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Sep 30, 2023

Aprenda y construya un interruptor lateral alto

Como ingeniero electrónico tengo una colección mental de circuitos que he

Como ingeniero electrónico, tengo una colección mental de circuitos que he recopilado a lo largo de los años, al igual que un mecánico recopila herramientas especializadas mientras funcionan. Todos los ingenieros hacen esto y las herramientas en sus cajas de herramientas generalmente representan el historial y la amplitud de su proyecto.

Un circuito útil para tener en la caja de herramientas del diseñador es el "interruptor lateral alto". Como suena, este es un circuito que cambia el "lado alto" o voltaje positivo a una carga.

Por lo general, tendemos a cambiar las cosas a tierra como se ve en las salidas, como una salida de colector abierto, la razón es que la tierra generalmente es una entidad conocida y generalmente tiene una baja impedancia y un voltaje conocido. Pero hay ventajas en el uso de un interruptor de lado alto en sus circuitos.

Cambiar el lado alto trata con más incógnitas que el lado bajo; el voltaje de entrada, el voltaje de salida requerido y la impedancia del voltaje de la fuente son prácticamente variables. La mayoría de las veces, también necesitamos presentar una salida de baja impedancia, lo que significa que la resistencia del interruptor del lado alto en sí no forma un divisor de voltaje con la carga donde cae un voltaje significativo a través del interruptor.

Podríamos hacer un interruptor de lado alto con un relé, por ejemplo, y hay momentos en que esto todavía se hace. Por lo general, las propiedades de uso de corriente, capacidad de corriente, voltaje de bobina, costo y tamaño están en desacuerdo entre sí.

Si usamos un transistor estándar, es un hecho que tendremos que vivir con una caída de voltaje de algún tipo. Por un lado, esto significa que no podemos tener una salida de 5 voltios de una fuente de 5 voltios, ya que normalmente perdemos 0,3 voltios en el proceso. A altas corrientes, la disipación de potencia también se sale rápidamente de control.

Usando un transistor de efecto de campo (FET) podemos hacer uso de algunas de sus mejores cualidades para hacer un cambio. Para reducir el FET que usaríamos, podemos comenzar diciendo que queremos una parte que normalmente está apagada y debe encenderse aplicando un voltaje de control, lo que significa que queremos un FET de modo de mejora. A continuación, decidimos si queremos controlar el dispositivo usando un voltaje mayor que el voltaje que estamos cambiando (si está disponible) o menor que el voltaje. Por ejemplo, si queremos encender 5 voltios, ¿queremos hacerlo usando 8 voltios o más o 4 voltios o menos? En el ejemplo aquí, queremos encender el interruptor del lado alto sin un voltaje adicional, de hecho, poner a tierra una señal es algo atractivo. Eso deja un FET de mejora de canal P como nuestra elección.

Los rasgos de cualquier parte pueden ser amplios y variados, por lo que comenzamos buscando algunos parámetros importantes. En aplicaciones de conmutación, a diferencia de algo así como una aplicación de amplificador de audio lineal, es importante una baja resistencia de drenaje a fuente. Este parámetro conocido como Drenaje de resistencia a la fuente ON o RDS(ON) y una buena parte utilizable normalmente se mide en miliohmios. Usando la ley de ohmios, un atajo rápido nos dice que a un amperio de corriente, la caída de voltaje de miliohmios será de milivoltios.

A continuación, queremos asegurarnos de que podemos encender la pieza con el voltaje que tenemos disponible. Esto equivale a la especificación Voltage Gate to Source Threshold VGS (thresh). Un VGS (umbral) de -1 v significa que si queremos cambiar 3,3 voltios, debemos tirar de la compuerta al menos 1 volt por debajo de 3,3 v. El uso de un transistor o un dispositivo de colector abierto generalmente puede generar una señal dentro de 0,3-0,5 v de tierra, mucho espacio en este caso para cambiar 2.5V usando una parte con un VGS (umbral) de un voltio más o menos.

Al observar las especificaciones de varios dispositivos que se muestran en la tabla, vemos que se están produciendo muchas compensaciones. Si seleccionamos paquetes TO-92 más pequeños, obtenemos valores RDS (ON) de un ohm o más grandes, inutilizables en nuestro caso. Si vamos demasiado pequeño de un RDS (ON) el precio se cuadruplica. Otras partes tienen un VGS (umbral) demasiado grande, pero la realidad es que no fue muy difícil encontrar partes que pudieran usarse para el proyecto que se muestra aquí.

Para aquellos interesados ​​en echar un vistazo debajo de las cubiertas, la razón por la que una carcasa más grande como la TO-220 tiene una resistencia de encendido más baja es porque la carcasa tiene un troquel de chip más grande. Una matriz de chip más grande tiene un área de superficie más grande que ofrece menos resistencia. El hecho de que estemos usando un dispositivo de canal P significa que también necesitamos más área de superficie, ya que los dispositivos de canal P son generalmente menos eficientes que los dispositivos de canal N, ya que usan "agujeros" para su portador en lugar de electrones. La declaración más simple es que la movilidad de los huecos es menor que la movilidad de los electrones.

El circuito del interruptor consta de dos componentes básicos, sin contar los componentes adicionales que buscaríamos para un diseño digno de producción, como el diodo de protección inversa para el FET. Dicho esto, el FET que se muestra tiene un diodo de avalancha inverso incorporado para protección contra sobrevoltaje e inversión, pero es trabajo del ingeniero determinar si se necesita protección adicional.

La resistencia que se muestra es una resistencia de polarización y mantiene la compuerta en un valor conocido sin ninguna otra entrada presente; en este caso, mantiene el FET en el estado apagado o no conductor. En resumen, la resistencia mantiene el FET en un estado VGS de 0v cuando se necesita al menos -1v para encenderlo.

Para demostrar los efectos de RDS(ON) bajo, tengo un circuito que se muestra con una carga de 5 ohmios. Recordando la ley de Ohms y que E=IR, una carga de 5 ohmios en 5 voltios produce una corriente de carga de 1 amperio. Usando la misma ecuación, el RDS (encendido) es fácil de demostrar usando 1 amperio de corriente: una caída de voltaje de 0,057 voltios a 1 amperio significa que la resistencia del FET en este caso es de 0,057 ohmios. Para ponerlo en perspectiva para nosotros, la potencia que disipa el dispositivo es P=I2R, o 0,057 vatios o 57 milivatios. Ni siquiera tenemos que hacer nuestros cálculos térmicos para saber que no se necesita un disipador de calor y que el dispositivo funcionará de manera confiable si se usa de esta manera. Para ponerlo en perspectiva, la disipación de potencia de la resistencia de carga es de 5 vatios, 87 veces la del propio interruptor.

Dado que solo perdemos 0,057 voltios en el proceso de encender la carga, esto significa que podemos usar un suministro de 5 V como fuente y aún encender una carga de 5 V, como uno de los muchos controladores de 5 V o placas de microcomputadora disponibles en la actualidad... esto es casi tan bueno como un interruptor mecánico.

Con la adición de un transistor simple y una resistencia en su base para limitar la corriente, podemos invertir la señal necesaria para encender el FET. Esto significa que podemos crear una situación de empuje haciendo que el voltaje del lado de la carga se conecte al transistor inversor; una vez alto, el transistor mantendrá el FET encendido hasta que algo apague el transistor.

Mis pensamientos al mostrar un circuito push-on se derivan de pensamientos sobre conjuntos o aplicaciones alimentados por batería en los que tal vez se use un temporizador para apagarse después de un cierto período de tiempo. Una carga basada en un controlador puede incluso apagar su propia fuente de alimentación, aunque esto es un poco más complicado cuando la carga necesita tiempo para apagarse limpiamente, como un sistema basado en Linux, Raspbery PI, por ejemplo.

Con suerte, este es un ejemplo de un circuito simple que puede resultarle útil en algún momento, al menos hemos explorado las propiedades de un interruptor lateral alto y un poco sobre la selección de un componente por sus especificaciones.