Прекращаем ставить диод 2
Несколько лет назад мною была опубликована статья под аналогичным заголовком. Если кратко, то в ней я рассказал о процессе разработки с нуля устройства, выполняющего функции «идеального диода» для предотвращения разряда буферного аккумулятора на обесточенный блок питания.
Устройство получилось относительно сложным, хотя и довольно экономичным (ток потребления при использовании современной версии компаратора LM393 получился около 0.5 mA). Читатели обратили внимание на эту сложность и в комментариях предложили другой вариант «идеального диода», который выглядит на порядок более простым. К своему стыду, на тот момент я не был знаком с такой схемой, поэтому решил при удобном случае разобраться с ней подробнее. После серии экспериментов, которые начались с компьютерной симуляции, а закончились макетной платой, было выяснено, что при своей кажущейся простоте, эта схема очень нетривиальна как с позиции понимания всех протекающих в ней процессов, так и с точки зрения подводных камней, которые она в себе таит.
В общем, предлагаю вашему вниманию другой вариант реализации «идеального диода» с подробным описанием его особенностей.
Канонический вариант, предложенный в комментариях, имеет вид, как на КДПВ.
Всего четыре (или пять, смотря как считать) деталей и «идеальный диод» готов. Вроде бы все очень просто. Однако первое, что бросается в глаза, это использование сборки вместо обычных дискретных транзисторов. Может показаться, что это прихоть автора данного конкретного исполнения. Однако после изучения других вариантов обнаруживается, что такой подход используется почти во всех схемах, которые можно найти в сети. Тут мы и подходим к разбору принципа действия этой схемы.
Для понимания принципа начинать лучше с момента, когда все переходные процессы уже завершены, и нагрузка потребляет некоторый ток от блока питания. Этот ток течет через ключ и из-за ненулевого сопротивления канала, напряжение в точке 1 немного больше, чем в точке 2. В этом случае ток из точки 1 через эмиттерный переход T1 попадает в цепь баз обоих транзисторов, а затем через R1 стекает на «землю». В результате на базах транзисторов устанавливается напряжение, равное напряжению открытия эмиттерного pn-перехода. Но из-за того, что эмиттер T2 находится под более низким потенциалом, чем эмиттер T1, ток через его базу почти не течет потому что напряжение между его эмиттером и базой меньше, чем необходимо для открытия перехода. А раз базового тока нет, то T2 закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор высокое, затвор силового ключа заземлен через R2, что создает условия для его открытия. Как итог, ток течет из точки 1 в точку 2 через открытый канал силового ключа (а не просто через технологический диод) и падение напряжения на этом участке измеряется милливольтами.
При обесточивании блока питания напряжение в точке 1 очень быстро станет ниже, чем в точке 2. При этом ток прекратит течение через эмиттерный переход T1 и вместо этого начнет протекать через эмиттерный переход T2, открывая его. В итоге сопротивление эмиттер-коллектор транзистора T2 сильно уменьшится, затвор силового ключа окажется соединенным с истоком, и канал будет закрыт.
Исходя из вышесказанного, необходимым условием работы схемы является тождественность транзисторов T1 и T2. Особенно это касается напряжения открытия эмиттерных переходов. Оно, во-первых, должно совпадать с точностью не хуже единиц милливольт, а во-вторых, любые его колебания под действием температурного фактора должны быть синхронными для обоих транзисторов.
Именно поэтому использование дискретных транзисторов в этой схеме недопустимо. Только изготовленная в рамках единого технологического цикла пара может считаться достаточно тождественной. А их размещение на общей подложке гарантирует необходимую температурную связь.
И уж тем более лишен смысла вариант схемы, который тоже можно найти на просторах интернета, где вместо одного из транзисторов используется диод.
Такая схема при определенном везении заработает, но ни о какой надежности работы тут речи просто не идет.
Кстати, некоторые авторы идут дальше, и кроме транзисторной сборки используют так же и резисторную (либо дискретные резисторы с допуском 1% или лучше), мотивируя это необходимостью дальнейшего соблюдения симметрии схемы. На самом деле резисторы совершенно не нуждаются в точном подборе, но об этом ниже.
Приведенное выше объяснения принципа действия является сильно упрощенным, оно дает краткий ответ на вопрос «как работает», но не дает понимания глубинных процессов, происходящих в схеме, и, в частности, никак не обосновывает выбор номиналов элементов.
Так что, если кому интересны подробности, то читаем дальше, а кому достаточно практической схемы, просто скрольте до последнего изображения статьи.
Для наглядности давайте сначала перевернем схему, заменим PNP-транзисторы более привычными NPN, и, наконец, немного усложним, чтобы было понятно, откуда вообще взялся конечный вариант.
Итак, что мы тут видим? Два простых усилительных каскада по схеме ОЭ и общая цепь смещения через резистор Rs. Если транзисторы одинаковые, то ток, текущий через резистор смещения, поровну разделится между базами обоих транзисторов и приоткроет их на одинаковую величину. В результате через коллекторные нагрузочные резисторы потекут одинаковые токи, и выходные напряжения в точках OUT1 и OUT2 будут тоже равны.
Теперь вернемся к нашим баранам и вспомним, что эмиттеры транзисторов не соединены вместе, напротив, между ними может возникать разность потенциалов, равная падению напряжения на открытом канале силового ключа. Учитывая величину сопротивления канала, разность напряжений между эмиттерами может составлять от единиц до сотен милливольт. Вот как это выглядит на нашей схеме.
В результате смещения эмиттер T2 оказывается немного «выше на землей», чем эмиттер T1, а значит напряжение Ube2 будет ниже, чем Ube1. Теперь вспомним, как выглядит ВАХ эмиттерного pn-перехода.
Если рабочая точка находится в области максимального наклона характеристики, то даже незначительное изменение приложенного напряжения ведет к очень сильному изменению протекающего тока, т.е. чем ниже прямое напряжение, тем больше эквивалентное сопротивление перехода.
Снова посмотрим на схему. Напряжение на эмиттерном переходе T2 уменьшилось, его эквивалентное сопротивление увеличилось, а значит ток смещения, текущий через Rs уже не разделяется симметрично между базами транзисторов, а течет преимущественно через эмиттерный переход T1. От этого T1 открывается, а T2, соответственно, закрывается на ту же величину. Распределение токов теряет симметрию и схему как-бы «перекашивает». Причем абсолютная величина перекоса равна коэффициенту передачи тока транзисторов (не суммарно, а каждого в отдельности, при условии, что транзисторы одинаковые).
Если мы перевернем разность потенциалов эмиттеров на обратную, схему аналогично перекосит в противоположную сторону: чем больше коллекторный ток у одного транзистора, тем меньше у второго и наоборот. В итоге имеем «обратное» токовое зеркало, где под влиянием одного входного сигнала происходит симметрично-противоположное изменение токов в плечах схемы.
Классическое «прямое» токовое зеркало (как те, что входят в состав операционных усилителей и компараторов) отличается тем, что в нем наоборот под влиянием двух однополярных входных величин в противоположные стороны изменяется ток одного транзистора.
Идем дальше. Полученная схема дает нам понятие о ролях резисторов. Коллекторные резисторы R1 и R2 являются нагрузкой транзисторов. Их роль — питание тех цепей, которые подключаются к нашей схеме, как к источнику управляющего сигнала. А значит, их сопротивление должно быть таким, чтобы протекающего через них тока было достаточно для активации входных цепей нагрузки. В данном конкретном случае нагрузкой является затвор MOS-транзистора, который имеет входное сопротивление многие мегаомы.
В даташитах обычно указывается не входное сопротивление, а ток утечки затвора при заданном напряжении. Из этого тока можно определить оммическое сопротивление изоляции затвора и защитных диодов. Например, для транзистора IRF5305 заявлен ток утечки не более 100 нано-ампер при напряжении 20 вольт. Простой подсчет дает нам величину входного сопротивления по меньшей мере 200 МОм.
При таком входном сопротивлении потребителя можно было бы использовать очень высокоомные нагрузочные резисторы, уменьшив таким образом собственное потребление транзисторов до субмикронных величин. Однако лучше не «шиковать» слишком сильно, потому что высокоимпедансные цепи становятся чувствительными к разнообразным наводкам. А кроме того, при субмикронных коллекторных токах падает коэффициент усиления биполярного транзистора. Наиболее уместным сопротивлением нагрузок в данном случае можно считать сотни кОм. Это оптимальное сопротивление с точки зрения надежности, и при этом достаточно высокое с позиции экономичности.
С коллекторными резисторами разобрались. Теперь перейдем к резистору смещения Rs. Что зависит от его сопротивления? От него зависят начальные токи коллекторов, то есть токи полностью сбалансированной схемы. Причем эти токи зависят и от выбранных ранее номиналов нагрузочных резисторов, и от коэффициента усиления транзисторов. Так какое же значение этого сопротивления все-таки будет оптимальным? А такое, при котором режимы транзисторов окажутся в точках наименьшей устойчивости.
Ведь чем проще схема поддается влиянию дисбалансирующих факторов, тем выше получается ее чувствительность ко входному сигналу. Именно поэтому в отсутствие входного сигнала транзисторы не должны быть полностью открытыми или полностью закрытыми, они должны быть в промежуточном состоянии.
Тут уместна аналогия с простейшими качелями-балансирами. Если такие качели находится в равновесии, то вывести их из этого состояния проще всего: легкий толчок, и они наклоняются в нужную сторону. А вот если они уже перекошены грузом на одном из плечей, выведение из такого устойчивого состояния требует значительных усилий.
Поэтому наилучшим сопротивлением Rs является такое, при котором напряжения на коллекторах транзисторов примерно равны половине питающего напряжения. Это условие не нужно воспринимать буквально и подбирать сопротивление до ома. Более того, для уменьшения рабочих токов вполне допустимо сознательно увеличить Rs так, чтобы напряжения на коллекторах было примерно на 5 вольт ниже питающего. Это оставит достаточный запас для надежного управления силовым ключом, но при этом до минимума уменьшит токи во всех цепях, а значит и потребление схемы.
Для управления современным силовым MOSFET-том на его затвор нужно подавать напряжение, не менее того, что заявлено в строке «Gate threshold voltage» даташита. Для типичного современного транзистора это напряжение равно 3–4 вольта, отсюда и выбранное значение 5 вольт, которого гарантировано хватит чтобы полностью открыть транзистор при минимальном входном сигнале.
Что касается конкретного номинала Rs, то натурный эксперимент показал, что, например, для сборки BC807DS его сопротивление должно быть примерно 5 MОм. Для других транзисторов эта величина может отличаться, но есть еще один фактор, который играет нам на руку и уменьшает необходимость в тонком подборе сопротивлений.
Дело в том, что в реальной схеме, когда через силовой ключ начнет идти ток, выводящий схему из равновесия, напряжение на затворе начнет изменяться, а значит, начнет изменяться и сопротивление канала. И вот эта обратная связь носит усиливающий характер, когда падение напряжения на канале приводит к дисбалансу схемы, от чего изменяется напряжение на затворе так, что сопротивление канала меняется еще сильнее, что ведет к еще большему перекосу. И так продолжается до достижения крайнего положения, в котором силовой ключ больше не реагирует изменением сопротивления канала на изменение напряжения затвора. Однако, если коэффициент усиления транзистора достаточно большой, то процесс идет дальше, вплоть до достижения напряжения питания или нуля (в зависимости от соотношения напряжений в точках 1 и 2).
Таким образом, реальная схема, которую можно нарисовать с учетом сказанного выше, может иметь такой вид:
И в таком виде она действительно изредка встречается на сайтах, посвященных электронике. Однако начинали мы с другой вполне рабочей схемы, которая и проще и встречается гораздо чаще. Что отличает эти два варианта? Давайте снова на короткое время вернемся к прототипу, с которого начинали подробный разбор.
Что в этой схеме лишнее? По той причине, что управляющее напряжение для затвора силового ключа мы снимает с коллектора одного из транзисторов (точка OUT2), напряжение на коллекторе второго (OUT1) нас совершенно не волнует. А по той причине, что наличие или отсутствие малого коллекторного тока весьма слабо сказывается на вольт-амперной характеристике эмиттерного перехода, нагрузочный резистор R1 спокойно можно удалить из схемы. А чтобы коллекторный вывод T1 не болтался воздухе и не собирал наводки, его лучше соединить с базой T1 (хотя делать это не обязательно, схема отлично работает и с оборванным выводом коллектора).
Итоговая схема принимает до боли знакомый вид:
Причем я специально сохранил расположение резисторов как в прототипе, чтобы подчеркнуть тот факт, что резисторы эти выполняют совершенно разные функции. Это не очевидно на КДПВ, зато хорошо видно здесь, особенно после всех объяснений и выкладок. Левый резистор — это резистор смещения Rs, а правый — нагрузочный резистор R2 из схемы прототипа. Они не то что не должны быть совершенно одинаковыми (как думают некоторые авторы), их номиналы вообще взаимосвязаны очень косвенно и в общем случае не обязаны даже иметь общий порядок.
Именно поэтому нет никакой надобности использовать в этом месте резисторную сборку или дискретные резисторы малого допуска.
А еще из этой схемы следует, что питание устройство получает из точки 2, а точка 1 — просто источник входного сигнала. Таким образом, когда напряжение присутствует только в точке 2, питание подается непосредственно, а если только в точке 1, то сначала запитка происходит через технологический диод силового транзистора, а затем, когда схема проснется и начнет работать, уже через открытый канал.
С принципом действия и номиналами разобрались, результат на схеме:
Именно в таком виде схему массово рекомендуют на разных форумах, но есть пара нюансов, которые сильно ограничивают ее практическое применение. Первая проблема заключается в одном параметре биполярных транзисторов, о котором не принято вспоминать в большинстве практических применений. Вот он:
Оказывается, что максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода большинства маломощных транзисторов составляет единицы вольт, и вот чем это грозит нашей схеме. Если напряжение есть только в точке 2, а точка 1 через небольшое сопротивление соединена с землей (как раз так себя ведет обесточенный блок питания), то ток из точки 2 через прямосмещенный эмиттерный переход T2 попадает на обратносмещенный эмиттерный переход T1, за которым уже почти земля. То есть почти все напряжение точки 2 оказывается приложено к эмиттерному переходу T1.
И вот тут и происходит самое интересное. Если напряжение в точке 2 выше предельно допустимого, то эмиттерный переход T1 входит в режим лавинного пробоя, и при достаточно малом значении RL, транзистор просто выходит из строя.
Таким образом, надежная эксплуатация этой схемы возможна только при рабочих напряжениях не выше, чем то, что заявлено в даташите на выбранный транзистор, т.е. на практике это не более 5–8 вольт. Даже 12-вольтовый источник формально уже не может быть подключен к такой схеме.
Тут кстати, интересный факт. Я перепробовал разные сборки, у которых заявлено максимальное напряжение эмиттерного перехода от 5 до 8 вольт, но все они без исключения выдерживали напряжение до 12–13 вольт. Однако не стоит на это рассчитывать в практических схемах, не зря же говорят, что техническая документация пишется кровью.
Если нужно коммутировать относительно высокое напряжение, то транзистор T1 нуждается в защите. Проще всего это сделать, просто внеся дополнительное сопротивление, которое ограничит обратный ток через переход.
Этот резистор внесет некоторый дисбаланс в схему, однако по той причине, что его сопротивление довольно мало по сравнению с сопротивлением резистора смещения, влияние будет минимальным и на практике не ощутимым. Кроме того, через этот резистор потечет небольшой ток утечки из точки 2 в точку 1, который сделает наш диод не таким идеальным, как хотелось бы. Но тут приходится идти на некоторый компромисс.
Некоторые авторы (те немногие, которые осознали саму необходимость защиты) предлагают дополнительно оградить эмиттерный переход при помощи прямо включенного диода.
Этот диод позволяет вообще не достигать порогового значения напряжения, ограничив его величиной прямого падения, то есть менее одного вольта.
Однако по моему скромному мнению, скрипач диод не нужен. Дело в том, что лавиный пробой для любого pn-перехода является совершенно нормальным режимом работы и с ним не нужно бороться.
Старая поговорка гласит: убивает не напряжение, убивает ток. И это относится не только к случаю поражению человека электрическим током. С диодами и транзисторами ситуация аналогичная. Лавинный пробой сам по себе полностью обратим и штатным образом используется, например, в стабилитронах. А дурная слава закрепилась за ним из-за того, что в силовых схемах это явление как правило сопровождается неконтролируемым ростом тока, протекающего через переход, сильным нагревом, и следующим за ним уже необратимым тепловым пробоем.
Если схему планируется использовать при напряжениях около 12 вольт, то все можно оставить как есть и наслаждаться. Но ситуации в жизни бывают разные и рано или поздно напряжение может оказаться и выше, например 24–27 вольт, как в бортовой сети больших автомобилей.
И вот тут всплывает еще одно ограничение, о котором тоже не часто приходится вспоминать при проектировании маловольтажных схем. Дело в том, что затвор MOSFET отделен от канала тончайшей оксидной пленкой. Ее толщина определяет передаточные свойства транзистора и на практике составляет единицы атомов оксида кремния. Естественно, что электрическая прочность такого тонкого диэлектрика оказывается весьма невысокой. Заглянем в даташит типового мощного «полевика».
Тут мы видим, что предельное напряжение завтора — 20 вольт. А теперь снова посмотрим на конечную схему нашего устройства и подумаем, что будет, когда транзистор T2 окажется полностью закрыт. В этом случае затвор полевого транзистора через R2 окажется заземлен. А так как сопротивление затвора, как мы выяснили выше, имеет порядок сотен мегаом, потенциалы распределятся так, что почти все напряжение питания будет приложено к изоляции затвора.
При питании напряжением выше 20 вольт получаем риск пробоя затвора силового ключа. Чтобы этого не произошло, нужно как-то ограничить напряжение между истоком и затвором до допустимой величины. Проще всего сделать это при помощи стабилитрона, шунтирующего выводы истока и затвора.
В этом случае даже если транзистор T2 окажется полностью закрыт, излишний ток возьмет на себя стабилитрон, и напряжение на затворе ограничится напряжением стабилизации D1. Именно поэтому напряжение стабилизации должно быть в диапазоне от параметра «Gate Threshold Voltage» до «Gate-to-Source Voltage», с небольшими отступами, конечно же.
В принципе, в некоторых даташитах в составе силового MOS-транзистора рисуют встречно-последовательную пару стабилитронов между затвором и истоком, которая, надо полагать, как раз и предназначена для ограничения напряжения на затворе. Так что тут каждый пусть решает сам, доверять судьбу транзистора встроенной защитной цепи, или же подстраховаться собственными силами.
Полученное тут устройство отлично выполняет свои функции «идеального диода», обеспечивая прямое сопротивление, полностью соответствующее выбранному силовому «полевику», обратное сопротивление более 100 кОм, и собственное потребление при напряжении 25 вольт не более 150 мкА.
