Interruttori allo stato solido 1 Questa parte tratta le problematiche del pilotaggio low-side di carichi di potenza: con MOS con BJT Velocità di commutazione MOS Velocità di commutazione BJT 2 2003 Politecnico di Torino 1
3 Low side con MOS Caso più semplice: NMOS su uscita della porta Il MOS deve avere tensione di soglia più bassa della V OH della porta Connessione diretta possibile con porte CMOS alimentate a 5V 4 2003 Politecnico di Torino 2
Low side con MOS Nel caso di porta TTL (V OH = 2,7V ) occorre una resistenza di pull-up per portare la V OH a circa 5V Utilizzando un MOS non si hanno limiti sostanziali alla massima tensione e corrente commutabile (basta trovare il MOS adatto!) 5 Pilotaggio MOS L induttanza dei collegamenti tra porta e gate del MOS, associata alla capacità di gate, forma un circuito risonante 6 2003 Politecnico di Torino 3
Pilotaggio gate All accensione del MOS possono innescarsi oscillazioni che possono creare problemi per due motivi: Tensione impulsiva su gate di ampiezza doppia rispetto all eccitazione: distruzione del gate per perforazione dell ossido Transitori multipli di accensione/spegnimento che aumentano la dissipazione di potenza 7 Resistenza di gate Soluzione: inserire resistenza in serie al gate per abbassare Q del circuito risonante La resistenza rallenta la commutazione: occorre valore di compromesso Di solito R G a 10-20Ω è intorno 8 2003 Politecnico di Torino 4
9 BJT: stadio singolo Come elemento attivo si può usare anche un BJT 10 2003 Politecnico di Torino 5
BJT: stadio singolo Come elemento attivo si può usare anche un BJT La corrente di base deve essere fornita dalla porta e deve essere inferiore a I OH 11 BJT: stadio singolo Come elemento attivo si può usare anche un BJT La corrente di base deve essere fornita dalla porta e deve essere inferiore a I OH I B =(V OH -V BEsat )/R B 12 2003 Politecnico di Torino 6
BJT: stadio singolo Come elemento attivo si può usare anche un BJT La corrente di base deve essere fornita dalla porta e deve essere inferiore a I OH I B =(V OH -V BEsat )/R B I B deve essere in grado di saturare il transistor 13 BJT: stadio singolo Come elemento attivo si può usare anche un BJT La corrente di base deve essere fornita dalla porta e deve essere inferiore a I OH I B =(V OH -V BEsat )/R B I B deve essere in grado di saturare il transistor Poco adatto con porte TTL con I OH <<I OL 14 2003 Politecnico di Torino 7
con BJT Pilotaggio da porta open collector 15 BJT e Open Collector Utilizzando porte open collector si può adottare lo schema a fianco 16 2003 Politecnico di Torino 8
BJT e Open Collector Utilizzando porte open collector si può adottare lo schema a fianco R PU può essere dimensionata per far scorrere I OL con uscita a 0: I O =(V LG V OL )/R PU 17 BJT e Open Collector Utilizzando porte open collector si può adottare lo schema a fianco R PU può essere dimensionata per far scorrere I OL con uscita a 0: I O =(V LG V OL )/R PU Con uscita alta: I B =(V LG -V BEsat )/R PU 18 2003 Politecnico di Torino 9
BJT e Open Collector Utilizzando porte open collector si può adottare lo schema a fianco R PU può essere dimensionata per far scorrere I OL con uscita a 0: I O =(V LG V OL )/R PU Con uscita alta: I B =(V LG -V BEsat )/R PU In uscita dalla porta non si ha livello logico valido 19 Pilotaggio di carichi a tensione negativa Il circuito dello schema a fianco permette di pilotare carichi alimentati a tensione negativa con corrente pari a: I L =I OH β 1 Il valore di R è: VOH V R = I OH BE 1 ( β + 1) 1min V EB 2 20 2003 Politecnico di Torino 10
con BJT Stadio Darlington 21 Darlington L uso di transistor bipolari come amplificatori pone un limite alla massima corrente nel carico: Il guadagno di corrente di un transistor è limitato 22 2003 Politecnico di Torino 11
Darlington L uso di transistor bipolari come amplificatori pone un limite alla massima corrente nel carico: Il guadagno di corrente di un transistor è limitato Un aumento della corrente commutabile può essere ottenuto con due transistor in configurazione Darlington o derivate (guadagno di corrente=prodotto dei guadagni) 23 Darlington L uso di transistor bipolari come amplificatori pone un limite alla massima corrente nel carico: Il guadagno di corrente di un transistor è limitato Un aumento della corrente commutabile può essere ottenuto con due transistor in configurazione Darlington o derivate (guadagno di corrente=prodotto dei guadagni) Sono disponibili coppie Darlington integrate con guadagno di qualche migliaio e correnti di decine d ampere 24 2003 Politecnico di Torino 12
Darlington: configurazione base La configurazione base è riportata a fianco e si trova in forma integrata 25 Darlington: configurazione base La configurazione base è riportata a fianco e si trova in forma integrata R E serve ad accelerare lo spegnimento di T 2 26 2003 Politecnico di Torino 13
Darlington: configurazione base La configurazione base è riportata a fianco e si trova in forma integrata R E serve ad accelerare lo spegnimento di T 2 T 2 non satura: Buona velocità di commutazione Elevata V CE in conduzione piena! 27 Darlington: configurazione alternativa Qualora servisse ridurre la V CE si può usare questa configurazione T 2 satura T 1 non satura: Bassa V CE2 Minore efficienza della configurazione base, perché I C1 non scorre nel carico 28 2003 Politecnico di Torino 14
Amplificatori a tre transistor Se il guadagno di corrente è ancora troppo basso, occorre aggiungere un ulteriore stadio Le cadute di tensione sulle giunzioni BE dei transistor si sommano: con tre transistor la tensione risultante può essere troppo alta per garantire la commutazione Si utilizzano configurazioni miste di NPN e PNP 29 In questa versione, il livello alto dell uscita provoca la saturazione di T 1 e T 2 e la conduzione di T 3, che non satura Darlington a tre transistor 30 2003 Politecnico di Torino 15
In questa versione, il livello alto dell uscita provoca la saturazione di T 1 e T 2 e la conduzione di T 3, che non satura Questa configurazione ha caratteristiche simili alla prima vista con due transistor: Alta efficienza Darlington a tre transistor Elevata caduta di tensione su T 3 31 Alternativa a tre transistor Se si desidera bassa caduta su T 3, è possibile questa struttura, a costo di minore efficienza: Solo la corrente di collettore di T 3 passa nel carico 2 1 3 32 2003 Politecnico di Torino 16
Alternativa a tre transistor Se si desidera bassa caduta su T 3, è possibile questa struttura, a costo di minore efficienza: Solo la corrente di collettore di T 3 passa nel carico 2 Si può dimensionare R B considerando il livello basso: in R B può scorrere una corrente fino a β 1MIN I OL 1 3 33 Velocità di commutazione MOS 34 2003 Politecnico di Torino 17
Commutazione dei MOS Nel caso di interruttore a MOS, la velocità di commutazione dipende da quanto rapidamente il circuito di pilotaggio riesce a caricare la capacità di gate. Sono possibili velocità di decine di ns La carica tipica da fornire al gate per un MOS di media potenza è dell ordine di 50nC : per commutarlo in 50ns, supponendo di lavorare a corrente costante, si ha: I G =50nC /50ns =1A 35 MOS driver Se la velocità di commutazione richiesta non è compatibile con le caratteristiche della porta logica utilizzata, la soluzione più semplice è l utilizzo di un MOS driver: Ingresso TTL compatibile Alimentazione: 12V Uscita: Gradino di tensione di 10V Corrente di 1A o più in pochi ns 36 2003 Politecnico di Torino 18
MOS driver: avvertenze I MOS driver consumano elevata corrente impulsiva Èsempre necessario porre sull alimentazione il più vicino possibile un condensatore che fornisca la carica di commutazione 37 Driver discreti Se non occorre aumentare la tensione ma solo la corrente, è possibile utilizzare uno stadio a collettore comune come driver È sempre necessario il condensatore sull alimentazione 38 2003 Politecnico di Torino 19
Velocità di commutazione BJT 39 Commutazione dei BJT Gli interruttori basati su BJT sono lenti in fase di spegnimento: quando la porta passa a VOL, la corrente per svuotare la base è un ordine di grandezza più bassa di quella di saturazione: I OFF =(V BE V OL )/R B I SAT =(V OH V BE )/R B 40 2003 Politecnico di Torino 20
Partitore di base Un miglioramento si può ottenere aggiungendo una resistenza R 2 che aumenta la corrente di base in fase di spegnimento Non tutta la I OH però contribuisce alla corrente di base del transistor I OFF =(V BE V OL )/R B + V BE /R 2 I SAT =(V OH V BE )/R B - V BE /R 2 41 Condensatore di accelerazione Altra tecnica consiste nell applicare un condensatore in parallelo a R B per diminuire l impedenza del driver durante la commutazione Il valore di C B deve essere commisurato al salto di tensione del driver ed alla carica in eccesso presente Questa tecnica non sempre è applicabile 42 2003 Politecnico di Torino 21
Altre tecniche Esistono altre tecniche per velocizzare lo spegnimento dei BJT, che consistono nel limitare o nell evitare la saturazione del dispositivo Ad esempio è possibile usare un diodo Schottky tra base e collettore del transistor che evita la saturazione 43 Rallentamento della commutazione Ci sono situazioni in cui occorre rallentare la commutazione: Carichi capacitivi (alte correnti di accensione) Grossi carichi che comporterebbero elevata di/dt o abbassamento della tensione di alimentazione per caduta su componente induttiva della linea Limitazione dei disturbi EMC generati durante la commutazione 44 2003 Politecnico di Torino 22
Limitazione della corrente di gate Una tecnica utile a limitare la velocità di commutazione nel caso di interruttore a MOS è la limitazione della corrente di gate (es. resistenza in serie di valore opportuno) 45 Soft start Quando il carico è lento, cioè è sensibile al solo valor medio della corrente, una tecnica utilizzata è denominata soft start Consiste nell accendere il carico pilotando l interruttore con un onda quadra a duty-cycle variabile (passa da 0 a 1 in n cicli) Le componenti alternate della corrente nel carico vengono filtrate da un apposito filtro LC 46 2003 Politecnico di Torino 23
Soft start: circuito e fdo Spesso è sufficiente utilizzare il condensatore C 1 che fornisce la componente AC della corrente Per un migliore filtraggio è possibile inserire un filtro LC (L 2 - C 1 - C 2 ) 47 2003 Politecnico di Torino 24