Электронный выключатель нагрузки – это устройство, не имеющее движущихся частей, которое работает как реле. Обычно два полевых МОП-транзистора действуют как переключающий элемент, один из которых является N-канальным, а другой – P-канальным.

Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки

Когда переключатель нагрузки (транзистор Q1 на схеме) включен, временно протекает большой ток, намного превышающий установившийся. Если заряд конденсатора близок к нулю, возникает большой бросок тока, напряжение подается на выход Vo, что приводит к мгновенному и большому заряду в протекающем токе. Этот чрезмерный ток часто называют пусковым.

Пик пускового тока в значительной степени определяется входным напряжением Vi, сопротивлением Rds (on) полевого МОП-транзистора Q1, ESR емкости CL на стороне нагрузки и увеличивается вместе с входным напряжением Vi. Чрезмерно большой пусковой ток может вызвать сбои или неисправности схемы. Превышение максимального номинального тока также может привести к повреждению.

Но добавляя конденсатор C2 параллельно резистору R1, подключенному между затвором и истоком полевого МОП-транзистора Q1, можно замедлить снижение напряжения затвора, что постепенно уменьшит Rds (on) и сгладит пусковой ток.

Противодействие пусковому току (когда переключатель нагрузки Nch MOSFET включен)

Переключателем нагрузки тут выступает MOSFET RSQ020N03, Vin = 5 В, Io = 1 А.

• Переключатель Q1 включен, когда Q2 выключен (напряжение затвора Q1 будет больше, чем Vo (Q1 Vgs)).
• Переключатель нагрузки Q1 выключен, когда Q2 включен.
• В качестве контрмеры был добавлен C2 для минимизации пускового тока при включении Q1.

Эквивалентная схема переключателя нагрузки

Даже когда переключатель нагрузки Q1 переключается с ВКЛ на ВЫКЛ, напряжение на выходном выводе Vo будет всё-ещё оставаться в течение определенного периода времени в зависимости от емкости CL нагрузки на выходной стороне.

Если напряжение на Vi ниже чем Vo, обратный ток может течь с выхода Vo на вход Vin через паразитный диод, образованный между стоком и истоком полевого МОП-транзистора Q1. Необходимо убедиться, что номинальный ток полевого транзистора Q1 не превышается ни при каких обстоятельствах. Кроме того, при определении значения емкости входного шунтирующего конденсатора CIN, следует учитывать время нарастания с учетом условий нагрузки.

Вот эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки:

А теперь перейдём к практике и соберём реально работающий переключатель нагрузки на силовом полевом транзисторе MOSFET. Тут обычный небольшой ползунковый переключатель будет управлять функцией включения / выключения питания.

Схема переключателя силового полевого МОП-транзистора

Эта схема является альтернативой мощным тумблерам, поскольку в ней используется небольшой ползунковый переключатель слабого тока коммутации для управления полевым МОП-транзистором, который может держать уровень рассеиваемой мощности примерно до 50 Вт. Схема также имеет встроенную оптопару, которая упрощает управление полевым МОП-транзистором с помощью гальванически изолированного внешнего сигнала или цифрового выхода микроконтроллера (Ардуино например). Более того, поскольку основной ток не проходит через механический ползунковый переключатель / оптопару, можно использовать различные, даже самые слабые компоненты.

Ключевой частью схемы, предназначенной в первую очередь для работы с 12 В постоянного тока, является силовой МОП-транзистор IRF9540 с P-каналом (T1). Питание может подаваться на разъем CN1 (DC-IN), при этом ползунковый переключатель управляет питанием на разъеме CN2 (DC-OUT). Чтобы использовать внешний сигнал для управления T1, установите ползунковый переключатель (S1) в положение «выключено», а затем подайте управляющий сигнал от Arduino через 2-х контактный разъем CN3.

Обратите внимание, что схема не имеет функций защиты входа от обратной полярности, поэтому напряжение постоянного тока и внешний управляющий сигнал следует вводить в схему с правильной полярностью. Кроме того, может потребоваться изменить значение резистора R3 ограничителя тока оптопары (по умолчанию 220 Ом), если планируется использовать нестандартный внешний управляющий сигнал.

Идеи по проектированию устройства

Переключатель нагрузки состоит из двух основных элементов – транзистора и механизма управления, как показано на схеме. Проходной транзистор чаще всего представляет собой полевой МОП-транзистор (N-канальный или P-канальный), который передает напряжение на заданную нагрузку, когда он открыт. Выбор P-канального или N-канального MOSFET зависит от конкретных потребностей устройства. Но P-канальный MOSFET имеет явное преимущество перед N-канальным в простоте механизма управления включением / выключением. Здесь N-канальный MOSFET требует дополнительной шины напряжения для затвора (P-канальный не требует).

На рисунке показан пример схемы переключателя нагрузки с P-канальным силовым МОП-транзистором. Здесь внешний переключатель / управляющий сигнал включает и выключает MOSFET через слабый транзистор. Когда вход переключателя / управления имеет низкий уровень, тот транзистор выключен, а затвор полевого МОП-транзистора подтягивается до VIN. Но когда вход переключателя / управления высокий по уровню, малосигнальный транзистор включается, затвор полевого МОП-транзистора опускается, и он включается тоже. Пока входное напряжение на шине выше порогового напряжения полевого МОП-транзистора, он будет включаться, когда вход переключателя / управления находится в состоянии высоком, без необходимости в дополнительном источнике напряжения. Подтягивающий резистор выбирается таким образом, чтобы через него проходил небольшой ток, когда малосигнальный транзистор включен (стандартный диапазон сопротивления от 1 кОм до 10 кОм).

Проще говоря, полевой МОП-транзистор можно рассматривать как переменный резистор, сопротивление сток-исток которого (Rds) является функцией разности напряжений на выводах затвор-исток (Vgs). Если нет разницы потенциалов между затвором-истоком, тогда сопротивление сток-исток очень велико и ток не течет. С другой стороны, если имеется соответствующее напряжение затвор-исток, сопротивление сток-исток очень низкое и действует как замкнутый переключатель, таким образом ток течет через него в нагрузку.

Транзистор MOSFET должен иметь номинальный постоянный ток превышающий максимальный ток нагрузки предлагаемого применения.

Тестирование на макетной плате переключателя нагрузки с силовым полевым транзистором показано на фото.

В общем предлагаемое схемное решение уже много раз доказало свою ценность в различных проектах (в том числе в автомобиле), как надёжный, безопасный и долговечный коммутатор.