Блог

Sep 30, 2023

Изучите и создайте переключатель высокого уровня

Как инженер-электронщик, у меня есть мысленная коллекция схем, которые я придумал.

Как инженер-электронщик, у меня есть мысленная коллекция схем, которую я собирал на протяжении многих лет, подобно тому, как механик собирает специализированные инструменты во время работы. Все инженеры делают это, и инструменты в их ящиках для инструментов обычно отражают историю и широту их проекта.

Полезной схемой, которую следует иметь в наборе инструментов проектировщика, является «переключатель высокого уровня». Как бы это ни звучало, это схема, которая переключает «высокую сторону» или положительное напряжение на нагрузку.

Обычно мы склонны переключать устройства на землю, как это видно по таким выходам, как выход с открытым коллектором, причина в том, что земля обычно представляет собой известный объект, обычно имеет низкий импеданс и находится под известным напряжением. Но использование переключателя верхнего плеча в ваших цепях имеет свои преимущества.

Переключение верхней стороны связано с большим количеством неизвестных, чем нижняя сторона; входное напряжение, необходимое выходное напряжение и сопротивление источника напряжения практически все являются переменными. Чаще всего нам также необходимо представить выход с низким импедансом, что означает, что сопротивление самого ключа верхнего плеча не образует делитель напряжения с нагрузкой, где на переключателе падает значительное напряжение.

Например, мы могли бы сделать переключатель на стороне высокого напряжения с помощью реле, и иногда это все еще делается. Обычно свойства использования тока, допустимый ток, напряжение катушки, стоимость и размер противоречат друг другу.

Если мы используем стандартный транзистор, то само собой разумеется, что нам придется жить с каким-то падением напряжения. С одной стороны, это означает, что мы не можем получить выходное напряжение 5 В от источника 5 В, поскольку при этом мы обычно теряем 0,3 В. При больших токах рассеиваемая мощность также быстро выходит из-под контроля.

Используя полевой транзистор (FET), мы можем использовать некоторые из его лучших качеств для переключения. Чтобы сузить выбор полевого транзистора, который мы будем использовать, мы можем начать с того, что нам нужна часть, которая обычно выключена и должна быть включена путем подачи управляющего напряжения, то есть нам нужен полевой транзистор в режиме улучшения. Затем мы решаем, хотим ли мы управлять устройством, используя напряжение, большее, чем напряжение, которое мы переключаем (если доступно), или меньшее, чем напряжение. Например, если мы хотим включить напряжение 5 В, хотим ли мы сделать это, используя 8 В или более или 4 В или менее? В приведенном здесь примере мы хотим включить переключатель высокого напряжения без дополнительного напряжения, на самом деле заземление сигнала несколько привлекательно. Таким образом, нашим выбором остается полевой транзистор расширения P-канала.

Характеристики любой детали могут быть широкими и разнообразными, поэтому мы начнем с поиска нескольких важных параметров. В коммутационных приложениях, в отличие от приложений с линейным усилителем звука, важно низкое сопротивление стока к источнику при включении. Этот параметр известен как сопротивление стока при включении источника или RDS(ON), и его полезная часть обычно измеряется в миллиомах. Используя закон Ома, можно быстро сказать, что при силе тока в один Ампер падение напряжения в миллиомах составит милливольты.

Далее мы хотим убедиться, что мы можем включить деталь при имеющемся у нас напряжении. Это соответствует спецификации напряжения от затвора до порога источника VGS(thresh). VGS (порог) -1 В означает, что если мы хотим переключить 3,3 В, нам нужно понизить напряжение на затворе как минимум на 1 В ниже 3,3 В. Использование транзистора или устройства с открытым коллектором обычно позволяет получить сигнал в пределах 0,3–0,5 В от напряжения. заземление, в этом случае достаточно места для переключения 2,5 В с помощью детали с VGS (порогом) в вольт или около того.

Глядя на характеристики нескольких устройств, показанных в таблице, мы видим множество компромиссов. Если мы выберем меньшие корпуса TO-92, мы получим большие, непригодные для использования в нашем случае значения RDS(ON) в ом или больше. Если мы выберем слишком маленькое значение RDS(ON), цена увеличится в четыре раза. Другие детали имеют слишком большой VGS (обмолот), но на самом деле найти детали, которые можно было бы использовать для показанного здесь проекта, было не так уж сложно.

Для тех, кто хочет заглянуть под крышку, причина, по которой корпус большего размера, такой как TO-220, имеет более низкое сопротивление во включенном состоянии, заключается в том, что в корпусе находится кристалл чипа большего размера. Чипсет большего размера имеет большую площадь поверхности, что обеспечивает меньшее сопротивление. Тот факт, что мы используем устройство с P-каналом, означает, что нам также нужна большая площадь поверхности, поскольку устройства с P-каналом обычно менее эффективны, чем устройства с N-каналом, поскольку они используют «дырки» для своего носителя вместо электронов. Самое простое утверждение состоит в том, что подвижность дырок меньше подвижности электронов.