Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak to działa? - Układ do otwierania MOSFET-a

W numerze 9/2019 przedstawiony był nieskomplikowany układ z MOSFET-em i transoptorem, pokazany na rysunku B. Jest to układ pozwalający w pełni otworzyć tranzystor MOSFET impulsem napięcia o niedużej wartości, mniejszej niż napięcie progowe UGSth.
Article Image

Ten zaskakujący pomysł był opisany w roku 2014 w czasopiśmie „EDN” w artykule: Simple Circuit Overcomes MOSFET Gate-Threshold Voltage Challenge, który dziś można znaleźć między innymi na stronie: www.electronicdesign.com/power/simple-circuit-overcomes-mosfet-gate-threshold-voltage-challenge.

Rys.B układ pozwalający w pełni otworzyć tranzystor MOSFET impulsem napięcia o niedużej wartości, mniejszej niż napięcie progowe UGSth

Idea jest interesująca, jednak podczas rysowania oryginalnego schematu, pokazanego na rysunku C, wkradł się błąd. Mianowicie rysownik zaznaczył biegunowość kondensatora C1. Po pierwsze, jest to kondensator o pojemności 0,1 mikrofarada i nic nie wskazuje, że miałby to być kondensator elektrolityczny.

Po drugie, zaznaczona biegunowość nie zgadza się z biegunowością napięcia z transoptora.

Ta usterka rysunkowa byłaby dużym utrudnieniem przy rozwiązywaniu zadania Jak to działa? i dlatego została usunięta.

Rys.C Schemat układu z błędem

Na rysunku B nie ma zaznaczonej biegunowości napięcia na C1, a za to są numery końcówek transoptora TLP191B. Zamiast symbolu konkretnego MOSFET-a (IRLU3103) jest tylko napis MOSFET N.

Rozwiązywanie zadania należało zacząć od rozszyfrowania, co to za element TLP191B. Okazuje się, że jest to specyficzny transoptor produkcji Toshiba. Każdy transoptor zawiera diodę świecącą i zazwyczaj jest to dioda podczerwona IRED, dzięki czemu napięcie potrzebne do jej zaświecenia jest niewiele wyższe od 1 wolta. Klasyczne transoptory na wyjściu mają albo fotodiodę, pracującą docelowo w kierunku zaporowym, albo (częściej) fototranzystor.

Rys.D Fotodiody połączone w szereg

W TLP191B w obwodzie wyjściowym pracuje kilka, a raczej kilkanaście fotodiod połączonych w szereg, jak pokazuje pochodzący z katalogu rysunek D, gdzie dodatkowo zaznaczona jest biegunowość wytwarzanego przez nie napięcia. Pracują one bowiem nie w kierunku zaporowym, tylko jako fotoogniwa i mogą wytworzyć znaczne napięcie, rzędu 6...10V.

Rys.E klasyczny przykład wykorzystania transoptora fotowoltaicznego

Takie napięcie z powodzeniem wystarczy do otwarcia każdego MOSFET- a. I właśnie do takich zastosowań przeznaczone są tego rodzaju transoptory „fotowoltaiczne”. Pochodzący z noty aplikacyjnej Toshiba TLP191B rysunek E przedstawia klasyczny przykład wykorzystania transoptora fotowoltaicznego. Pochodzący z tego samego źródła rysunek F prezentuje trzy sposoby wykorzystania transoptorów fotowoltaicznych.

Rys.F Trzy sposoby wykorzystania transoptorów fotowoltaicznych

W układzie z rysunku B transoptor TLP191B nie pracuje jednak w swojej klasycznej roli. W tym przypadku fotoogniwo transoptora ma wytworzyć napięcie nieco mniejsze niż progowe napięcie otwierania UGSth współpracującego MOSFET-a. Transoptor pracuje ciągle, zasilany przez rezystor R1. Na pochodzącym z karty katalogowej TLP191B rysunku G dorysowane są kolorowe linie, które pokazują, że przy zasilaniu 2,5 wolta i rezystancji R1 = 68Ω, prąd diody LED (IRED) wynosi około 15 miliamperów, a napięcie na niej około 1,43V.

Rys.G Wykres z karty katalogowej transoptora TLP191B

Szereg fotodiod ciągle wytwarza więc napięcie wstępnej polaryzacji bramki. Katalogowy rysunek H pokazuje, że przy prądzie diody LED może to być napięcie 7...9V, zależnie od temperatury. W układzie z rysunku B jest ono znacznie mniejsze, a konkretnie trochę mniejsze od napięcia progowego UGSth, więc MOSFET jest całkowicie zatkany.

Rys.H Szereg fotodiod - napięcie wstępnej polaryzacji bramki

Wartość tego napięcia ustala potencjometr P1. Fotodioda w trybie fotowoltaicznym jest źródłem prądowym o wydajności wprost proporcjonalnej do natężenia światła i o napięciu maksymalnym rzędu 0,5...0,7V, zależnie od temperatury. Na rysunku J widać wydajność tego źródła prądowego. Jak widać, przy prądzie diody LED 15mA fotodiody wytwarza prąd około 40 mikroamperów. Rezystancja potencjometru P1 zadecyduje, jakie będzie na nim napięcie. Pojemność C1 powinna być dużo większa od pojemności wewnętrznych MOSFET- a, żeby nie spowalniać procesu przełączania.

Rys.J Fotodioda w trybie fotowoltaicznym - wydajność

Jeżeli w spoczynku na bramce MOSFET- a panuje napięcie niewiele niższe od progowego UGSth, to jest on całkowicie zatkany, ale już niewielki wzrost napięcia, choćby o 1 wolt, spowoduje jego pełne otwarcie. W ten sposób dzięki transoptorowi zmiana napięcia tylko o 1V pozwala sterować MOSFET-em. I takie ma być działanie układu z rysunku B.

Zadanie nie było łatwe. Niemniej praktycznie wszystkie nadesłane odpowiedzi były prawidłowe. Dodatkowo trzej uczestników zastanawiało się, na ile takie rozwiązanie ma sens. Prostsze jest rozwiązanie według rysunku E, dodatkowo daje izolację galwaniczną, jednak do zaświecenia diody LED nie wystarczy napięcie 1V. Ale jeżeli izolacja nie jest wymagana i dysponujemy napięciem zasilania 2,5V, to można wykorzystać układ z rysunku E, ewentualnie wykorzystując jeden tranzystor bipolarny zamiast bramki sterującej diodą LED.

Rys.K Schematy z błędami

Jeden z uczestników zaproponował prostsze schematy z rysunku K, które jednak mają istotne wady. Inny odnalazł źródło (EDN), a po analizie zwrócił uwagę, że napięcie UGSth zmienia się z temperaturą, a skok napięcia o 1V może się okazać za mały dla MOSFET-ów, które mają małą wartość transkonduktancji przejściowej.

Tematyka materiału: MOSFET
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
styczeń 2020
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo