При напряжении ограничения встроенного в транзистор ограничителя около 30 В и сопротивлении резистора в цепи затвора 10 кОм ток через выход МК составит примерно 3 мА, что в три раза превышает допустимый. Поэтому для повышения надёжности схемы между затвором и истоком транзистора можно поставить дополнительный ограничитель с максимальным напряжением ограничения до 10 В. При таком напряжении ток через внутренние защитные диоды МК будет находиться на безопасном уровне 1 мА.
Также для повышения надёжности можно поставить высокоомный резистор (порядка 100 кОм) между затвором и истоком транзистора. Это предотвратит включение транзистора, когда выходы МК находятся в высокоимпедансном состоянии, например при срабатывании супервизора питания или сторожевого таймера. Поскольку такие ситуации кратковременны и маловероятны, резисторы затвор-исток не используются, поэтому на схеме не показаны.
Транзисторы
Для того чтобы транзистор был пригоден для использования в данном устройстве, он должен обладать следующими характеристиками:
- ток стока – не менее 6 А, типовое сопротивление канала – не более 1 Ом;
- напряжение сток-исток – не менее 600 В;
- двусторонний ограничитель напряжения на затворе – есть;
- максимальное пороговое напряжение затвор-исток – менее 5 В;
- график зависимости тока стока от напряжения на затворе – нормирован для напряжения затвора 5 В или меньше. То же относится к графику зависимости тока стока от напряжения сток-исток.
Кроме этого, в соответствии с требованием к проекту транзистор не должен сильно нагреваться, в идеале – не нагреваться вообще. Величина нагрева Tja характеризуется формулой:
Tja = P • Rth = R • I 2 • Rth + 25°C, (2.8)
Где R – сопротивление канала сток-исток;
I – ток нагрузки;
Rth – тепловое сопротивление транзистора (корпус-окружающая среда).
Так как частота переключения транзистора не превышает 100 Гц, его динамические потери малы, на нагрев не влияют, и поэтому в формуле не учитываются.
Из формулы следует, что транзистор должен иметь как можно меньшее значение теплового сопротивления. Выбранный транзистор имеет корпус практически идентичный корпусу TO220, и обладает относительно невысоким тепловым сопротивлением (62,5°C).
По причине, указанной далее в разделе Защита от превышения сетевого напряжения, транзистор должен быть рассчитан на напряжение сток-исток не менее 600 В. Помимо этого, в случае обрыва защитного диода транзистор не выйдет из строя при аварийном повышении напряжения сети вплоть до 380 В±10%.
По результатам изучения продукции основных производителей MOSFET транзисторов (Infineon, International Rectifier, Ixys, Fairchild, NEC, NXP, ON Semiconductors, Renesas, Toshiba, Vishay) выяснилось, что встроенный ограничитель напряжения на затворе имеется только у транзисторов фирмы Toshiba (данные 2009 года). Следует отметить, что рекомендация основана только на изучении описаний транзисторов. В частности, может потребоваться подбор резистора в цепи затвора.
Теоретически в устройстве можно применить и IGBT транзисторы. Однако найти такие экземпляры, которые удовлетворяли бы всем вышеперечисленным требованиям, не удалось. Кроме того, MOSFET транзисторы, как правило, дешевле. К сожалению, так называемые logic level транзисторы, управляемые цифровыми уровнями сигналов и подходящие по остальным параметрам, в частности, рассчитанные на напряжение 600 В, пока не существуют.
л) Резисторы в цепи затвора
Сопротивление резисторов R5 и R6 оказывает влияние на следующие факторы:
- защиту выхода МК от броска тока при перезарядке входной ёмкости транзистора (чем больше сопротивление, тем меньше ток);
- защиту выхода МК от превышения напряжения на затворе, которое возникает из-за ёмкости Миллера (чем больше сопротивление, тем лучше защита);
- степень нагрева транзисторов (чем меньше сопротивление, тем меньше нагрев);
- уровень помех радио- и ИК-приёму, а также в электросети (чем больше сопротивление, тем меньше помех);
- силу звона нитей ламп накаливания (чем больше сопротивление, тем меньше звон).
Влияние сопротивления на ток потребления, а также на падение напряжения на переходе сток-исток транзистора в силу малых величин не учитывается
Анализируя перечисленные факторы, приходим к очевидному выводу, что, в целом, чем больше сопротивление, тем лучше. Однако слишком сильно его увеличивать тоже нельзя – это приведёт к нагреву транзистора.
Для начала выясним минимально допустимое сопротивление резистора в цепи затвора. Оно определяется безопасным уровнем тока выхода МК при перезарядке ёмкости затвора транзистора. В этот момент выход МК оказывается кратковременно замкнут на землю. Учитывая ток выхода по описанию МК 20 мА и напряжение питания 5 В, по закону Ома получаем минимально допустимое сопротивление 250 Ом.
Теперь попробуем определить номинальное сопротивление резистора с точки зрения ограничения напряжения на выводе МК. В описании МК сказано, что уровень безопасного тока, протекающего через внутренние диоды, составляет 1 мА. Максимально допустимое напряжение на затворе транзистора, указанное в его описании, составляет ±30 В. Встроенный в транзистор двусторонний ограничитель не позволяет напряжению превысить эту величину. Следовательно, чтобы обеспечить безопасный ток через внутренние диоды МК потребуется сопротивление R = 30 / 0,001 = 30 кОм. При таком высоком сопротивлении в цепи затвора увеличится сопротивление канала сток-исток. Это приведёт к уменьшению яркости лампы и нагреву транзистора. Следовательно, выбирать сопротивление по данному критерию нельзя. Кроме того, как было отмечено ранее, вряд ли в бытовой электросети встретятся ситуации, вызывающие значительное повышение напряжения на затворе.
Остаётся выбирать сопротивление, ориентируясь на степень нагрева транзистора, уровень помех и силу звона нити лампы. Два последних фактора требуют высокого сопротивления резистора, а первый – низкого. Получается, что сопротивление надо выбирать как компромисс.
Следует отметить, что помимо неприятного жужжания, звон нити лампы резко сокращает её ресурс. Тестирование ламп различных производителей на минимальный уровень звона нити позволило расположить их в следующем порядке предпочтений: Osram, Philips, General Electric. В результате выбор остановился на матовых лампах Osram Classic B FR 60 230V E14/SES, 660lm, Energy index E.
м) Цепь защиты
Предохранитель F1 и защитный диод VD1 формируют цепь защиты, которая предохраняет устройство от выхода из строя при коротком замыкании нагрузки, превышения её мощности, а также при бросках напряжения в сети, и аварийного повышения её напряжения до 380 В.
Предохранитель рассчитывается, исходя из максимальной нагрузки, по стандартной формуле:
I = P / U. (2.9)
Отсюда I = 2 • 60 / 220 = 0,55 (А). Ток потребления схемы при этом не учитывается, т.к. в сравнении он пренебрежимо мал. Вполне допустимо выбрать предохранитель на 0,5 А.
Чтобы защитить чувствительные полупроводниковые приборы, используется быстродействующий предохранитель. Для отечественного предохранителя серии ВП2Б-1В время срабатывания при превышении номинального тока в 2,75 раза равно 1 секунде. Предохранители с замедленным временем срабатывания (в керамическом или стеклянном корпусе) при выходе из строя издают резкий и громкий звук, оставляя на плате (или на стене ) чёрное пятно. Выбор сделан в пользу керамического корпуса, т.к. стеклянные корпуса при срабатывании иногда рассыпаются.
Использовать современные полимерные предохранители в данной схеме не представляется возможным из-за их сильного нагрева и невысокой скорости срабатывания. Например, для предохранителя LB600LV время срабатывания при токе нагрузки 3 А составляет 36 секунд.
Защита от короткого замыкания нагрузки и превышения её мощности
Возможны два варианта короткого замыкания: при выключенной нагрузке и при включенной нагрузке.
В первом случае ток возрастает медленно, т.к. нагрузка всегда включается при нулевом напряжении в сети, и яркость лампы всегда увеличивается плавно. Поскольку в устройстве применён быстродействующий предохранитель, он успевает перегореть, защищая другие элементы схемы.
Во втором случае ток мгновенно возрастает настолько, что предохранитель не успевает защитить чувствительный к перегрузкам транзистор. В результате транзистор выходит из строя первым. Теоретически это говорит о том, что транзистор может не выдержать перегрузку, которая возникает, если лампа перегорит во время работы, т.к. ток при этом достигает несколько десятков ампер.
Короткое замыкание в цепи питания +5 В устройству не страшны, т.к. в этом случае роль ограничителя тока играет балластный резистор.
При повышенной мощности нагрузки устройство ведёт себя так же как в случае короткого замыкания при выключенной нагрузке.
Установлено, что при выходе из строя транзистора все его выводы оказываются замкнутыми между собой. Поскольку в этом случае на затворе будет потенциал земли, предпринимать дополнительные меры по защите выходов МК не требуется.
Защита от превышения сетевого напряжения
Для защиты от высоковольтных помех, возникающих в электрической сети, например при грозовых разрядах, применяется двусторонний полупроводниковый ограничитель напряжения – защитный диод. По сравнению с варисторами защитные диоды обладают более высоким быстродействием, что позволяет использовать их для предохранения высокочувствительных полупроводниковых приборов, к которым, в частности, относятся и микроконтроллеры. Кроме того, в отличие от варисторов их характеристики не ухудшаются со временем.
Защитный диод устанавливается параллельно входу устройства непосредственно за предохранителем. Выводы защитного диода служат теплоотводом. Согласно описанию, длина каждого вывода должна составлять 10 мм.
Если в течение некоторого времени ток через защитный диод будет превышать ток срабатывания предохранителя, последний перегорает, защищая устройство. Чем больше превышение тока, тем быстрее сработает предохранитель. Как уже отмечалось, применённый в схеме быстродействующий предохранитель имеет время срабатывания 1 сек. при превышении номинального тока в 2,75 раза.