Vidlákovo elektro 38. Spínání větších napětí procesorem

5. května 2013 v 6:12 | Petr |  Vidlákovo Elektro
Pod pojmem "Větší napětí" míním, že 5V procesorem spínáte 24V baterku. Pokud budete chtít spínat 380V motor - je nutno použít jiné obvody, které ale v robotech jen tak mít nebudete.

Takže tak jak "všechno tak nějak souvisí se vším" existují LOW side a HIGH side měření proudu, regulace proudu a samozřejmě i spínání proudu.
Takže LOW side spínání proudu snad ani nebudu probírat - nic jednoduššího neexistuje, samozřejmě i s tou nevýhodou, že spínáte zem spotřebiče - což nese komplikace, zejména pokud ze spotřebidče do procesoru vedou ještě další signály. Low side spínání je jednoduché, ale vhodně tak pro nějaká světla, LEDky, malý větráček, nebo jiný spotřebič, který už nikam dále není připojen. Samožejmě, že je tu i ta nevýhoda, že zkrat 24V svorky na zem je průšvih - protože to obchází spínací tranzistor.
Proto tu máme High SIDE spínání, které je na obrázku zapojeno s kombinací tranzistorů PNP a NPN aby napěťový úbytek na spínači byl minimální. Podobně jsou zapojeny i výstupní tranzistory v LOW Drop stabilizátorech. Přesto každé zapojení s bipolárními tranzistory má probém a to v proudu do báze spínacího tranzistoru. Pokud chcete spínat kolem 100 mA (což není nic moc) musí být proud do báze Q1 alespoň 5 mA a proud do báze Q2 alespoň 300 uA - hlavně těch 5 mA je hodně, pokud máte v robotu takových spínačů více (a to mít budete)
Proto je vhodné PNP tranzistor nahradit P-MOSFETEM, který v klidu pro své buzení nepotřebuje žádný proud jen napětí (proud potřebuje pro nabíjení a vybíjení kapacity GATE elektrody, ale to je jiná pohádka). Všimněte si že součástek nám ve schémátku nějak moc přibylo - tak si probereme co a jak. R1 omezuje proud do báze Q2 - R2, R3 tvoří dělič, na kterém se tvoří vhodné napětí pro GATE MOSFETU a navíc omezují proud tranzistorem Q2. Takhle by to fungovalo pro napětí pod 20V - MOSFETy mají ovšem jistou nectnost v podobě toho že snesou jenom omezené napětí mezi GATE a SOURCE - většinou 20V - taže při jistých napětích se dělič z R2 a R3 nedá dobře spočítat a musí se přidat ještě "ochranná" zenerova dioda D1, která v našem případě omezuje napětí GATE - SOURCE na 15V.
To už je trochu monstrum, tak se pokusíme o vidlácký přistup k věci a zkusíme některé součástky vynechat. Jak vidíte tak jsem oproti původnímu spínači ušetřil dva odpory - jak je to možné? Vím že vstup INPUT je z procesoru a že více než 5V na něm nikdy nebude - tak jsem kombinaci Q2 + R1 zapojil jako jednoduchý proudový zdroj, který dává (5V-0,7V) / 1000 ohm = 4,3 mA. Odpor R1 zároveň funguje jako proudová zpětná vazba, která ohromně zvyšuje vstupní odpor Q2, mohl jsem proto vynechat i odpor do jeho báze. Protože vím, že do kolektoru Q2 nepoteče nikdy více než 4,3 mA což Q1 v pohodě snese mohl jsem vynechat i ochranný odpor do jeho báze.
Aby nebylo chvále konec - díky zpětné vazbě přes R1 spíná celé zapojení mnohem rychleji, ale to při rychlostech spínání pod 1 MHz nemá význam - tudíž je to pro Vás nezajímavé.
Úplně stejně se dá zjednodušit i obvod s MOSFETEM, kde dokonce můžeme vynechat i ochrannou zenerovu diodu, protože víme, že celý proud 4,3 mA poteče přes R2 na kterém bude tutíž 3300 ohm * 4,3 mA = 14,2 V a větší napěťový rozdí na GATE MOSFETU nidky nebude.

Aby to nebyla taková idyla - zdroj konstantního proudu nabíjející GATE MOSFETu může způsobit pomalé spínání a tím přehřívání MOSFETU - vezměme tedy "vidlácký" zjednodušený vzorec pro nabíjení kodenzátoru
I * T = V * C
a zkusme spočítat jak dlouho se MOSFET bude otevírat. V je 14V C - kapacita gate může být i kolem 2 nF, I je 4,3 mA. Takže T = V * C / I tedy T = 14 * 2nF / 4,3 mA - vychází mi 6,5 uS (mikrosekundy) - což je spíše optimistický odhad který nepočítá s proudem přes R2 - tento čas není nic moc - dnes se MOSFETY spínají ve stovkách nanosekund, ale pro spínání párkrát za sekundu ( do 10 Hz ) to v pohodě vyhoví.

Jistě jste pochopili, proč tento článeček následuje ihned po proudových zdrojích - chtěl jsem naznačit k čemu se proudové zdroje dají použít. Samořejmě, že v budoucnosti probereme i další možnosti.

Dnes už zbývá jenom oblíbená rada pro brunety : Až budete balit Geeka - můžete se mu snažit přiblížit tím, že si opatříte mikinu s chemickým vzorcem LSD, pak ale nemáte jistotu, jestli se potenciální kořist kouká na mikinu a luští vzoreček, nebo na to co máte pod ní - takže halenka s volánky a výstřihem po "symfýzu" je prostě jistota.
 

1 člověk ohodnotil tento článek.

Komentáře

1 Žirafka Žirafka | 5. května 2013 v 9:00

Já tedy nechci remcat a díky za každou inspiraci, ale na druhém obrázku vidím tři odpory a na čtvrtém dva odpory. Ačkoli matematika není moje silná stránka, pořád mi vychází ušetřený jen jeden odpor a ne dva.

U verze s P-MOSFET je úspora součástek větší, ale stejně si myslím, že ochranná zenerka nemůže uškodit...

2 petr-kubac petr-kubac | 6. května 2013 v 19:34

[1]: Ajaj - jaxi jsem počítaal až jsem přepočítal - nicméně ANALOG DEVICES mají aplikační poznímku jak moje zapojení rozšířít rovnou na procesorem spínaný stabilizovaný zdroj - prostě se zapjí zenerka mezi Vout a emitor Q2 - její proud pak zvyšuje napětí na R1 a tím přívírá Q2

3 Roman Roman | E-mail | Web | 8. května 2013 v 12:32

Děkuji za vaše blogy. Jsou poučné a je vidět, že něktéré věci lze udělat jednoduše i když se tváří složitě. Pravidelně vaše stránky sleduji (a budu sledovat dále :-).

Komentáře jsou uzavřeny.


Aktuální články

Reklama