Эта небольшая статья возможно станет шпаргалкой для начинающих разработчиков, которые хотят проектировать надежные и эффективные схемы управления силовыми полупроводниковыми ключами, обновит и освежит старые знания опытных специалистов или может хотя бы где-то поцарапает закрома памяти читателей.
Любому из этих случаев я буду очень рад.
В этой заметке я попробую описать наиболее распространенные вопросы выбора затворных резисторов для силовых электронных устройств. Она базируется на знаниях, почерпнутых мной из разной литературы, апноутов от TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments а также из скромной практики. Стоит заметить, что эта информация не дает прямо универсальных рекомендаций для каждого силового ключа. Тем не менее, можно проанализировать какие предположения могут быть важны и какое влияние они могут оказать на выбор резисторов затвора для дискретных силовых транзисторов, а также для силовых модулей.
Основы
Затворный резистор расположен в цепи между драйвером силового транзистора и затвором самого транзистора, как показано на изображении в шапке статьи.
Открыт или закрыт полевой ключ (IGBT/MOSFET) зависит от приложенного к затвору напряжения. Изменение этого напряжения заряжает или разряжает затворные емкости силового устройства, которые состоят из емкостей затвора-коллектора и затвора-эмиттера и небольшой емкости самого затвора. Заряд входных емкостей ключа включит его (ток ), а разряд выключит (ток ).
Резистор в данной цепи ограничивает ток заряда/разряда входных емкостей, помимо этого, правильно подобранный резистор не даст ключу самопроизвольно открываться, что иногда может случиться, из-за быстрого изменения напряжения на силовых выводах ключа например, такое может случиться, когда в полумостовой топологии соседний ключ открывается. В таком случае емкость перезаряжается и ток, протекающий через затворный резистор вызывает на нем падение напряжения, которое и может открыть ключ. К тому же порог открывания ключа часто сильно опускается при росте температуры кристалла полупроводника.
Что нужно знать и как выбрать “правильный” резистор
1. Максимальный ток заряда/разряда выхода драйвера
Любая микросхема драйвера имеет такой параметр, как максимальный выходной ток. Если ток затвора при открытии/закрытии ключа превысит значение максимального выходного тока, то драйвер может выйти из строя, поэтому, в данном случае, затворный резистор ограничит выходной ток драйвера.
Можно составить эквивалентную модель цепи, по которой и рассчитать необходимое значение резистора:
Следуя несложным умозаключениям, можем получить формулы для расчета тока драйвера, и подобрать резистор затвора таким, чтобы не превысить максимально допустимые параметры драйвера:
2. Рассеиваемая мощность
Также одна из важных функций затворного резистора — рассеивать мощность выходного каскада микросхемы драйвера. В соответствии с моделью выше, рассеиваемую мощность можно посчитать с помощью следующих формул:
Тут — заряд затвора ключа, а — частота коммутации. После расчета и подбора резистора важно соблюдать следующее условие:
где — собственное потребление драйвера.
Тут еще есть небольшое примечание, в большинстве даташитов на ключи указывают заряд затвора при определенных условиях, например при напряжении управления затвором +15В…-15В, если же в Вашей схеме другое напряжение управления, например +15В. 0В, или же +15…-8В, то достаточно точно определить заряд затвора помогут следующие соотношения:
3. Скорость включения и электромагнитная совместимость
Давайте рассмотрим потери на переключение, как функцию от сопротивления затворного резистора. Я возьму ключ, который я недавно использовал в своем небольшом проекте — IKW40N120 от любимых Infineon:
Как можно заметить, при увеличении сопротивления затвора, скорость переключения уменьшается и потери на переключения растут. Соответственно это повлияет на эффективность системы в целом. Напротив, если применять меньшее сопротивление затвора, переключение станет более быстрым и потери уменьшаться, но при этом шум, вызванный быстрым нарастанием тока и напряжения, будет увеличиваться, что может быть критично, когда нужно отвечать требованиям электромагнитной совместимости поэтому значение сопротивления затвора нужно выбирать очень аккуратно.
4. То самое “паразитное” включение
В начале, когда я писал о функциях затворного резистора, я упоминал о возможности ключа самопроизвольно включиться. Чтобы такого не случилось, можно рассчитать напряжение, которое может появиться на затворе транзистора, посмотрим на изображение ниже и запишем две небольшие формулы:
И не стоит забывать, что напряжение открытия ключа сильно зависит от температуры кристалла, и это тоже нужно учитывать.
Заключение
Теперь у нас есть формулы для оптимального (в какой-то степени) подбора с первого взгляда такого простого элемента силовой схемы, как затворный резистор.
Вполне возможно вы не нашли тут ничего нового, но я надеюсь, что хоть кому-то эта заметка окажется полезной.
Также для расширения кругозора в том числе в области управлении силовыми ключами очень советую выделять часик-два в неделю на прочтение всяких статей и апноутов от именитых производителей силовой электроники, в особенности о применении микросхем драйверов. Уверен, найдёте там очень много интересностей. Для старта, и чтобы углубится в рассмотренную тему предлагаю вот эту.
Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.
Небольшая поясняющая картинка:
Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.
Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.
Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.
Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:
В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.
Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h21э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.
Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А, а транзистор имеет h21э = 100. Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал? И каким при этом будет сопротивление R1?
Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):
В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.
Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.
Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.
Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.
Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.
Рисунок 1. Входная характеристика транзистора
Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!
Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».
Как рассчитать режим работы ключевого каскада
Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.
Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.
Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.
Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.
При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).
Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.
Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»
Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.
Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.
Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.
Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.
Как подобрать резистор по назначению и принципу работы
Резисторы – радиоэлементы, без которых нельзя построить ни одну электрическую схему. На их долю приходится примерно половина всех монтируемых в схеме деталей. Резисторы позволяют контролировать, ограничивать и распределять ток между другими элементами. Их основной характеристикой является сопротивление, измеряемое в Ом.
Обозначение резисторов
Графический знак резистора, принятый среди наших соотечественников, – прямоугольник. За рубежом его изображают в виде ломаной линии, напоминающей букву W. На схемах рядом с графическим изображением указывают буквенно-цифровую маркировку, которая включает букву R, число, которое обозначает номер элемента на схеме, значение сопротивления. Если к номеру позиции элемента добавлен значок «*», то это означает, что величина сопротивления указана приблизительно. Точное значение придется подбирать при настройке устройства. Поэтому постоянные резисторы для данной области применения не пригодны. Внутри графического символа может указываться номинальная мощность рассеивания.
Виды резисторов
Производители предлагают широчайший ассортимент резисторов, из которого нужно подобрать деталь, подходящую по конструкции, назначению и цене. Рассмотрим характеристики самых распространенных видов этих радиоэлементов. По материалу резистивного элемента различают изделия проволочные, непроволочные, металлофольговые.
Проволочные
Это традиционная разновидность, применяемая нашими папами и дедушками. Токопроводящую проволоку с большим удельным сопротивлением изготавливают на основе сплавов из меди, никеля, марганца – манганина, константана, никелина. В ходе работы могут нагреваться.
Непроволочные
В конструкцию входят: диэлектрическое основание и покрытие, обладающее определенным сопротивлением. Такое покрытие называют резистивом, оно может быть пленочным или объемным. Пленочные бывают:
Сопротивление пленочных резисторов регулируют за счет толщины покрытия. Основные характеристики этих изделий: стабильность, точность, широкий диапазон значений сопротивления – от нескольких Ом до МОм.
Классификация резисторов по принципу работы
В зависимости от области применения, используют резисторы:
Всем привет. Много, долго и упорно искал нормального человеческого описания как рассчитывается сопротивление для базы. Либо берут какието непонятные параметры и делят по непонятным формулам, либо вы***ются что это знают все.
Вот например у меня есть транзистор 3102АМ, самый дешевый и доступный. Удобный даташит U мах =50В I мах =200мА h21r=100-250
Я использую, напряжение 5 вольт, h21r у меня =218(у первого), 231(у второго) подключать буду на один транзистор 2 релюшки по 50мА=100мА на второй транзистор 2 светодиода по 10мА=20мА
я сейчас подключил на один транзистор 1 релюшку потребляющую 50Ма на катушке, и попеременно подключал на базу резисторы 220Ом, 270Ом, 1,5КОм, 2,2КОм, 3,3КОм. релюшка не стработала только от резистора на 3,3КОм.
1. Как теперь по формуле решить это. 2. Как рассчитать какое сопротивление базы для светодиодов(20мА) и какое сопротивление базы для релюшек(100мА). 3. Почему не проще просто подключить 220Ом на базу, Сила тока I = 0,02 А этого достаточно и не превышает допустимой силы тока для базы
ОГРОМНАЯ просьба, не кидать сюда ссылки и книги в которых НЕТ описания как рассчитывать сопротивление
Расчет сопротивления для металлического слоя произвольной формы Здравствуйте форумчане. Извиняюсь если не в том разделе или если неправильно описываю. Есть.
Расчет ВАХ биполярного транзистора Вопрос следующий. Как рассчитывать входные/выходные ВАХ биполярного транзистора? есть ли какой.
Расчет ключевого PNP транзистора Добрый день, делал управление семисегментным индикатором с общим анодом. Для управления взял PNP.
Расчет H– параметров биполярного транзистора Помогите пожалуйста,заранее спасибо) Задача 1. По заданным статическим характеристикам.
В даташите прямо указано, что это максимальный импульсный ток. А максимальный средний ток 100 мА. Так что 2 релюшки по 50 мА не советую через этот транзистор включать. Работать будет, но не долго.
и затвора-эмиттера 
и небольшой емкости самого затвора. Заряд входных емкостей ключа включит его (ток 
), а разряд выключит (ток 
).
— заряд затвора ключа, а 
— частота коммутации. 
— собственное потребление драйвера.
Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.
