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Sep 30, 2023

Apprendre et construire un interrupteur côté haut

En tant qu'ingénieur en électronique, j'ai une collection mentale de circuits que j'ai

En tant qu'ingénieur en électronique, j'ai une collection mentale de circuits que j'ai rassemblés au fil des ans, un peu comme un mécanicien collectionne des outils spécialisés pendant qu'ils travaillent. Tous les ingénieurs le font et les outils dans leurs boîtes à outils représentent généralement l'historique et l'étendue de leur projet.

Un circuit utile à avoir dans la boîte à outils du concepteur est le "commutateur côté haut". Comme il semble, il s'agit d'un circuit qui commute le "côté haut" ou la tension positive sur une charge.

Nous avons généralement tendance à mettre les choses à la terre comme on le voit par des sorties telles qu'une sortie Open Collector, la raison étant que la terre est généralement une entité connue et est généralement à faible impédance et à une tension connue. Mais il y a des avantages à utiliser un commutateur côté haut dans vos circuits.

Changer le côté haut traite plus d'inconnues que le côté bas ; la tension d'entrée, la tension de sortie requise et l'impédance de la tension source sont à peu près toutes variables. Le plus souvent, nous devons également présenter une sortie à faible impédance, ce qui signifie que la résistance du commutateur côté haut lui-même ne forme pas un diviseur de tension avec la charge où une tension significative chute à travers le commutateur.

Nous pourrions faire un interrupteur côté haut avec un relais par exemple, et il y a des moments où cela se fait encore. En règle générale, les propriétés d'utilisation actuelle, de capacité actuelle, de tension de bobine, de coût et de taille sont en contradiction les unes avec les autres.

Si nous utilisons un transistor standard, il est certain que nous devrons vivre avec une chute de tension quelconque. D'un côté, cela signifie que nous ne pouvons pas avoir une sortie de 5 volts à partir d'une source de 5 volts car nous perdons généralement 0,3 v dans le processus. À des courants élevés, la dissipation de puissance devient également rapidement incontrôlable.

En utilisant un transistor à effet de champ (FET), nous pouvons utiliser certaines de ses meilleures qualités pour effectuer un interrupteur. Pour préciser le FET que nous utiliserions, nous pouvons commencer par dire que nous voulons une pièce qui est normalement désactivée et doit être activée en appliquant une tension de commande, ce qui signifie que nous voulons un FET en mode d'amélioration. Ensuite, nous décidons si nous voulons contrôler l'appareil en utilisant une tension supérieure à la tension que nous commutons (si disponible) ou inférieure à la tension. Par exemple, si nous voulons activer 5 volts, voulons-nous le faire en utilisant 8 volts ou plus ou 4 volts ou moins ? Dans l'exemple ici, nous voulons activer le commutateur côté haut sans tension supplémentaire, en fait la mise à la terre d'un signal est quelque peu attrayante. Cela laisse un FET d'amélioration du canal P comme notre choix.

Les caractéristiques de n'importe quelle pièce peuvent être larges et variées, nous commençons donc par rechercher quelques paramètres importants. Dans les applications de commutation, contrairement à quelque chose comme une application d'amplificateur audio linéaire, une faible résistance du drain à la source est importante. Ce paramètre connu sous le nom de Resistance Drain to Source ON ou RDS(ON) et une bonne partie utilisable est généralement mesuré en milliohms. En utilisant la loi des ohms, un raccourci rapide nous indique qu'à un ampère de courant, la chute de tension de milliohms sera de millivolts.

Ensuite, nous voulons nous assurer que nous pouvons allumer la pièce avec la tension dont nous disposons. Cela équivaut à la spécification Voltage Gate to Source Threshold VGS(thresh). Un VGS (seuil) de -1 v signifie que si nous voulons commuter 3,3 volts, nous devons tirer la porte d'au moins 1 volt en dessous de 3,3 v. L'utilisation d'un transistor ou d'un dispositif à collecteur ouvert peut généralement tirer un signal entre 0,3 et 0,5 v de sol, beaucoup de place dans ce cas pour commuter 2,5 V en utilisant une pièce avec un VGS (seuil) d'environ un volt.

En examinant les spécifications de plusieurs appareils présentés dans le tableau, nous constatons que de nombreux compromis se produisent. Si nous sélectionnons des boîtiers TO-92 plus petits, nous obtenons des valeurs RDS(ON) plus grandes, inutilisables dans notre cas, d'un ohm ou plus. Si nous optons pour un RDS(ON) trop petit, le prix quadruple. D'autres pièces ont un VGS (seuil) trop grand, mais la réalité est qu'il n'a pas été trop difficile de trouver des pièces utilisables pour le projet présenté ici.

Pour ceux qui souhaitent jeter un coup d'œil sous les couvertures, la raison pour laquelle un boîtier plus grand comme un TO-220 a une résistance ON plus faible est que le boîtier contient une puce plus grande. Une matrice à puce plus grande a une plus grande surface qui offre moins de résistance. Le fait que nous utilisions un appareil à canal P signifie que nous avons également besoin de plus de surface, car les appareils à canal P sont généralement moins efficaces que les appareils à canal N car ils utilisent des "trous" pour leur support au lieu d'électrons. La déclaration la plus simple est que la mobilité des trous est inférieure à la mobilité des électrons.

Le circuit de commutation se compose de deux composants de base, sans compter les composants supplémentaires que nous examinerions pour une conception digne de production, telle qu'une diode de protection inverse pour le FET. Cela dit, le FET illustré a une diode à avalanche inverse intégrée pour la protection contre les surtensions et l'inversion, mais c'est le travail de l'ingénieur de déterminer si une protection supplémentaire est nécessaire.

La résistance représentée est une résistance de polarisation et maintient la porte à une valeur connue sans autre entrée présente, dans ce cas, elle maintient le FET à l'état désactivé ou non conducteur. En bref, la résistance maintient le FET dans un état VGS de 0v lorsqu'au moins -1v est nécessaire pour l'allumer.

Pour démontrer les effets d'un faible RDS (ON), j'ai un circuit illustré avec une charge de 5 ohms. En se souvenant de la loi d'Ohms et que E=IR, une charge de 5 Ohms sur 5 Volts donne un courant de charge de 1 Amp. En utilisant la même équation, le RDS(ON) est facile à démontrer en utilisant 1 Amp de courant : Une chute de tension de 0,057 volts à 1 Amp signifie que la résistance du FET dans ce cas est de 0,057 Ohms ! Pour mettre cela en perspective pour nous, la puissance dissipée par l'appareil est P = I2R, soit 0,057 watts ou 57 milliwatts. Nous n'avons même pas vraiment besoin de faire nos calculs thermiques pour savoir qu'aucun dissipateur thermique n'est nécessaire et que l'appareil fonctionnera de manière fiable de cette façon. Pour mettre les choses en perspective, la dissipation de puissance de la résistance de charge est de 5 watts, 87 fois celle du commutateur lui-même.

Étant donné que nous ne perdons que 0,057 volts lors du processus d'activation de la charge, cela signifie que nous pouvons utiliser une alimentation 5V comme source et continuer à allumer une charge 5V telle que l'une des nombreuses cartes de contrôleur ou de micro-ordinateur 5V disponibles aujourd'hui…. c'est presque aussi bon qu'un interrupteur mécanique.

Avec l'ajout d'un simple transistor et d'une résistance sur sa base pour limiter le courant, nous pouvons inverser le signal nécessaire pour allumer le FET. Cela signifie que nous pouvons créer une situation d'activation en connectant la tension côté charge au transistor inverseur ; une fois haut, le transistor maintiendra le FET allumé jusqu'à ce que quelque chose éteigne le transistor.

Mes pensées en montrant un circuit enfichable découlent de réflexions sur des assemblages ou des applications alimentés par batterie où peut-être qu'une minuterie est utilisée pour s'éteindre après un certain temps. Une charge basée sur un contrôleur peut même éteindre sa propre alimentation, bien que cela soit un peu plus compliqué lorsque la charge a besoin de temps pour s'arrêter proprement, comme un système basé sur Linux, Raspbery PI par exemple.

J'espère que c'est un exemple de circuit simple que vous pourriez trouver utile à un moment donné, à tout le moins nous avons exploré les propriétés d'un commutateur côté haut et un peu sur la sélection d'un composant en fonction de ses spécifications.