52. Управление нагрузками: ключи, реле, MOSFET, драйверы

Вывод микроконтроллера отдаёт восемь миллиампер. Мотор, нагреватель, лента светодиодов, насос требуют амперов. Между ними стоит ключ — и от того, какой он, зависит, будет устройство работать годами или сгорит на третьем включении.

Раздел про выбор: биполярный транзистор, полевой, реле или готовый модуль; почему затвор полевого транзистора — это конденсатор и почему из-за этого нужен драйвер; сколько тепла выделяет каждый вариант.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
MOSFET, power MOSFET	полевой транзистор с изолированным затвором
gate, drain, source	затвор, сток, исток
gate threshold voltage (Vgs(th))	пороговое напряжение затвора
logic level MOSFET	полевой транзистор с логическим уровнем управления
on-resistance (Rds(on))	сопротивление открытого канала
gate charge (Qg), input capacitance (Ciss)	заряд затвора, входная ёмкость
gate driver	драйвер затвора
conduction / switching losses	потери проводимости / переключения
low-side / high-side switch	нижний / верхний ключ
bootstrap	вольтодобавка для верхнего ключа
body diode	встроенный диод
solid-state relay (SSR)	твердотельное реле
contact rating, cycles	параметры контакта, ресурс
inrush current	пусковой ток

52.1 Три способа и их цена

Нагрузка 5 А от 12 В — обычная задача (мотор, лента, ТЭН). Вот что теряет каждый вариант:

Биполярный проигрывает в 6,4 раза: у него падение почти не зависит от тока, и на амперах это сразу ватты. У полевого падает всего 110 мВ.

Но у полевого потери растут как квадрат тока: 10 А дадут уже 2,2 Вт, вчетверо больше. Плюс сопротивление канала растёт с нагревом — к 100 °C примерно вдвое, и 0,55 Вт превращаются в 1,1 Вт. Оба эффекта надо закладывать в расчёт радиатора.

Реле особняком: на контакте теряется мало, но обмотка ест 360 мВт постоянно, независимо от тока нагрузки. На нагрузке 1 А полевой теряет 22 мВт — одна обмотка реле ест в шестнадцать раз больше; на 5 А реле теряет 1,25 + 0,36 = 1,61 Вт против 0,55 Вт — почти втрое больше полевого. Выигрывает реле только у биполярного ключа (3,5 Вт) — и там, где нужна изоляция (52.6).

52.2 Затвор — это конденсатор

Полевой транзистор управляется напряжением, а не током: постоянного тока затвор не потребляет. Но затвор — конденсатор, и каждое переключение означает зарядить и разрядить его. Заряд затвора у ходового транзистора — 48 нКл, что при 5 В соответствует ёмкости 9600 пФ.

Отсюда главное число: сколько времени займёт переключение.

Разница в 125 раз. Драйвер нужен не потому, что «мощнее», а потому, что отдаёт большой ток на короткое время.

Средний ток при этом крошечный: при ШИМ 20 кГц затвор берёт 0,96 мА, а мощность управления — 4,8 мВт. Вся сложность в пике, а не в среднем.

52.3 Почему медленный фронт убивает транзистор

Пока затвор заряжается, транзистор находится между «закрыт» и «открыт»: через него одновременно течёт ток и на нём есть напряжение. Это тепло, и выделяется оно каждое переключение.

При 12 В, 5 А и ШИМ 20 кГц:

7,2 Вт — это не «нагреется», это «сгорит»: в тринадцать раз больше, чем потери проводимости. Транзистор, который спокойно держит 5 А постоянно, разрушится за секунды при попытке коммутировать те же 5 А напрямую от вывода.

⚠️ Правило. Медленный фронт допустим только на низкой частоте. При тех же 6 мкс на 100 Гц потери переключения — 0,036 Вт, а при включении раз в секунду они вовсе пренебрежимы. Граница примерно такая: выше 150 Гц с током в амперы — нужен драйвер. Реле, лампа, нагреватель, клапан переключаются редко — им драйвер не нужен.

52.4 Обвязка затвора

Резистор затвора ограничивает бросок тока и гасит звон на фронте:

Вывод микроконтроллера отдаёт 8 мА — то есть напрямую можно ставить только 470 Ом и больше, и тогда постоянная времени затвора получается 4,5 мкс. Малые номиналы (22…100 Ом) имеют смысл только с драйвером.

Подтяжка затвора к истоку обязательна. До инициализации выводы микроконтроллера — входы, затвор «висит» и может набрать заряд от наводки: транзистор приоткроется в самый неподходящий момент. Резистор 100 кОм тратит 33 мкА во включённом состоянии и разряжает затвор за 960 мкс — этого достаточно.

Порог. Пороговое напряжение Vgs(th) в описании транзистора — не «открывается», а «едва начинает проводить»: его нормируют при токе стока в доли миллиампера. Для ампер нагрузки смотрят другую строку — сопротивление канала при заданном напряжении на затворе. У транзистора из примера порог до 2,0 В, а 22 мОм обещаны при 5 В; при 3,3 В канал заметно хуже, а насколько — описание часто не говорит. Для управления прямо от вывода 3,3 В берут транзистор, у которого сопротивление канала нормировано при 2,5 или 2,7 В. Обычный полевой транзистор нормируют при 10 В на затворе: от 3,3 В он почти закрыт, канал в разы или в десятки раз хуже, и вместо 0,55 Вт получается 2,75 или 11 Вт. Это самая частая и самая дорогая ошибка новичка.

52.5 Нижний ключ и верхний

Нижний ключ — транзистор между нагрузкой и землёй. Исток на земле, поэтому напряжение затвор-исток равно напряжению вывода: просто и работает. Минус — нагрузка всё время под напряжением, её «минус» переключается.

Верхний ключ — транзистор между питанием и нагрузкой. Тот же N-канальный транзистор здесь не откроется: его исток «висит» на нагрузке и поднимается почти до питания, так что относительно истока на затворе получается ноль или минус. Чтобы открыть, на затворе нужно 17 В — выше питания нагрузки.

Решения три:

• P-канальный транзистор — открывается низким уровнем на затворе, но «низкий» ему нужен относительно 12 В, а не 3,3; нужен согласующий каскад (тот же биполярный ключ).
• Драйвер с вольтодобавкой — конденсатор подзаряжается от питания драйвера, пока открыт нижний ключ, и поднимает затвор верхнего выше питания; так работает большинство драйверов полумоста. Отсюда ограничение: заполнение не может долго быть 100 % — без подзарядки конденсатор разрядится током драйвера и утечками, и верхний ключ закроется сам. Для нагрузки, которую включают и держат, берут драйвер со встроенным зарядовым насосом, готовую микросхему верхнего ключа или P-канальный транзистор.
• Готовая микросхема верхнего ключа — со встроенной защитой по току и температуре, управляется логическим уровнем напрямую.

Для мостовых схем (двигатель в обе стороны, преобразователи из раздела 46.3) верхний ключ неизбежен, и там берут драйвер полумоста.

52.6 Реле: когда оно уместно

Реле берут ради изоляции и универсальности контакта: он одинаково коммутирует постоянный ток, переменный, сигнал и силу, не зависит от полярности, не имеет утечки в закрытом состоянии. За это платят инерцией, износом и щелчком.

Реле нельзя ставить туда, где переключение частое: ресурс кончится. Расчёт простой — 100 000 циклов делится на частоту переключений.

Экономия на удержании: реле срабатывает при полном токе, а удерживается третью — снижение тока после срабатывания (ШИМ на обмотке) экономит до 240 мВт из 360. То же делают схемой «конденсатор параллельно резистору»: на старте конденсатор пропускает полный ток, дальше ток ограничивает резистор.

Гасящий диод обязателен — раздел 51.2.

Твердотельное реле — оптрон плюс симистор или полевые транзисторы: изоляция есть, механики нет, ресурс не ограничен циклами. Дороже, имеет утечку в закрытом состоянии и падение на открытом. И важно, что внутри. Симисторное — только для переменного тока: симистор гаснет, лишь когда ток проходит через ноль, и на постоянном, включившись, уже не выключится. Реле «с переходом через ноль» включает нагрузку только в начале полупериода: для ШИМ оно не годится, им управляют целыми полупериодами. Для постоянного тока берут реле на полевых транзисторах.

52.7 Что выбрать

Отдельно про пусковой ток: лампа накаливания в холодном состоянии имеет сопротивление в десять раз меньше рабочего, двигатель при пуске берёт кратный ток, ёмкостная нагрузка — почти короткое замыкание на мгновение. Ключ выбирают по пусковому току, а не по рабочему.

Индуктивная нагрузка под ШИМ — мотор, соленоид, клапан — требует диода параллельно нагрузке, и на десятках килогерц только Шоттки или быстровосстанавливающегося. Обычный выпрямительный восстанавливается микросекундами (в модели раздела 169.4 — 3 мкс): на каждом включении ключа через него идёт обратный ток, и ключ греется «без причины». Встроенный диод транзистора нижнего ключа стоит параллельно ключу, а не нагрузке, и эту работу не делает.

52.8 Грабли

Полевой транзистор греется, хотя ток небольшой. Взят обычный вместо транзистора с логическим уровнем: при 3,3 В на затворе он открыт лишь частично.

Транзистор сгорел при первом же ШИМ. Потери переключения: медленный фронт от вывода на высокой частоте.

Нагрузка включается сама при подаче питания. Нет подтяжки затвора: до инициализации вывод — вход.

Мотор работает, но транзистор раскалён. Пусковой ток, потери переключения или медленный диод параллельно мотору (52.7); проверить фронт осциллографом и посчитать I²R при реальном токе.

Верхний N-канальный ключ не открывается. Так и должно быть — нужен драйвер с вольтодобавкой или P-канальный.

Верхний ключ на драйвере полумоста сам закрывается при 100 % заполнении. Конденсатор вольтодобавки подзаряжается, только пока открыт нижний ключ; оставить паузу в каждом периоде или взять драйвер с зарядовым насосом.

Реле «дребезжит» при включении. Просадка питания от пускового тока обмотки — обмотку питать отдельно от логики.

Микроконтроллер перезагружается при коммутации. Выброс от индуктивности, общая земля с силовой цепью, отсутствие развязки — разводить силу и логику раздельно (раздел 49.8).

Реле перестало включаться через полгода. Ресурс контактов: посчитать число переключений в сутки.

Полевой транзистор «не выключается». Затвор разряжается через слишком большой резистор, либо ёмкость сток-затвор подтягивает затвор обратно на быстром фронте — нужен драйвер с активным разрядом.

52.9 Итоги

• На 5 А биполярный ключ теряет 3,5 Вт, контакт реле 1,25 Вт, полевой — 0,55 Вт; потери полевого растут как квадрат тока и вдвое с нагревом.
• Затвор — конденсатор на 48 нКл: от вывода он заряжается 6 мкс, от драйвера на 1 А — 48 нс.
• Медленный фронт на 20 кГц стоит 7,2 Вт против 0,06 Вт с драйвером; граница «без драйвера» — примерно 150 Гц.
• Резистор затвора от вывода — не меньше 470 Ом; подтяжка затвора к истоку обязательна.
• Обычный полевой транзистор при 3,3 В на затворе почти закрыт: брать тот, у которого сопротивление канала нормировано при 2,5–2,7 В; порог Vgs(th) для выбора не годится.
• Верхний N-канальный ключ требует напряжения выше питания нагрузки — драйвер с вольтодобавкой (не держит 100 % заполнения), с зарядовым насосом или P-канальный.
• Реле даёт изоляцию и универсальный контакт ценой 360 мВт, 10 мс и ресурса в 100 000 циклов.
• Ключ выбирают по пусковому току, а не по рабочему.

Дальше: раздел 53 «Источники питания» — откуда берётся то, что мы всё это время коммутировали.