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Sep 30, 2023

Lernen und bauen Sie einen High-Side-Schalter

Als Elektronikingenieur habe ich eine mentale Sammlung von Schaltkreisen, die ich habe

Als Elektronikingenieur verfüge ich über eine mentale Sammlung von Schaltkreisen, die ich im Laufe der Jahre gesammelt habe, ähnlich wie ein Mechaniker Spezialwerkzeuge sammelt, während sie arbeiten. Alle Ingenieure tun dies und die Werkzeuge in ihren Werkzeugkästen repräsentieren normalerweise die Geschichte und den Umfang ihres Projekts.

Eine nützliche Schaltung, die der Designer im Werkzeugkasten haben sollte, ist der „High-Side-Schalter“. Wie es sich anhört, ist dies ein Schaltkreis, der die „High-Side“ oder positive Spannung auf eine Last schaltet.

Normalerweise tendieren wir dazu, Dinge auf Masse zu schalten, wie es bei Ausgängen wie einem Open-Collector-Ausgang der Fall ist. Der Grund dafür ist, dass Masse normalerweise eine bekannte Einheit ist und normalerweise eine niedrige Impedanz aufweist und eine bekannte Spannung aufweist. Die Verwendung eines High-Side-Schalters in Ihren Schaltkreisen bietet jedoch Vorteile.

Beim Wechseln auf die hohe Seite werden mehr Unbekannte behandelt als auf der niedrigen Seite; Die Eingangsspannung, die erforderliche Ausgangsspannung und die Impedanz der Quellenspannung sind praktisch alle variabel. Meistens müssen wir auch einen Ausgang mit niedriger Impedanz bereitstellen, was bedeutet, dass der Widerstand des High-Side-Schalters selbst keinen Spannungsteiler mit der Last bildet, an dem eine erhebliche Spannung am Schalter abfällt.

Wir könnten beispielsweise einen High-Side-Schalter mit einem Relais bewerkstelligen, und es gibt Zeiten, in denen dies immer noch geschieht. Typischerweise stehen die Eigenschaften Stromnutzung, Strombelastbarkeit, Spulenspannung, Kosten und Größe im Widerspruch zueinander.

Wenn wir einen Standardtransistor verwenden, ist es selbstverständlich, dass wir mit einem Spannungsabfall in irgendeiner Form leben müssen. Einerseits bedeutet dies, dass wir von einer 5-Volt-Quelle keinen 5-Volt-Ausgang erhalten können, da wir dabei normalerweise 0,3 V verlieren. Bei hohen Strömen gerät die Verlustleistung zudem schnell außer Kontrolle.

Mit einem Feldeffekttransistor (FET) können wir einige seiner besten Eigenschaften nutzen, um einen Schalter zu betätigen. Um einzugrenzen, welchen FET wir verwenden würden, können wir zunächst sagen, dass wir einen Teil wollen, der normalerweise ausgeschaltet ist und durch Anlegen einer Steuerspannung eingeschaltet werden muss, was bedeutet, dass wir einen FET im Anreicherungsmodus wollen. Als nächstes entscheiden wir, ob wir das Gerät steuern möchten, indem wir eine Spannung verwenden, die größer als die Spannung ist, die wir schalten (sofern verfügbar) oder kleiner als die Spannung. Wenn wir zum Beispiel 5 Volt einschalten wollen, wollen wir das dann mit 8 Volt oder mehr oder 4 Volt oder weniger tun? Im Beispiel hier wollen wir den High-Side-Schalter ohne zusätzliche Spannung einschalten, tatsächlich ist die Erdung eines Signals einigermaßen attraktiv. Damit bleibt uns ein P-Kanal-Enhancement-FET als Wahl.

Die Merkmale jedes Teils können vielfältig und vielfältig sein, daher beginnen wir mit der Suche nach einigen wichtigen Parametern. Bei Schaltanwendungen ist im Gegensatz zu Anwendungen wie linearen Audioverstärkern ein niedriger Drain-Source-Einschaltwiderstand wichtig. Dieser Parameter wird als Widerstand Drain to Source ON oder RDS(ON) bezeichnet und ein gut nutzbarer Teil wird normalerweise in Milliohm gemessen. Mithilfe des Ohmschen Gesetzes können wir schnell sagen, dass bei einem Ampere Strom der Spannungsabfall von Milliohm Millivolt beträgt.

Als nächstes möchten wir sicherstellen, dass wir das Teil mit der verfügbaren Spannung einschalten können. Dies entspricht der Spezifikation „Voltage Gate to Source Threshold VGS(thresh)“. Ein VGS(thresh) von -1 V bedeutet, dass wir, wenn wir 3,3 Volt schalten wollen, das Gate um mindestens 1 Volt unter 3,3 V ziehen müssen. Die Verwendung eines Transistors oder eines Open-Collector-Geräts kann normalerweise ein Signal innerhalb von 0,3–0,5 V ziehen Masse, in diesem Fall viel Platz, um 2,5 V mithilfe eines Teils mit einer VGS (Schwelle) von etwa einem Volt zu schalten.

Wenn wir uns die Spezifikationen für mehrere in der Tabelle aufgeführte Geräte ansehen, sehen wir, dass es viele Kompromisse gibt. Wenn wir kleinere TO-92-Gehäuse auswählen, erhalten wir größere, in unserem Fall unbrauchbare RDS(ON)-Werte von einem Ohm oder mehr. Wenn wir einen zu kleinen RDS(ON)-Wert wählen, vervierfacht sich der Preis. Andere Teile haben zu viel VGS (Schwelle), aber in Wirklichkeit war es nicht allzu schwer, Teile zu finden, die für das hier gezeigte Projekt verwendbar waren.

Für diejenigen, die einen Blick hinter die Kulissen werfen möchten: Der Grund dafür, dass ein größeres Gehäuse wie ein TO-220 einen geringeren Einschaltwiderstand hat, liegt darin, dass das Gehäuse einen größeren Chipchip enthält. Ein größerer Chipchip hat eine größere Oberfläche, die weniger Widerstand bietet. Die Tatsache, dass wir ein P-Kanal-Gerät verwenden, bedeutet auch, dass wir mehr Oberfläche benötigen, da P-Kanal-Geräte im Allgemeinen weniger effizient sind als N-Kanal-Geräte, da sie „Löcher“ für ihre Träger anstelle von Elektronen verwenden. Die einfachste Aussage ist, dass die Lochmobilität geringer ist als die Elektronenmobilität.

Der Schaltkreis besteht aus zwei Grundkomponenten, ohne Zusatzkomponenten, die wir für ein produktionstaugliches Design berücksichtigen würden, wie z. B. eine Verpolungsschutzdiode für den FET. Allerdings verfügt der gezeigte FET über eine eingebaute Reverse-Avalanche-Diode sowohl für den Überspannungs- als auch für den Reverse-Schutz, aber es ist die Aufgabe des Ingenieurs, zu bestimmen, ob zusätzlicher Schutz erforderlich ist.

Der gezeigte Widerstand ist ein Vorspannungswiderstand und hält das Gate auf einem bekannten Wert, auch wenn kein anderer Eingang vorhanden ist. In diesem Fall hält er den FET im ausgeschalteten oder nichtleitenden Zustand. Kurz gesagt hält der Widerstand den FET in einem VGS-Zustand von 0 V, wenn zum Einschalten mindestens -1 V erforderlich sind.

Um die Auswirkungen eines niedrigen RDS(ON) zu demonstrieren, habe ich eine Schaltung mit einer 5-Ohm-Last gezeigt. Unter Berücksichtigung des Ohmschen Gesetzes und der Tatsache, dass E = IR ist, ergibt eine Last von 5 Ohm bei 5 Volt einen Laststrom von 1 Ampere. Mit der gleichen Gleichung lässt sich RDS(ON) unter Verwendung von 1 Ampere Strom leicht demonstrieren: Ein Spannungsabfall von 0,057 Volt bei 1 Ampere bedeutet, dass der Widerstand des FET in diesem Fall 0,057 Ohm beträgt! Um das für uns ins rechte Licht zu rücken: Die vom Gerät verbrauchte Leistung beträgt P=I2R oder 0,057 Watt oder 57 Milliwatt. Wir müssen nicht einmal unsere thermischen Berechnungen durchführen, um zu wissen, dass kein Kühlkörper erforderlich ist und das Gerät auf diese Weise zuverlässig funktioniert. Um es ins rechte Licht zu rücken: Die Verlustleistung des Lastwiderstands beträgt 5 Watt, 87-mal so viel wie die des Schalters selbst.

Da wir beim Einschalten der Last nur 0,057 Volt verlieren, bedeutet dies, dass wir eine 5-V-Versorgung als Quelle verwenden und trotzdem eine 5-V-Last einschalten können, beispielsweise eine der vielen heute erhältlichen 5-V-Controller- oder Mikrocomputerplatinen. Das ist fast so gut wie ein mechanischer Schalter.

Durch das Hinzufügen eines einfachen Transistors und eines Widerstands an seiner Basis zur Strombegrenzung können wir das zum Einschalten des FET erforderliche Signal invertieren. Das bedeutet, dass wir eine Push-On-Situation erzeugen können, indem wir die Spannung auf der Lastseite mit dem invertierenden Transistor verbinden; Sobald der Transistor hoch ist, bleibt der FET eingeschaltet, bis der Transistor durch etwas ausgeschaltet wird.

Meine Gedanken zur Darstellung einer Push-on-Schaltung basieren auf Überlegungen zu batteriebetriebenen Baugruppen oder Anwendungen, bei denen möglicherweise ein Timer zum Abschalten nach einer bestimmten Zeitspanne verwendet wird. Eine Controller-basierte Last kann sogar ihre eigene Stromversorgung ausschalten, obwohl dies etwas komplizierter ist, wenn die Last Zeit braucht, um sauber herunterzufahren, wie zum Beispiel bei einem Linux-basierten System, Raspbery PI.

Hoffentlich ist dies ein Beispiel für eine einfache Schaltung, die Ihnen irgendwann nützlich sein könnte. Zumindest haben wir die Eigenschaften eines High-Side-Schalters untersucht und ein wenig über die Auswahl einer Komponente anhand ihrer Spezifikationen gesprochen.