ЭЛЕКТРОНИКА Коммутации питания N-канальными полевыми транзисторов и не только

DAK

★★★✩✩✩✩
8 Окт 2020
517
137
В этой ветке форума я хотел поделится своим опытом в коммутации цепей питания при помощи N-канальных полевых транзисторов.

Немного о неудобствах при коммутации питания полевыми транзисторами:
  • Коммутирование цепей питания лучше всего осуществлять N-канальными полевыми транзисторами, так как у транзисторов данного типа сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии значительно ниже, чем сопротивление P-канальных транзисторов (Если смотреть в одной ценовой категории), однако испокон веков принято минус питания «садить на корпус», делать общим или вообще заземлять в розетку, что в современном мире создаёт некоторое количество неудобств.
  • Паразитный диод, от которого никак не избавится.
  • Для полноценного открытия мощных транзисторов необходимо напряжение свыше 10 Вольт.
Схемы управления нагрузкой N-канальным полевым транзистором:
ris1.pngris2.png
Слева представлена «подобие» классической схемы включения полевого транзистора, которая гуглится на раз два. Справа немного изменённая, но работает данная схема ничуть не хуже. Одна лишь разница – в схеме слева можно использовать для открытия транзистора ПЛЮС с общего питания, а вот на правой схеме – для полного открытия полевого транзистора необходимо иметь независимый или гальванически развязанный источник питания.

В двух словах, для того, чтобы нормально открыть полевой транзистор, необходимо обеспечить между истоком и затвором напряжение в районе 10 Вольт (Этот параметр зависит от конкретной модели транзистора, но в тех. документацию для силовых транзисторов зачастую прописывают сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии при напряжении между истоком и затвором равному 10 Вольт). Как только между истоком и затвором появляется необходимое напряжение, между стоком и истоком «всё замыкается как в механическом реле». Открытый транзистор без проблем будет пропускать ток в любом направлении.

Но что делать, если необходимо коммутировать нагрузку, ну допустим, в бортовой сети автомобиля? Где взять этот самый гальванически развязанный источник питания!?

Поиск источника питания:

В сети я наткнулся на статью в которой упоминались «Фотовольтаические оптопары». В статье были приведены схемы на которых красовалась оптопара tlp590b. Поняв все трудности приобритения данного девайса я начал искать аналоги этой оптопары. Данный поиск навёл меня на отечественную оптопару К293ПП1ВР. Дальше меня занесло на сайт производителя https://optron.proton-orel.ru. Я с большим интересом пролистал каталог их продукции.

Итак, что мне удалось выяснить:

При подаче 1,6 Вольт на вход оптопары К293ПП1ВР – на выходе появляется около 8 Вольт при токе 20 мкА. Для полного открытия силового транзистора недостаточно, но зато в каталоге нашлась оптопара К293ПП3Р, о ней дальше и пойдёт речь.


Я не хочу тут рассказывать как, но я приобрёл 20 таких оптопар. 1 оптопара обошлась мне в районе 65 рублей. Оптопара К293ПП1ВР на 10 рублей дешевле. Ещё я взял пачку симисторных оптопар, по своим характеристикам очень напоминают moс3083, стоят всего около 30 рублей за штуку. Одно могу сказать, я смог их приобрести несмотря на то, что в моём городе нет даже дистрибьютера данного производителя. Через 3 недели после оплаты оптопары лежали на почте. Отдельный «привет» чипдипу, который, являюсь дистрибьютером данного производителя, на своём сайте не имеет всего перечня производимой продукции.

Начинаем эксперименты:
ris3.png

  • Источник питания – компьютерный блок питания на 12 Вольт, 300Вт. Нагрузка – несколько метров RGB ленты наклеенной на алюминиевую рамку, транзистор IRF3205 (По всем признакам транзистор мне попался оригинальный). Начинаю плавно подавать на вход оптопары напряжение с лабораторного блока питания. Оптопара открылась при напряжении 1,41 В, ток потребления 9 мА. Добавил напряжение до 1.43, ток подрос до 10. Между затвором и истоком появилось напряжение в районе 13 Вольт. Лента засветилась в полный накал. Пошёл пить чай и смотреть новости. Вернулся минут через 15. Рамка на ленте значительно нагрелась, транзистор же остался комнатной температуры. Выключаю питание с оптопары, лента моментально гаснет.
ris4.png
  • Меняем условия. На входе переменное напряжение 11 Вольт (просто с трансформатора), нагрузка – резистор в 1 кОм (просто рядом лежал), добавляем ещё один такой же транзистор. Подаём питание, тыкаем осциллограф параллельно нагрузки…. Идеальная синусоида. Убираем питание, всё пропало. Подозреваю в этом нет никакой магии, мерить потери на транзисторах не буду. Данное поведение вполне предсказуемо, любой владелец осциллографа спокойно сможет на это посмотреть, используя вместо оптопары обычную крону.

  • Вместо 11 Вольт будем подавать 220 из розетки. Меняем транзисторы на IRF740. Вместо нагрузки – лампа накаливания мощностью 100 ВТ. Всё как в сказке. Всё включается, выключается. Напряжение между стоками транзисторов 1,6 Вольт. Дал немного поработать лампочки, вытащил из розетки…. Потрогал транзисторы, вполне приемлемо, пальцы не обжог. Суммарное сопротивление двух транзисторов должно было равняться 1,1 Ом, однако при 100ВТ расчётное падение не должно было превысить 0,5 Вольт. Либо транзисторы подосланные (не исключено, брал на али очень давно, ещё зелёный был, всё выбирал подешевле), либо есть нюансы при измерении переменного напряжения. При падении 1,6 В и токе 0,45 А, тепловыделение на транзисторе всего 0,36 Вт. Даже если подосланные транзисторы, то данные показатели сравнимы с симистором bt139. Только у симистора на корпусе уже было бы тепловыделение 0,72 Вт, а это уже горячо. Бросил всё, так как на работе есть пачка полумёртвых блоков питания, но зато в них есть нормальных высоковольтные транзисторы. Утро Вечера мудренее…

  • Следующий вечер начался с демонтажа элементов из блока питания FOXCONN FX-450. Добыто куча всего интересного, но главное – 2 транзистора TF8N50 со странной надписью на корпусе “EVIL13”. По технической документации типовой Rds = 0,63, максимальный - 0,85. Подкинул данные транзисторы вместо вышеупомянутых. Подал 220, подкинул напряжение с лабораторника на оптопару, всё стандартно отработало, лампочка зажглась. Мерю падение напряжения на стоках транзисторов, получаю – 0,79 В. Уже прямо отличная новость. Мои измерения попали в максимальный Rds(on). Сопротивление каждого транзистора приблизительно 0,88 Ом (0,85 по документации). Значит всё таки есть смысл их использовать. При токе в пол ампера суммарное тепловыделение на транзисторном ключе не с самыми хорошими параметрами ниже чем на симисторе bta24.

Применимость транзисторного ключа и фотовольтаической оптопары:
  • Если речь о коммутации постоянного напряжении, то данную схему включения можно применять в тех случаях, когда коммутировать нужно именно по положительному напряжению и без этого никак не обойтись. Ещё одна прелесть в том, что с напряжением 1,5 Вольт можно полностью открывать мощные транзисторы. Однако для ШИМ сигнала эта оптопара никуда не годится.

  • Коммутация переменного напряжения. Особенно, если данное напряжение в районе 12 Вольт, Коммутировать низкое переменное напряжение симистором не очень хорошая идея, так как не зависимо от тока на симисторе будет падать от 1 до 2 Вольт (я даже не говорю о том, что форма синусоиды претерпит изменения). А если ток при это будет в районе 10 Ампер – радиатор для этого коммутатора надо будет очень знатный. Даже 2 подосланных транзистора справятся с этой задачей гораздо лучше.

  • Возможно ли коммутировать различные аналоговые или цифровые сигналы я пока не знаю, думаю недолжно быть проблем с этим вопросом, но транзисторы придётся подбирать под параметры сигнала.

Немного о симисторах, или почему я начал смотреть в сторону полевых транзисторов для коммутации слаботочной нагрузки на 220 Вольт.

Года два назад я появился на этом форуме с темой о управлении светом в квартире. Изначально я управлял светом с помощью 16ти канальных Китайских релейных модулей для Ардуино. Не буду говорить о том, что у меня постоянно залипали реле при включении некоторых люстр. Так же не буду говорить о том, что данные модули управляются подтягиванием пина к нулю, что очень весело, когда свет выключают и включают товарищи из энергосбыта, в результате чего Ардуино тратит немного времени на запуск, и в это время все релюшки хлопают контактами и все люстры очень красиво включались на мгновение… но не все выключались:). Правда это я победил, но уже не помню как именно, да это и не важно. Дело постепенно шло к переходу на самодельные твердотельные реле. Я изготовил четыре 8-ми канальных модуля на симисторах и 1 модуль на транзисторах для управления люстрами, блоками питания и светодиодными лентами. Модули подключаются по i2c к Ардуино. Изначально в модули впаял bt139, купленные на али.. Лёжа на столе всё работало отлично, правда нагрузкой была небольшая светодиодная люстра. Симисторы включал через moc3083 по схеме из datashet на данную оптопару. После монтажа всего добра было первое боевое включение… 40% симисторов перегорело сразу, ещё 10% - через час. При этом при сгорании они просто включают люстры и те светились очень радостно и бодро… Было весело! Начался экстренный ремонт. Выпаял мёртвый симистор, вскрыл корпус и понял что они просто подосланные… Ну а как можно было купить 10 симисторов за 100 рублей, что тут поделаешь, винить некого, сам идиот. Было потрачено много денег и куплена пачка bt139 в соседнем магазине. Какое чудо, после включения сгорело всего 2 симистора (потом ещё один, корпуса вскрывал, размер кристалла был как у оригинального). Приобрёл bta24, впаял вместо сгоревших и с тех пор у меня всё отлично работает (прошло полтора года непрерывной эксплуатации).
Однако посмотрим ни числа и проведём сравнение транзисторного ключа с симисторами. Не знаю почему, но мне пригляделся транзистор STB23NM50N (цена, сопротивление, напряжение). Данные ниже рассчитаны по элементарным законам физики. (I – ток нагрузки, dV- падение напряжения на ключе, dW - мощность тепловыделения (потреи)).
ris5.png
Из таблицы видно, что даже при управлении нагрузкой мощностью всего 70 Вт симисторы выделяют на себе значительное тепло (кажется, что пол вата мало? Представьте 8 симисторов в одном корпусе, который занимает на DIN рейки всего 4 юнита). На самые весомые нагрузки у меня стоят bta24, можете смеяться, но пусковой ток светодиодной люстры мощностью 220 Вт у меня выбивает 16 амперный симистор, да и дело не в амперах, дело в тепле, которое они выделяют. Симистор BTA24 в полтора раза меньше нагревается, тут уж не поспоришь. Хочешь спать спокойно – ставь BTA. Но смотря на таблицу хочется переделать все свои модули на транзисторы.

Глядя на таблицу понимаешь, что при нагрузке свыше 600 Вт луше использовать симистор bta24 вместо транзисторов, bt139 будет более выгоден (по отношению к транзисторам)только при нагрузке выше 900 Вт.

Один из минусов управления домашнего освещения симисторами:

Допустим дома отключили электричество…. После подачи питания происходит полу секундная вспышка света на нескольких люстрах (5 люстр + парящий потолок) Самое обидное что вспыхивают самые дорогие люстры, те, за которые я отдал больше всего денег. Попытался понять в чём дело.

Далее всё по шагам:
  • Подключаю симистор последовательно люстре (эксперимент с bta24). Подаю питание – ничего не происходит, всё отлично.
  • Подключаю оптопару moc3083 по схеме из технической документации. Подаю питание – вспышка света, тишина… Снимаю питание, подаю снова – никаких вспышек нет. Снимаю питание, жду минут 15, включаю, опять вспышка.
  • Добавляю снабер, ничего не меняется. Видать при первом включении происходят некие процессы зарядки богатого внутреннего мира оптопары (оптопара с контролем перехода через ноль, так что там должен быть внутренний мир). Пока оптопара не возьмёт нужный ей заряд она срабатывает как проводник и при первом включении приоткрывает симистор, что и даёт вспышку света.
  • Побороть данный эффект мне не удалось (судя по Интернету не я один такой), возможно смена оптопары могла бы помочь, но я не стал с этим далее экспериментировать. Если у кого-то есть положительный опыт борьбы с этой проблемой, буду рад увидеть его ниже в комментариях.
Как бы не так часто такое происходит, но просто неприятно. Как то раз ночью выключали свет, все проснулись в одно время и не поняли почему. Утром стало понятно, когда увидели сбитое время на духовом шкафу.
Одно могу сказать, за полтора года эксплуатации данной системы всё отлично работает (не сглазить бы), ни одна люстра не сдохла, даже не так – ни один светодиод ни на одной люстре не помер.
Вытяжки в сан узлах так же включаю через bta24. Все снаберы выкинул к чертям, так как часть маленьких люстр просто через эти снаберы заряжали нас позитивом, устроив дискотеку.

PS:
Данная статья написана по той причине, что ни на одном ресурсе в Интернете я не смог найти опыт людей использования данной отечественной оптопары.
Отдельное спасибо АО Протон. Общение с сотрудниками данной компании вызвало у меня много положительных эмоций.
 

rkit

★★★✩✩✩✩
5 Фев 2021
508
127
Материалов нет, потому что этих оптопар в розничной продаже нет, так что материалы бессмысленны. И не нужны они в автомобильной сети, как и опторазвязка.
 
Изменено:

Геннадий П

★★★★★★✩
14 Апр 2021
1,962
630
44
Такую оптопару нет смысла использовать с симистором. Есть проверенные схемы подключения с обычной оптопарой.

При относительно небольшом токе потребления нагрузки 10-15 А (~150 Вт при 12 В) есть смысл не заморачиваться и поставить П-канальный мосфет. Большинство П-канальных мосфетов средней мощности идут примерно с 50-60 мОм открытым каналом, что примерно дает максимум 10 Вт нагрева.

Так же есть вариант применения любого полумостового драйвера на Н-канальных мосфетах(либо только верхнего плеча). Скорее всего они на постоянной составляющей управляющего сигнала не будут работать, можно подать на них 99% заполнение ШИМ. Плюс такого метода - минимум обвязки, работа от стандартных логических уровней, можно регулировать выходное напряжение (например для контроля тока)
 

DAK

★★★✩✩✩✩
8 Окт 2020
517
137

@Геннадий П,
почему нет смысла? В сети прям куча мнений, при этом никто ничего не обосновывает. Просто потому-что. Оптопара с контролем нуля включает симистор в нуле. Говорят, что это снижает помехи в сеть, при включении нагрузки. Много народу говорит. Кому верить? Я бы рад увидеть схему включено симистора от обычной оптопары, думаю под обычной, вы имеете ввиду симисторную оптопару без контроля нуля. Я на следующей неделе планирую купить обычную оптопару и поэкспериментировать "вспышку", буду пробовать, потом напишу.
Извините, просто тема коммутации высокого напряжения зачастую делится на теорию и практику. Я был теоретиком, стал практиком. Экспериментам с 220 я уделю ещё время. Я прям хочу железно избавится от этой страной вспышки. Потом выложу все схемы и выводы, так же попробую посмотреть на помехи в сетьи при включении нагрузки.
И да, всё же 10 Вт это не так и мало...
 

Геннадий П

★★★★★★✩
14 Апр 2021
1,962
630
44
@DAK, Под обычной оптопарой я имею в виду на фототранзисторе.
Для нагрузки, которая работает от постоянного тока, а это подавляющее большинство современных (импульсные блоки питания, светодиодные лампы и т.п.) вообще фиолетово проходит включение через ноль или нет. Включение через ноль нужно только для индуктивной нагрузки.
И да, если оптопара с контролем нуля, то у нее должна быть обратная связь, определяющая когда этот "ноль", а тут ничего такого нет.
 

DAK

★★★✩✩✩✩
8 Окт 2020
517
137

@Геннадий П,
Кажется у нас разговор слепого с глухим. Вы сейчас про какую оптопару? MOC3083? Для управления симисторами лучше использовать оптопары с фотосимистором, но это мое мнение.... Можете скинуть схему, ну или ссылку на схему, я бы посмотрел и проэксперементировать. Много кто чего говорит и пишет, я теперь всё проверяю на живую.
 

DAK

★★★✩✩✩✩
8 Окт 2020
517
137
Немного о коммутации питания светодиодных люстр.

Начнём с подопытной люстры (гарантированно стабильно глючит (делает «вспышку») при подаче питания)
korpus.jpgplata.jpg

Теперь про симисторы и случайное включение («вспышку») при подаче питания.

Не поленился, и купил moc3021 (как я понимаю это та самая обычная оптопара для включения симистора, о которой упоминалось выше). Собрал на макетке пару схем:
sim_optron.png


Подачу управляющего сигнала на светодиод оптрона осуществлял напрямую с лабораторного блока питания.

Левая схема включения:

Собрал схему, подаю питания замыкая ключ S1, происходит «одинарная вспышка» светодиодов. Пробую подавать питание с ЛБП на оптрон, всё коммутируется, схема работает.

Отключаю ЛБП. Просто начинаю включать – выключать ключ S1. Вспышка происходит в среднем 3-4 раза на 10 включений-выключений ключа.

Вместо оптопары moc3021 пробовал нашу отечественную АОУ179Б с контролем нуля, но чуда не произошло, вспышки никуда не делись

Копаю Интернет, нахожу следующую схему включения (якобы с защитой от ложных срабатываний).

Собираю по следующей схеме (центральная схема включения)

Подаю питание и светодиоды в люстре сразу же засветились в пол накала. Люстра стала работать через цепочку R10-C1, замечательно (через снабер 39 Ом и 0,001 МКФ она ранее тоже работала в режиме стробоскопа).

Самая правая схема включения: по данной схеме собраны мои модули, точно знаю, что вспышки происходят.

Идём дальше, вернее возвращаемся к самой левой схеме и рвём соединение между 6 - той ногой оптопары и резистором.

Начинаем играть ключом S1, ничего не поменялось, в среднем 3-4 раза на 10 включений-выключений ключа!!!! Как так? Рвём соединение между 4-той ножкой оптрона и симистором…. Опять начинаем играть ключом и чудо! 1-2 вспышки на 20 включений ключа!

И вот тут лично мой ВЫВОД: не может быть универсальной схемы включения симистора в управление светодиодными люстрами и лампами. Не все люстры делают «вспышки». Однако либо для каждой люстры надо придумывать схему избавления от «вспышки» (даже не знаю, снаббер с конкретными номиналами, либо универсальная цепочка, которую надо подключать параллельно люстре), либо смириться со вспышками, тем более в квартирах это редкость.

Хотел ещё затронуть некий миф, про то, что ограничительный резистор на оптрон необходимо брать на большое напряжение и большую мощность, так как он будет греться (как не странно - это написано даже в статья Алекса про управление мощной нагрузкой). Я брал в руки прибор и мерил на этом резисторе падение напряжения во включенном и в отключенном состоянии! Нет там больших падений напряжения, прибор еле пол вольта показывает, пусто там! В обоих состояниях смешные показания. Если логически подумать, то на всём симисторе падение напряжения во включенном состоянии не может превысить 1-1,5 Вольт, а это значит, что при ограничительном резисторе даже на 100 Ом, ток по нему не будет превышать 15мА, мощность ну никак не сможет превысить 0,0225 ВТ. При отключенном оптроне ток через эту цепь вообще не проходит, так что хотите верьте мне, хотите – проверяйте сами, но этот резистор может быть любым по мощности и напряжению. У меня в модулях они вообще самые обычные китайский smd 1206 и работают более 18 месяцев без нареканий.

Не знаю у кого как, но у меня на свет 2 блока питания, 10 различных светодиодных светильников (каждый включен в отдельный канал управления), ещё 4 цепочки из 2-3 параллельных светильников (4 канала). Вспышку генерируют не все и не всегда, однако она есть… Это я тем, кто вдруг соберётся делать управление питанием светодиодных люстр через симисторы и вдруг случайно наткнётся на этот пост.

Ну и в конце - испробовал схему включения данной люстры через транзисторный ключ на 2-х TF8N50 и К293ПП3Р. Как и ожидал – никаких вспышек (дёргал выключатель раз 40-50). Падение на ключе прибор показывал 0,1 Вольт. Нагрева транзистора не ощутил (что в принципе логично). Далее я изготовил (из распотрошённых блоков питания) самую ударную светодиодную люстру, которую только смог придумать (фото и схема ниже) для испытания транзисторного ключа.
killer_shem.pngkiller.jpg

Как и следовало ожидать сперва при подаче питания (подключение вилки в розетку) всё хорошо. При подаче управления на оптрон, светодиод включился и больше не отключался. Сперва сдох один из TF8N50 (видать тот, что первым открылся). Потом я подкинул 2 740, поставив между истоком и затвором конденсатор на 1 мкФ, опять один из них так же помер. Скрестил 2 оставшихся транзистора, конденсатор увеличил до 5 мкФ (думал что при плавном наростании напряжения на затворе транзистор более плавно откроется и снизит ударный эффект). По прибору 740 начинает открываться на 3-х Вольтах, при этом полноценно открывается при 3.2 (ну это мои китайские транзисторы, думаю они далеко не оригинал), TF8N50 начинает при 4-х Вольтах открываться, при 4.2 в принципе уже полностью открыт. Собрал бутер из этих транзисторов. Подал питание, минус ещё один 740. Когда приедут новые транзисторы, проверю на включение блока питания от компа. Убийцу транзисторного ключа не стал проверять на семисторе bta24, жалко мне его стало, хоть и собрана схема с контролем нуля, но обычно симисторы перегорают сразу после подачи питания. (процентов на 90 уверен, что bt139 помрёт при такой нагрузки).

На днях попробую поставить термистор от блока питания (mf725d11), хочу проверить сможет ли он защитить китайские 740 транзисторы (благо их у меня не мало было, надо дожеч партию). Сперва проверю как они будут люстру включать, потом гляну как они сгорят при подключении вышеупомянутой нагрузки.

По итогу: у меня всё на столе, в принципе есть кучка всяких различных элементов (разодрал 2 блока питания), если кто может подсказать каким образом можно уберечь симисторы от "вспышек" или транзисторы от ёмкостной нагрузки, буду очень рад.