Hochspannungs-Durchgangstransistor – Niederspannungssteuerung

Ich habe einige Schwierigkeiten, meine Endstufe richtig zum Laufen zu bringen. Hier sind einige Informationen:

Ich habe eine +48-VDC-Quelle mit einem Reihendurchgangstransistor, um eine Last zwischen +45 V und 0 V zu treiben. Das Steuersystem verwendet Operationsverstärker und kann eine Ausgangsspannung von allem haben, was ich wirklich wünsche. (+5/-5, +5/ERDE, +12/-12, +12/ERDE). Das hängt von meiner Endstufe ab.

Von mir ausprobierte Geräte:
D44VH10 (Vce=80V, Vbe=7V, Ic=15A)
TIP142 (Vce=100V, Vbe=5V, Ic=10A)
2N6039 (Vce=80V, Vbe=5V, Ic=4A)

Womit ich Probleme habe, ist, meine Ausgangsstufe tatsächlich von +45 V auf 0 V zu bringen.

Ich habe einige Kombinationen von NPN-Durchgangstransistoren ausprobiert, die von einem PNP in einem Aufbau vom Darlington-Typ gesteuert werden, und dies erfüllt alle meine Anforderungen. Es erfordert jedoch, dass meine Operationsverstärker mit +48 V betrieben werden, was sie gerne tun, während sie brennen. Wenn ich den Ausgangshub meines Operationsverstärkers auf +12 / GND absenke, erreicht die Last nur maximal 26 V.

Ich habe dann einen PNP-Durchgangstransistor mit einer NPN-Steuerung in einem ähnlichen Darlington-Setup ausprobiert, der alle von einem NPN gegen Masse gesteuert wird. Dies funktionierte und erlaubte mir, +5 / GND als Ausgangsschwingung zu verwenden, aber selbst wenn ich 48 V und 1 A an meinen Steuer-NPN anlegte, erhielt meine Last nie mehr als 22 V.

Ich habe dann dasselbe wie oben versucht, aber mit einem MOSFET an Masse, und ich habe 27 V an meiner Last. Ich habe den MOSFET erneut modifiziert und verwendet, um einen Fototransistor anzusteuern, der wiederum einen NPN-Seriendurchgangstransistor von der 48-V-Quelle ansteuert. Ich habe es geschafft, meine 45 V auf diese Weise an die Last zu bringen, aber die Temperaturschwankungen und die Unzuverlässigkeit des Fototransistorpakets entsprechen nicht meinen Anforderungen, und das Schlimmste von allem war, dass AUS ein Zustand war, der um 7 mV und 2 mA ging.

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Also, mir fehlt hier etwas. Was ist der richtige Weg, um eine Ausgangsstufe von einem Steuersystem mit niedrigerer Spannung anzusteuern?

Der ganze Grund, warum ich das tue, ist, dass der einzige mir zur Verfügung stehende Operationsverstärker, der 40 V+ kann, 13 $/Stück kostet. Wenn ich meine Steuerschaltung auf einen geringeren Wert bringen kann, kann ich sie für 1 $ bekommen.

Ihnen fehlt etwas. Aber wir sind es auch. Was Sie erreichen möchten, kann mit Operationsverstärkern mit niedriger Spannung einfach und kostengünstig durchgeführt werden. Aber wir wissen nicht, was es ist :-). Ihre Beschreibung ist viel besser als viele, aber es scheint, dass Sie etwas wollen, das nicht ganz üblich ist, oder was Sie versucht haben, es zulassen sollte. Sie sagen 0-45 V. relativ o was>? Ist das 0-45 über der Last und die Last kann auf V+ referenziert werden. Oder muss die Last an einem Ende geerdet werden. Was ist die Last. Ist es resistiv oder ein Motor oder ... . Welchen Widerstand und welche Leistung? Sagen Sie uns alles und Sie erhalten eine hervorragende Antwort.
Welche Antriebsfrequenz / Geschwindigkeit benötigen Sie. Sind Signale AC oder analog über den Bereich oder wollen Sie einen Pegel einstellen und für einige Zeit stehen lassen. Wollen Sie z. B. eine 30-V-Sinuswelle oder nur z. B. einen 43-V-Pegel.
@Russell Hier sind weitere Informationen ... Der Lastkreis sieht folgendermaßen aus: Gleichgerichtet +48 VDC -> Reihendurchgangstransistor -> 0,1 / 5 W Widerstand -> LOAD -> 0,1 / 5 W Strommesswiderstand -> Gleichgerichtet 0 V und geerdet .. Die Last erfordert nur die Fähigkeit, auf einen beliebigen Punkt zwischen 0-45 VDC (relativ zu Erde, dem 0-V-Punkt nach dem Gleichrichter) variiert zu werden.
Ich entwerfe für zwei verschiedene Systeme. Einer wird nur resistiv sein und ein anderer wird zum Ansteuern einer Reihe von Schrittmotoren zum Testen dienen. Für die induktive Last setze ich einfach 4-5 Durchgangstransistoren ein und habe alles geklemmt und mit Dioden und massiven Source-Kappen für eine glatte Welligkeit geschützt.
Die Steuerung ist eine proportional kleine Steuerspannung von (vorzugsweise ein Operationsverstärker mit einer einzigen Versorgung bei +5 V / GND. Möglicherweise +5 / -5, um sicherzustellen, dass er gut und ausgeschaltet ist, wenn man den Operationsverstärker-Offset berücksichtigt).
Die aufgeräumte Schaltung würde machen was du willst. Der Operationsverstärker kann eine Einzelversorgung sein, da der Ausgang 0,6 V + betragen muss, damit der NPN-Transistor eingeschaltet wird, sodass der Operationsverstärker nicht vollständig auf Masse getrieben wird. LM324 / LM358 würde reichen. Beachten Sie, dass der Offset das Ergebnis beeinflusst, unabhängig davon, ob es sich um eine Einzel- oder Doppelversorgung handelt. Der Offstate-Ausgang kann bei Bedarf auf Null getrimmt werden.
Sie sagen uns immer noch, wie die Topologie Ihrer Meinung nach aussehen sollte, anstatt was Sie wirklich erreichen möchten. Sie geben bestimmte Widerstände an, anstatt uns mitzuteilen, was die Last benötigt und was Sie darüber wissen müssen.

Antworten (2)

Es gibt einige offene Fragen, aber ich werde versuchen, sie zu beantworten. Ich gehe davon aus, dass Sie eine Spannungssteuerung einer Last wünschen, die auf Masse bezogen werden muss, der Spannungsbereich 0-45 V beträgt, eine 48-V-Versorgung verfügbar ist, der maximale Strom 1 A beträgt und der Steuereingang eine Spannung von 0-5 V ist.

Hier ist eine Schaltung, die die von mir angegebenen Anforderungen erfüllt:

Dies ähnelt der Idee von Russells Schaltung mit einigen wesentlichen Unterschieden. Q2 ist eine gesteuerte Stromsenke, die linear mit der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers im Bereich von etwa 600 mV bis 5 V ist. Dieser Strom schaltet den PNP-Transistor Q1 variabel ein. Der Operationsverstärkerausgang von etwa 600 mV bis 5 V wird linear dem Laststrom zugeordnet, was zur Stabilität beitragen sollte. Die Kompensationskappe C2, die gegen R2//R5 arbeitet, bietet ein Mittel, um bei Bedarf zusätzliche Stabilität hinzuzufügen. C2 sollte nicht mehr als ein paar 10 s pF betragen.

Bei 5 V an der Basis von Q2 beträgt der Emitter etwa 4,3 V, sodass Q2 70 mA sinkt. Unter der Annahme, dass der Leistungstransistor Q1 eine Verstärkung von mindestens 15 hat (im plausiblen Bereich für diesen Transistortyp), kann der Laststrom bis zu 1A betragen.

R2 und R5 teilen die Lastspannung in den Bereich von 0-5 V, den der Operationsverstärker verarbeiten kann. Da Dinge passieren, möchten Sie sicherstellen, dass mit den vollen 48 V an P1 alles in Ordnung ist. Diese 48 V geteilt durch R2 und R5 werden 4,75 V in den Operationsverstärker. Das ist nahe genug an 5 V, um den größten Teil des Bereichs zu nutzen, aber immer noch einen kleinen Spielraum zu lassen.

Sie müssen sorgfältig über die Verlustleistung von Q1 nachdenken. Es könnte ziemlich viel sein, je nachdem, welchen Strom Ihre Last wirklich zieht. Im schlimmsten Fall beträgt die Lastspannung die Hälfte der Versorgung, also 24 V, und zieht 1 A. Das bringt 24 W auf Q1, was ziemlich viel ist. Wenn Ihre Last wirklich bis zu 1A ziehen kann, sollte Q1 wahrscheinlich ein TO-3 mit einem guten Kühlkörper und Zwangsluftkühlung sein. Wenn das zu viel ist, müssen Sie erwägen, die Topologien zu wechseln, um das zu erreichen, was Sie tun. 24W ist nicht trivial zu handhaben.

Q2 könnte auch warm werden, aber bei weitem nicht so schlimm wie Q1. Bei maximal 5 V an der Basis fällt es bei 70 mA um etwa 43 V ab, was 3 W entspricht. Das ist nicht allzu schwer zu handhaben, wie ein TO-220 mit einem kleinen Kühlkörper. Wenn Ihre Last nicht wirklich 1A benötigt, wird dies natürlich linear herunterskaliert.

Hoppla:

Ich habe den Schaltplan aktualisiert, um den zusätzlichen Widerstand in Reihe mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers zu entfernen. Die Schaltung entwickelte sich, als ich sie zeichnete, und ich bemerkte nicht, dass dieser Widerstand nicht mehr benötigt wurde, als die Schaltung ursprünglich veröffentlicht wurde. Die Beschreibung wurde entsprechend aktualisiert.

Danke für die tolle Aufschlüsselung. Mir fehlt komponententechnisch nichts, eines meiner Designs war genau wie Ihr Beispiel, ich hatte nur einen anderen R4-Wert. Ich bekomme immer noch mein seltsames Verhalten, also verstehe ich vielleicht die Datenblätter falsch. Für mein Beispiel verwende ich einen TIP32-Durchgangstransistor. Die Nennwerte sind Vce = 100 V, Vbe = 5 V, Ic = 3 A, gemäß dem Diagramm ist Hfe 100 von Ib = 1-100 mA. In diesem Diagramm steht jedoch auch, dass die Hfe-Kurve bei Vce = 4 V liegt. Im wirklichen Leben beträgt meine Verstärkung jedoch nicht 100, sondern nur 18,5! und mein Abfall über Vce = 3,3 V
Mein seltsames Verhalten war darauf zurückzuführen, dass ich den Gewinn unterschätzt hatte. Als Ergebnis würde ich nur einen Ausgang von etwa 26 V erhalten und mein Operationsverstärker hätte 5 V an seinem nicht invertierenden Eingang und etwa 2,6 V an seinem invertierenden Eingang, würde Q2 jedoch nicht mit voller Ausgangsspannung ansteuern. Ich nahm an, dass es ein Problem mit der Steuerschaltung war. Erst als Sie erwähnten "Q1 hat eine Verstärkung von mindestens 15 (im plausiblen Bereich für diesen Transistortyp)", habe ich tatsächlich beide Ströme gemessen und nachgerechnet ... Ich denke, nur so zu lernen. Danke Leute!
Kurze Frage zur Überprüfung. Wenn im Datenblatt beispielsweise Vce = 100 V, Ic = 5 A, P = 30 W bei 25 Grad angegeben ist, bedeutet dies, dass jede Kombination aus Spannung und Strom, die diese Werte nicht überschreitet (6 V bei 5 A, 300 mA bei 100 V usw.), dazu führt, dass dieses Paket nur vorhanden ist 25 Grad?
@uMinded: Nein, das bedeutet wahrscheinlich, dass der Transistor bis zu 30 W verbrauchen kann, wenn Sie sein Gehäuse auf 25 ° C halten . Das ist unwahrscheinlich, insbesondere bei 30 W. Das Datenblatt sollte Ihnen die maximale Die-Temperatur und den thermischen Widerstand zum Gehäuse geben. Mit der Kühlkörperspezifikation sollten Sie in der Lage sein, den Wärmewiderstand von Fall zu Luft abzuschätzen. Mit dem gesamten Luftwiderstand können Sie berechnen, wie viel Leistung der Transistor unter Ihren speziellen Umständen sicher verarbeiten kann.
@uMinded: Ja, die Verstärkung von Bipolartransistoren kann in der Nähe der maximalen Stromgrenze deutlich geringer sein als am Arbeitspunkt mit der höchsten Verstärkung. Deshalb wird insbesondere die Verstärkung von Leistungstransistoren meist in mehreren Arbeitspunkten angegeben.

Diese Schaltung scheint zu tun, was Sie wollen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dies ist ein Ausschneiden und Einfügen-Markup einer Schaltung, die von hier aus dem Internet kopiert wurde - nicht ideal, aber gut genug für Veranschaulichungszwecke. (Diese Webseite ist nicht sehr nützlich).

Der Operationsverstärker läuft ab 4 V. Etwas mehr ist sinnvoll, aber nicht viel. Hängt vom Ausgangshub des verwendeten Operationsverstärkers relativ zur + ve-Schiene ab. zB wäre ein LM324 {Datenblatt} mit V+ >= 6V glücklicher. 9V bis 12V wären in Ordnung.

Die Ausgangsspannung (Lastspannung) wird durch zwei Widerstände durch N:1 geteilt, um den gewünschten Steuerspannungspegel anzupassen. zB wenn Sie einen 20: 1-Teiler machen (zB 19K: 1k), dann für Vout = 50 V, Vcontrol ("Volage") = 2,5 V als 50/20 = 2,5.

Für einen bestimmten Strom bei 50 V muss der MOSFET die Leistung abführen, die nicht in der Last abgeführt wird.

zB wenn 100 mA bei 20 V in der Last abgenommen werden.
Lastleistung = 20 V x 100 mA = 2 Watt.
MOSFET-Leistung = V x I = (50-20) x 100 mA = 3 Watt

Bei höheren Strömen wäre eine erhebliche Wärmeableitung erforderlich.

Für

Maximal gewünschte Spannung = Vmax
Maximal gewünschter Strom = Imax

Die maximale MOSFET-Verlustleistung ist, wenn Vout = 0 = V x I
= Vmax x Imax.

Beachten Sie, dass der MOSFET im Schaltplan auf dem Kopf steht! Source und Drain sollten vertauscht werden.
@stevenh - Ja, danke. Das bekomme ich, wenn ich Diagramme aus dem Netz kopiere. Ich habe es mir damals notiert, dann aber vergessen, es zu ändern.
Hochspannungs-Durchgangstransistor – Niederspannungssteuerung
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