Sorozatkezdet

Ez a sorozat első része. Úgy gondoltam, hogy az egyperces műfaj keretein belül, alap tippek-trükkök időben rettenetesen szétszórt sorozatát hozom létre. A mai napig kapok köszönő levelet az egyszerű áramgenerátorokat ismertető nagyon alap cikk kapcsán, így azt a következtetést vontam le, hogy szükséges egy percben sorra venni pár egyszerű, mindennapi tervezésben használt műszaki megoldást. Ennek első része a polaritásvédelem, azon belül is a nagyobb áramokra (>1A) is alkalmas, takarékos megoldás.

Olyan megoldásokat igyekszem sorra venni, melyek megállják a helyüket a 21. századi tervezési elvek mentén is. Azaz ügyelnek az EMC-re, energiahatékonyak, olcsók, strapabírók. Lesz benne jópofa IC ajánlótól kezdve alapismereten át, minden, ami épp eszembe jut, vagy amit kértek.

Egyfajta küldetésem, hogy ha teljesítményelektronika felé visz az utam, ott a lehető legenergiahatékonyabb, legalacsonyabb hulladékhőjű megoldást válasszam. Ha tömegtermék tervezése a cél, akkor a legötletesebb és legolcsóbb megoldást válasszam, ha pedig ipari szektor a cél, akkor a legstrapabíróbb megoldás kerüljön ki győztesen. Ezekből adok egy kis ízelítőt ebben a cikksorozatban.

Miért egyperces? Mert Örkény.
Miért csak ennyi? Mert úgy is mindenki rohan. Ennyi mindenkinek belefér.

A polaritásvédelem

Mindenki ismeri a hagyományos, soros diódával megvalósított polaritásvédelmeket. Fontos dolog a polaritásvédelem, mert első bástyája a védelemnek a "hozzánemértőkkel", vagy az álmos telepítőkkel szemben. Ezen megoldások egyszerűek, de ezzel együtt hatalmas hátrányuk is van sokszor. Mégpedig a felesleges disszipáció és a soros diódán eső feszültség az, ami miatt ezen cikk is született.

Ugyan azon tervezési paraméterek mellett hasonlítjuk össze a két (három) megoldást:

Áramkör fogyasztása: 300mA
Tápfeszültség: 24V

Hagyományos megoldás 1 (kapcsoló dióda)

A hagyományos megoldás 1 a soros kapcsoló diódás megoldás, példánkban a jól ismert 1N4007.

Az adatlapban megtalálható áram - dióda feszültség karakterisztika az irányadó.

Jöjjön a számolás: A diagram az átfolyó áram és a nyitófeszültség karakterisztikát mutatja. Függőleges tengelyen az átfolyó áram Amperben, vízszintes tengelyen a nyitófeszültség, pontosabban a diódán eső feszültség található.

300mA (0.3A) esetén ez majdnem 0.85V-ra adódik, azaz a P = U*I számolást alapul véve: P = 0.85V * 0.3A = 0.255W (255mW) a disszipáció.

Hagyományos megoldás 2 (schottky kapcsoló dióda)

A hagyományos megoldás 2 a soros schottky diódás megoldás, példánkban a jó paraméterekkel rendelkező és nagyon olcsó SS34 schottky dióda.

Az áramkör 300mA-t fogyaszt ez esetben is. Schottky diódákon kisebb a feszültségesés, jelen esetben kb. 0.28V.

P = 0.28V  * 300mA = 0.084W (84mW)

A MOSFET-el megvalósított megoldás

A MOSFET-el megvalósított megoldás előnye, hogy a védelmen feszültség esés gyakorlatilag nincs (természetesen van, de sok esetben elhanyagolható), emiatt felesleges disszipáció sincs.

A megvalósítás lényege, hogy aktív módon kapcsolunk egy P-MOSFET-et akkor, ha a bemenő tápfeszültség polaritása helyes. A trükk még annyi, hogy a legtöbb MOSFET-ben van flywheel dióda, így első körben a beépített védő diódán keresztül folyik az áram, majd ezzel együtt aktív módon is nyitjuk a P-MOSFET-et, ezzel gyakorlatilag "söntöljük" a védődiódát és csökkentjük radikálisan a védelmen eső feszültséget.

A példához az AO3401 típusszámú SOT23 tokozású SMD MOSFET-et választottam.

A 10V-os zéner diódára azért van szükség, mert a MOSFET Vgs feszültsége (gate-source) nem engedi meg a 24V-ot. Maximálisan -12V gate feszültség engedélyezett (Lásd katalógus Vgs). Azaz Zener nélkül bekapcsolt állapotban a source (jelen esetben a kimeneti oldal) 24V-on lenne, a gate pedig 0V-on, ami meghaladná a specifikációt. Még akár lejjebb is lehet menni a Zener letörési feszültséggel például 5.6V-ra, ugyanis ezen MOSFET típus Vgs(th) azaz gate-source határfeszültsége tipikusan -0.9V, azaz ha 0.9V-al alacsonyabb a gate feszültség a source-nál, akkor már kinyit.

A másik fontos paraméter, amit nézni kell, az az Rds(on), azaz az ellenállás vezetési állapotban. Jelen MOSFET esetén ez tipikusan 47mOhm.

Mennyi a disszipáció?

Jelen helyzetben szinte csak a MOSFET disszipációját kell számolni (a Zener és az előfeszítő kör elhanyagolható a hagyományos diódáshoz képest). A disszipálandó teljesítményt pedig a MOSFET vezetési állapotban mérhető ellenállása határozza meg.

P = I² * R = 0.3A² * 47mOhm = 0.00423W (4.23mW)

Előfeszített Zener ág disszipációja a tápfeszültség és az ág áramának függvénye. Az ágban folyó áram az alábbiak alapján számolható. Ur (ellenálláson mérhető feszültség) = Ut (tápfeszültség) - Uz (zener letörési feszültség). Azaz Ur = 24V - 10V = 14V. Az ágban folyó áramot az ellenállás határozza meg. I = Ur / R = 14V / 10KOhm = 1.4mA, így a teljes ág disszipációja P = Ut * I = 24V * 1.4mA = 33.6mW.

A 33.6mW disszipáció jelentős a MOSFET 4.23mW-jához képest, viszont megvan az az előnye, hogy a védelmen átfolyó áramtól függetlenül állandó az érték állandó tápfeszültség esetén.

Mi a helyzet az inrush current (impulzusáram) kérdéssel? Fontos, hogy ne keltsünk zajokat bekapcsoláskor, ezért az áramkör kiegészíthető (és erősen javasolt is), lágyítással.

A lágyindítást egy kondenzátor segítségével végezzük, ennek célja, hogy a gate feszültség ne azonnal szökjön fel (vagy jelen esetben csökkenjen le), azaz ne egy éles impulzus jellegű bekapcsolás történjen.

Az "időzítés" a hagyományos RC konstans számolással határozható meg erősen hozzávetőlegesen. Azért hozzávetőlegesen, mert pontos érték a Vgs(th) (gate-source feszültség határérték) figyelembevétele mellett adható meg a logaritmikus RC karakterisztikáról, illetve ezen kondenzátorral párhuzamosan számolandó a Cgd (gate-drain) kapacitás, vagy ha az nincs megadva, akkor számolandó a Qgd-ből.

t = R * C = 10K * 100nF = 10*10³ * 100*10^-9 = 1 * 10^-3 sec (1ms)

Miért kell lágyítani?

Azért kell lassítani az indulást, mert a bekapcsolási tranziens sok áramköri elemet károsíthat (magát a P-MOSFET-et is), a hirtelen négyszögjelnek számtalan felharmonikusa zajt termel, illetve különösen hatékony multilayer puffer kondenzátorokat is célszerű védeni egy kapcsolóüzemű tápegységben az ilyen hirtelen áramoktól.

Végső összehasonlítás

Ugyan azon tervezési határparaméterek esetén az alábbiak adódtak felesleges disszipáció, hulladékhő szempontjából:

300mA fogyasztás, 24V tápfeszültség

- Hagyományos kapcsoló dióda: 255mW
- Schottky dióda: 84mW
- P-MOSFET-es megoldás: 4.23mW

Ha nagyobb áramfelvételű áramkört szeretnénk megvédeni, akkor a különbségek még jobban érzékelhetők.

1A fogyasztás esetén

- Hagyományos kapcsoló dióda: 920mW
- Schottky dióda: 600mW
- P-MOSFET-es megoldás: 47mW