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Sep 30, 2023

Impara e costruisci un interruttore sul lato alto

As electronics engineer I have a mental collection of circuits that I’ve

Come ingegnere elettronico ho una raccolta mentale di circuiti che ho raccolto nel corso degli anni, proprio come un meccanico raccoglie strumenti specializzati mentre funzionano. Tutti gli ingegneri lo fanno e gli strumenti nelle loro cassette degli attrezzi di solito rappresentano la storia e l'ampiezza del progetto.

Un circuito utile da avere nella cassetta degli attrezzi del progettista è l'"interruttore lato alto". Come sembra, questo è un circuito che commuta il "lato alto" o la tensione positiva su un carico.

Di solito tendiamo a commutare le cose a terra come visto da uscite come un'uscita Open Collector, il motivo è che la terra di solito è un'entità nota e solitamente è a bassa impedenza e ha una tensione nota. Ma ci sono vantaggi nell'usare un interruttore high-side nei tuoi circuiti.

Cambiare il lato alto comporta più incognite rispetto al lato basso; la tensione di ingresso, la tensione di uscita richiesta e l'impedenza della tensione sorgente sono praticamente tutte variabili. Molto spesso dobbiamo anche presentare un'uscita a bassa impedenza, il che significa che la resistenza dell'interruttore del lato alto stesso non forma un divisore di tensione con il carico in cui una tensione significativa viene caduta attraverso l'interruttore.

Ad esempio, potremmo realizzare un interruttore sul lato alto con un relè e ci sono momenti in cui ciò viene ancora fatto. In genere le proprietà di utilizzo della corrente, capacità di corrente, tensione della bobina, costo e dimensioni sono in contrasto tra loro.

Se usiamo un transistor standard è ovvio che dovremo convivere con una caduta di tensione di qualche tipo. Da un lato ciò significa che non possiamo avere un'uscita a 5 volt da una sorgente a 5 volt poiché in genere perdiamo 0,3 V nel processo. A correnti elevate anche la dissipazione di potenza sfugge rapidamente di mano.

Utilizzando un transistor ad effetto di campo (FET) possiamo sfruttare alcune delle sue migliori qualità per effettuare un passaggio. Per restringere il campo su quale FET utilizzeremmo possiamo iniziare dicendo che vogliamo una parte che normalmente è spenta e deve essere accesa applicando una tensione di controllo, il che significa che vogliamo un FET in modalità potenziamento. Successivamente decidiamo se vogliamo controllare il dispositivo utilizzando una tensione maggiore della tensione che stiamo commutando (se disponibile) o inferiore alla tensione. Ad esempio, se vogliamo accendere 5 volt, vogliamo farlo utilizzando 8 volt o più o 4 volt o meno? Nell'esempio qui vogliamo accendere l'interruttore del lato alto senza tensione aggiuntiva, infatti mettere a terra un segnale è piuttosto interessante. Ciò lascia come nostra scelta un FET di potenziamento del canale P.

Le caratteristiche di qualsiasi parte possono essere ampie e varie, quindi iniziamo cercando alcuni parametri importanti. Nelle applicazioni di commutazione, a differenza di qualcosa come un'applicazione di amplificatore audio lineare, è importante una bassa resistenza di drenaggio alla sorgente. Questo parametro noto come Resistenza di scarico alla sorgente ON o RDS(ON) e una parte buona utilizzabile viene generalmente misurato in milliohm. Utilizzando la legge di ohm una rapida scorciatoia ci dice che a un Amp di corrente, la caduta di tensione di milliohm sarà millivolt.

Successivamente vogliamo assicurarci di poter accendere la parte con la tensione che abbiamo a disposizione. Ciò equivale alla specifica VGS (soglia) da gate di tensione a soglia di sorgente. Un VGS (soglia) di -1 V significa che se vogliamo commutare 3,3 V dobbiamo portare il gate almeno 1 V al di sotto di 3,3 V. Utilizzando un transistor o un dispositivo a collettore aperto in genere è possibile ottenere un segnale entro 0,3-0,5 V di terra, in questo caso c'è molto spazio per commutare 2,5 V utilizzando una parte con una VGS (soglia) di un volt o giù di lì.

Osservando le specifiche di diversi dispositivi mostrati nella tabella, vediamo che si verificano molti compromessi. Se selezioniamo pacchetti TO-92 più piccoli otteniamo valori RDS(ON) più grandi, inutilizzabili nel nostro caso, di un ohm o superiori. Se utilizziamo un RDS(ON) troppo piccolo il prezzo quadruplica. Altre parti hanno un VGS (thresh) troppo grande ma la realtà è che non è stato troppo difficile trovare parti utilizzabili per il progetto mostrato qui.

Per coloro che sono interessati a sbirciare sotto le coperture, il motivo per cui un case più grande come un TO-220 ha una resistenza ON inferiore è perché il case contiene un chip die più grande. Una matrice per trucioli più grande ha una superficie maggiore che offre meno resistenza. Il fatto che stiamo utilizzando un dispositivo a canale P significa che abbiamo bisogno anche di una maggiore superficie, poiché i dispositivi a canale P sono generalmente meno efficienti dei dispositivi a canale N poiché utilizzano "buchi" per il loro trasportatore anziché elettroni. L’affermazione più semplice è che la mobilità delle lacune è inferiore alla mobilità degli elettroni.