Благодаря сочетанию низкой начальной стоимости и низкого сопротивления во включенном состоянии использование обычных электромеханических реле часто бывает целесообразным для коммутации больших токов нагрузки, а также в других приложениях, не требующих пропорционального управления током или напряжением нагрузки. Низкая стоимость и низкое сопротивление являются основными причинами того, что реле по-прежнему широко используются в промышленности. Кроме того, из-за высокой степени изоляции между цепями управления и нагрузки реле остаются полезными для коммутации переменного тока высокого напряжения под управлением низковольтной электроники.
Однако несмотря на то, что технология реле хорошо отработана и обеспечивает проверенные рабочие характеристики, реле остаются механическими устройствами, подверженными износу и другим отказам. Электрическая износостойкость контактов реле накладывает ограничение на количество циклов переключения. Во время размыкания контактов реле прерывание тока в индуктивной нагрузке вызывает искрение, ухудшающее качество контактов. При коммутации больших токов наработка на отказ может составить всего 100,000 циклов переключения.
Альтернативной заменой контактам обычного реле в цепи переменного тока может служить пара последовательно соединенных MOSFET (Рисунок 1). Два устройства IRF530 переключают нагрузки в цепях с максимальными пиковыми напряжениями до ±100 В. Автоколебательный генератор, основанный на хорошо известном таймере 555 (IC1), вырабатывает прямоугольные импульсы, необходимые для управления затворами пар MOSFET. Резисторы R1 и R2 образуют пути заряда и разряда времязадающего конденсатора C1. Выходной каскад таймера 555 рассчитан на втекающий и вытекающий ток в несколько десятков миллиампер. Этого тока достаточно для одновременного управления 10 каскадами затворов, каждый из которых потребляет в пике 5 мА. Таким образом, максимальный втекающий ток таймера 555 составляет 50 мА при максимальном падении напряжения 0.75 В. Выход 555 управляет распределительной шиной, питающей группу импульсных трансформаторов T1 и T2. Конденсатор C3, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора, блокирует попадание в нее постоянного напряжения смещения.
 |
|
| Рисунок 1. | Один генератор прямоугольных импульсов на микросхеме 555 может управлять массивом из 15 твердотельных реле на основе MOSFET. |
Выбор трансформатора не имеет решающего значения, и в схеме может работать любой импульсный трансформатор с ферритовым сердечником, способный обеспечить открывающее напряжение затворов MOSFET и поддерживать безопасный уровень напряжения изоляции. Например, можно использовать трансформатор 76601/3 компании C&D Technology с соотношением числа витков 1:1, индуктивностью первичной обмотки 219 мкГн и межобмоточной изоляцией 500 В DC.
Подача управляющего сигнала на базу импульсного n-p-n транзистора общего назначения Q3 открывает путь протекания коллекторного тока через первичную обмотку трансформатора. Через диод D2 замыкается обратный ток обмотки. Диод D1 выпрямляет напряжение вторичной обмотки и заряжает конденсатор C4, который фильтрует выпрямленное напряжение для повышения помехозащищенности и снижения пульсаций напряжения на затворах MOSFET. Снятие управляющего сигнала выключает транзисторы Q1 и Q2. Резистор R3 обеспечивает путь разряда конденсатора C4, позволяя MOSFET выключиться примерно за 3 мс. Для более быстрого выключения можно уменьшить номиналы C4 или R3 ценой увеличения пульсаций выпрямленного напряжения на затворах.
Последовательное соединение двух MOSFET образует двунаправленный путь для переменного тока. Когда MOSFET закрыты, их паразитные диоды включены встречно-последовательно и, таким образом, блокируют прохождение тока. Можно выбрать любой из множества MOSFET, отвечающих требованиям конкретного приложения, но следует помнить о том, что напряжения, подаваемого на затворы Q1 и Q2, должно быть достаточно для полного открывания обоих устройств.
Пороговое напряжение затвора транзистора IRF530 составляет 3 В, но использование напряжения затвор-исток 10 В позволяет получить низкое сопротивление во включенном состоянии. Установить другое yнапряжение затвор-исток можно, изменив соотношение витков трансформатора или напряжение питания IC1 в пределах допустимых значений от 4.5 до 16 В (см. [1] и [2]).
Ссылки
- "Transformer-isolated gate driver provides very large duty cycle ratios," Application Note 950, International Rectifier Co.
- Balogh, Laszlo, "Design and application guide for high speed MOSFET gate drive circuits," Texas Instruments, 2002.
Купить IRF530 на РадиоЛоцман.Цены
