comum. O que distingue essas duas opções? Vamos voltar por um curto período de tempo ao protótipo, que iniciou uma análise detalhada.


O que é supérfluo nesse esquema? Pelo motivo de removermos a tensão de controle do gate do interruptor de energia do coletor de um dos transistores (ponto OUT2), a tensão no coletor do segundo (OUT1) não nos incomoda. E pelo motivo de a presença ou ausência de uma pequena corrente de coletor ter um efeito muito fraco sobre a característica de tensão de corrente da junção do emissor, o resistor de carga R1 pode ser removido com segurança do circuito. E para que o terminal do coletor T1 não fique pendurado no ar e não colete os captadores, é melhor conectá-lo à base do T1 (embora isso não seja necessário, o circuito funciona perfeitamente com uma saída do coletor rasgada).


O esquema final assume uma forma dolorosamente familiar:


Além disso, mantive especificamente a localização dos resistores como no protótipo, para enfatizar o fato de que esses resistores desempenham funções completamente diferentes. Isso não é óbvio no diagrama original, mas é claramente visível aqui, especialmente depois de todas as explicações e cálculos. O resistor esquerdo é o resistor polarizado Rs e o direito é o resistor de carga R2 do circuito do protótipo. Eles não são algo que não deva ser exatamente o mesmo (como alguns autores pensam), seus valores geralmente são interconectados de maneira muito indireta e, no caso geral, nem mesmo precisam ter uma ordem geral.

É por isso que não há necessidade de usar um conjunto de resistores ou resistores discretos de baixa tolerância neste local.

E também a partir desse esquema, o dispositivo recebe energia do ponto 2, e o ponto 1 é apenas uma fonte de sinal de entrada. Assim, quando a tensão está presente apenas no ponto 2, a energia é fornecida diretamente e, se apenas no ponto 1, primeiro a energia é fornecida através do diodo tecnológico do transistor de potência e, em seguida, quando o circuito acorda e começa a funcionar, já é através de um canal aberto.

Armadilha №1

Descobrimos o princípio de operação e as classificações, o resultado no diagrama:


É dessa forma que o esquema é amplamente recomendado em vários fóruns, mas há algumas nuances que limitam bastante sua aplicação prática. O primeiro problema é um parâmetro dos transistores bipolares, que não é habitual lembrar nas aplicações mais práticas. Aqui está:


Acontece que a tensão reversa máxima da junção do emissor da maioria dos transistores de baixa potência é unidades de volts, e é isso que ameaça nosso circuito. Se houver tensão apenas no ponto 2, e o ponto 1 estiver conectado ao terra através de uma pequena resistência (a fonte de energia desenergizada se comporta exatamente assim), a corrente do ponto 2 passa pela junção de emissor polarizado para a frente T2 até a junção do emissor polarizado para trás T1, atrás da qual há quase terra. . Ou seja, quase toda a tensão do ponto 2 é aplicada à junção do emissor T1.


E aqui a coisa mais interessante acontece. Se a tensão no ponto 2 estiver acima do máximo permitido, a junção do emissor T1 entra no modo de avalanche e, com um valor suficientemente pequeno de RL, o transistor simplesmente falha.

Assim, a operação confiável deste circuito é possível apenas em tensões operacionais não superiores às indicadas na folha de dados para o transistor selecionado, ou seja, na prática, não é superior a 5-8 volts. Mesmo uma fonte de 12 volts formalmente não pode mais ser conectada a esse circuito.

Aqui, a propósito, é um fato interessante. Tentei várias montagens de tipos diferentes, que declaravam a tensão máxima de junção de emissor de 5 a 8 volts, e todas mostravam uma tensão de ruptura de avalanche de 12 a 13 volts. No entanto, você não deve confiar nisso em esquemas práticos, não é à toa que eles dizem que as especificações são escritas pela fumaça dos componentes queimados.

Se você precisar trocar uma voltagem relativamente alta, o transistor T1 precisará de proteção. A maneira mais fácil de fazer isso é simplesmente introduzindo resistência adicional que limitará a corrente reversa através da junção.


Este resistor apresentará algum desequilíbrio no circuito, no entanto, pelo fato de sua resistência ser muito pequena em comparação com a resistência do resistor de polarização, o efeito será mínimo e não será percebido na prática. Além disso, uma pequena corrente de fuga fluirá através desse resistor do ponto 2 para o ponto 1, o que tornará nosso diodo não tão ideal quanto gostaríamos. Mas aqui temos que fazer alguns compromissos.

Alguns autores (os poucos que perceberam a necessidade de proteção) propõem adicionalmente a proteção da junção do emissor usando um diodo diretamente conectado.


Esse diodo permite que você não atinja o valor limite da tensão, limitando-o à magnitude da queda direta, ou seja, menos de um volt.

No entanto, na minha humilde opinião, não é necessário um diodo violinista . O fato é que a decomposição de avalanches para qualquer junção pn é um modo de operação completamente normal e não há necessidade de lidar com isso.

Diz um velho ditado: não é a tensão que mata, a corrente que mata . E isso se aplica não apenas ao caso de choque elétrico. Com diodos e transistores, a situação é semelhante. A quebra da avalanche em si é completamente reversível e é usada rotineiramente, por exemplo, em diodos zener. E a notoriedade estava entrincheirada a ele devido ao fato de que, nos circuitos de potência, esse fenômeno geralmente é acompanhado por um aumento descontrolado da corrente que flui através da transição, forte aquecimento e a já irreversível quebra térmica que se segue a ele.

Armadilha №2

Se você planeja usar o circuito em voltagens de cerca de 12 volts, tudo pode ficar como está e desfrutar. Porém, as situações na vida são diferentes e, mais cedo ou mais tarde, a tensão pode se tornar mais alta, por exemplo, 24-27 volts, como na rede a bordo de carros grandes.

E aqui surge mais uma limitação, o que também não é necessário lembrar ao projetar circuitos de baixa tensão. O fato é que o portão MOSFET é separado do canal pelo filme de óxido mais fino. Sua espessura determina as propriedades de transferência do transistor e na prática equivale a unidades de átomos de óxido de silício. Naturalmente, a força dielétrica de um dielétrico tão fino é muito baixa. Vamos dar uma olhada na folha de dados de um poderoso "homem de campo" típico.


Aqui vemos que a tensão marginal do segundo é de 20 volts. E agora, novamente, olhe para o circuito final do nosso dispositivo e pense no que acontecerá quando o transistor T2 estiver completamente fechado. Nesse caso, a porta do transistor de efeito de campo através de R2 será aterrada. E como a resistência do portão, como descobrimos acima, é da ordem de centenas de megaohms, os potenciais são distribuídos para que quase toda a tensão de alimentação seja aplicada ao isolamento do portão.

Quando alimentados acima de 20 volts, temos o risco de quebra do obturador do interruptor de alimentação. Para impedir que isso aconteça, você precisa limitar a tensão entre a fonte e a porta para um valor aceitável. A maneira mais fácil de fazer isso é com um diodo zener, que evita as saídas de origem e de porta.


Nesse caso, mesmo se o transistor T2 estiver completamente fechado, o diodo zener absorverá a corrente excedente e a tensão do gate será limitada à tensão de estabilização D1. É por isso que a tensão de estabilização deve estar na faixa do parâmetro "Tensão limite de porta" a "Tensão porta a fonte", com pequenos recuos, é claro.

Em princípio, em algumas planilhas de dados, como parte de um transistor MOS de potência, um par on-off de diodos zener é desenhado entre o gate e a fonte, que, presumivelmente, foi projetada apenas para limitar a tensão no gate. Então, aqui, deixe todos decidirem por si mesmos, confiar no destino do transistor do circuito de proteção embutido ou se proteger por conta própria.

O dispositivo aqui obtido cumpre perfeitamente suas funções como um "diodo ideal", fornecendo uma resistência direta que corresponde totalmente ao "polo" de potência selecionado, uma resistência inversa de mais de 100 kOhm e seu próprio consumo a uma tensão de 25 volts, não superior a 150 μA.