Помогите разобраться с схемой, Заряд аккумулятора Опции

[Буратино]

Необходимо сделать зарядное для пяти Ni-MH батарей T341-U1 270mAh 3.6V (три банки в каждой). При этом на зарядку они должны ставиться не всегда все вместе, но и по отдельности.

Делал зарядное ус-во на MC33340+LM317. Более подходящего и недорогого не находил. Получается нужно пять комплектов MC33340+LM317?
Спасибо.

[Herz]

Мотивы эти понятны, но, ограничивая импульсный ток, мы подвергаем полевик опасности выхода за ОБР. Поэтому, если автор возмёт более мощный ключ, токовая нагрузка на него должна быть допустимой. А логика переключения - быстрой.

[=AK=]

ограничивая импульсный ток, мы подвергаем полевик опасности выхода за ОБР.

Эта "опасность" надуманная, не имеющая в данном случае никаких реальных оснований.

Проблем, которые потенциально могли бы вывести полевик из строя, две:
1) заряд емкости нагрузки
2) статическое потребление нагрузки.
Поскольку статическое потребление не превышает 30 мА, то его можно исключить из рассмотрения: при медленном включении полевику с макс. рассеиваемой мощностью более 0.5 Вт от него вреда не будет, даже если бы полевик в течении часа держали в "полувключенном" состоянии. А проблема заряда емкости нагрузки решается как раз при замедлении включения полевика: чем медленнее включаем - тем лучше, тем легче режим работы полевика.

Поэтому рекомендация остается в силе: 100к в затворе, 100нФ между затвором и стоком. В принципе емкость можно и побольше поставить, работать будет надежнее. Просто 100 нФ - ходовой номинал, вполне достаточный для решения задачи.

[wim]

А проблема заряда емкости нагрузки решается как раз при замедлении включения полевика: чем медленнее включаем - тем лучше, тем легче режим работы полевика.

Затягивать время пребывания полевика в активном режиме не имеет смысла. Больше длительность - меньше допустимый ток. В данном случае для тока стока 1 А максимальная длительность импульса по графику SOA порядка 10 мс, так что время переключения надо, наоборот, уменьшить. А больше 1 А полевик не даст - у него там плоский участок характеристики.

[=AK=]

Затягивать время пребывания полевика в активном режиме не имеет смысла. Больше длительность - меньше допустимый ток. В данном случае для тока стока 1 А максимальная длительность импульса по графику SOA порядка 10 мс, так что время переключения надо, наоборот, уменьшить. А больше 1 А полевик не даст - у него там плоский участок характеристики.

Повторяю, статический ток нагрузки всего 30 мА, поэтому размахивать "одним ампером" абсолютно бессмысленно. Что же касается тока заряда емкостей нагрузки, то: чем медленнее включается транзистор, тем меньше ток заряда и тем лучше тепловой режим транзистора.

За 10 мс током 1А до 4 В зарядится емкость 2500 мкФ. Вряд ли у топикстартера емкость такой величины. Однако, если емкость действительно так велика, то надо увеличить время включения. Cкажем, до 1 сек - тогда, чтобы зарядить емкость, достаточно, чтобы через транзистор проxoдил ток всего 10 мА. Этого, надеюсь, достаточно, чтобы прекратились спекуляции на тему SOA?

При заряде емкости фиксированной величины режим полевика будет всегда тем легче, чем медленнее он включается. В емкость вкачивается определенная энергия, в процессе закачки на сопротивлении канала теряется часть этой энергии. Величина потерь фиксирована и не зависит от величины сопротивления "резистора" (т.е.полевика). Больше сопротивление - дольше идет процесс заряда - энергия потерь успевает абсорбироваться большей массой и даже, возможно, рассеяться. А при "ударном" заряде вся энергия мгновенно выделяется в канале полевика, создавая локальный перегрев.

[SKov]

Величина потерь фиксирована и не зависит от величины сопротивления "резистора" (т.е.полевика).
Больше сопротивление - дольше идет процесс заряда - энергия потерь успевает

Вы, конечно, правы, и вообще непонятно, о чем спор. Но из вредности хочу привязаться к отквоченному утверждению.
Оно не совсем точно. Полевик открывается относительно медленно, и его сопротивление, очевидно, меняется во времени и очень значительно.
КПД этого "заряжателя емкости" в каждый момент времени очень разное. (КПД - в переводе - рассеиваемая мощность )
Пример. Предположим, что напряжение на конденсаторе меняется линейно,
т.е. сопротивление полевика меняется таким образом, что заряд идет постоянным током. Тогда в начальный момент времени КПД самое плохое и в процессе заряда плавно увеличивается до самого хорошего. Это значит, что ваше утверждение о постоянстве величины
потерь - несколько сомнительно. Согласны?

[=AK=]

Про спекуляции это лишнее. Я Вам ничего плохого не сказал (и даже не подумал).

Не принимайте все только на свой счет. Вы были не первый, кто неуместно высказался о SOA.

Оно не совсем точно. Полевик открывается относительно медленно, и его сопротивление, очевидно, меняется во времени и очень значительно.
КПД этого "заряжателя емкости" в каждый момент времени очень разное. (КПД - в переводе - рассеиваемая мощность )
Пример. Предположим, что напряжение на конденсаторе меняется линейно,
т.е. сопротивление полевика меняется таким образом, что заряд идет постоянным током. Тогда в начальный момент времени КПД самое плохое и в процессе заряда плавно увеличивается до самого хорошего. Это значит, что ваше утверждение о постоянстве величины потерь - несколько сомнительно. Согласны?

Не согласен.
Я утверждаю, что при заряде конденсатора через резистор - на резисторе рассеивается некоторая энергия.
Я утверждаю, что величина этой энергии не зависит от сопротивления резистора. На резисторе 0.01 Ом будет потеряно ровно столько же, сколько на резисторе 100 МОм. А если резистор зделать переменным и быстро крутить его в процессе заряда, величина потерянной энергии не изменится. Она не зависит от сопротивления. Зато она зависит от емкости.

[rezident]

Я утверждаю, что при заряде конденсатора через резистор - на резисторе рассеивается некоторая энергия.

Может не стоит увлекаться? Кроме интегрального параметра в виде энергии, нас интересует еще и статистический процесс рассеивания этой энергии в окружающую среду через тепловыделение. К сожалению, нельзя мгновенно рассеять неопределенно большую энергию. Теплопроводность материала корпуса и окружающей среды имеет конечную величину. Видимо поэтому вам и напоминают о SOA.
На самом деле (как я уже указал выше) в данном случае самыми существенным параметрами (самым "узким" местом) для данной схемы являются максимальный импульсный ток MOSFET и сопротивление его открытого канала. Расчетный импульсный ток через ключ в ней может превышать максимальный допустимый для данного MOSFET. Вот и вся причина. Либо MOSFET с большим допустимым импульсным током (≥8-9А, скажем) нужно ставить (при том же сопротивлении открытого канала), либо принудительно ограничить импульсный ток, включив в цепь питания балластный резистор.

[=AK=]

Может не стоит увлекаться? Кроме интегрального параметра в виде энергии, нас интересует еще и статистический процесс рассеивания этой энергии в окружающую среду через тепловыделение. К сожалению, нельзя мгновенно рассеять неопределенно большую энергию. Теплопроводность материала корпуса и окружающей среды имеет конечную величину.

Сформулируйте внятно, что вы пытаетесь оспорить. Пока что я вижу, что вы - в лучшем случае - ломитесь в открытые ворота.

Есть два крайних способа, как поступить с этой энергией:
1) Мгновенно выплеснуть ее в проводящий канал полевика. При этом та незначительная масса материала, которая составляет проводящий канал, должна "всосать" эту энергию и не выйти из строя.
2) Выделять ее как можно более долго и постепенно.
Все остальные варианты находятся между ними.

Пока что все "возражения" сводились к тому, что "надо бы побыстрей" - без понимания того, что "побыстрей" гарантированно будет хуже. Всегда. Чем медленнее выделяется эта энергия, тем меньше мгновенная мощность, и одновременно - тем больше массы материала будет вовлечено в процесс ее абсорбции, тем больше площади поверхности будет участвовать в рассеянии выделенного тепла. Я везде подчеркиваю, что чем медленнее - тем лучше. При фиксированной интегральной энергии правильность моего подхода вполне очевидна.

Так в чем же состоит моя "увлеченность", поясните? Может, вы думаете, что есть некий "оптимум", после которого дальнейшее замедление процесса включения начнет ухудшать режим работы полевика, увеличивая вероятность его выхода из строя? Если вы так думаете, то, увы, вы ошибаетесь. Движение из 1) к 2) монотонное.

Видимо поэтому вам и напоминают о SOA.

Я полагаю, что о SOA говорят те, кто предпочитает использовать бюрократический подход вместо физического.

[wim]

... Я полагаю, что о SOA говорят те ...

Например, парни из Тексаса:
Hotswap Design using TPS2490/91 ...
И еще придумывают всякие сложные схемы.

[=AK=]

Например, парни из Тексаса:
Hotswap Design using TPS2490/91 ...
И еще придумывают всякие сложные схемы.

Уж не знаю, сколько раз придется повторять одно и то же...

При включении питания есть две фундаментальные опасности, которые могут вывести ключ из строя за счет перегрева:
1) Перегрев за счет статического тока потребления нагрузки. Эта опасность заставляет включать транзистор как можно быстрее.
2) Перегрев за счет заряда емкости нагрузки. Эта опасность заставляет включать ключ как можно медленнее.
За счет противоречия между п.1) и п.2) возникает возможность оптимизации.

Однако топикстартер ясно сказал, что ток нагрузки в рабочем режиме не превышает 30 мА. Следовательно, п.1) перестает быть значимым. Его можно не рассматривать вообще. Остается один только п.2), а поиск оптимума теряет смысл.

[wim]

Уж не знаю, сколько раз придется повторять одно и то же...

Повторять не нужно, покольку повторы, и даже выделение текста жирным шрифтом, доказательности не добавляют. Лучше дать какой-нибудь "обоснуй". Приведенный пример с TPS2490 как раз этот случай - заряд емкости через ключ. Собс-но, ничего революционного там нет - просто собрали до кучи описание предельных режимов MOSFET с пояснениями, откуда что берется. И даже если не смотреть буржуйский даташит - греет не энергия, рассеиваемая элементом (на постоянном токе она вообще бесконечна ), а мощность. Рассеиваемая мощность при переключении - это, условно говоря, треугольник, ограниченный наклонными линиями - уменьшением напряжения и увеличением тока - и линией времени. Рассеиваемая мощность - это площадь треугольника. Увеличиваем время пребывания ключа в активном режиме - увеличивается мощность. Ограничение по мощности ключа - наклонная линия на графике SOA, превышать которую нельзя. Зависимость теплопередачи от длительности импульса и скважности нелинейная, ну, там объясняют, почему, не буду повторять. Вот для таких случаев, когда работаем вблизи предельных значений, умная микросхема, управляя током затвора, формирует "безопасную" характеристику переключения - с ограничением максимального тока и рассеиваемой мощности.

[=AK=]

греет не энергия, рассеиваемая элементом (на постоянном токе она вообще бесконечна ), а мощность.

Мощность имеет смысл учитывать для п.1), т.е. для статического тока потребления. Поскольку макс. статический ток потребления не превышает 30 мА, то для 5В питания (беру по максимуму) статическая мощность ни при каких обстоятельствах, никогда не превысит 150 мВт. На практике она будет намного меньше, однако для точного определения необходимо знать ВАХ нагрузки. Но меня же устраивает даже эта чрезмерно завышенная оценка.

Поскольку мощность рассеяния указанного транзистора превышает 0.5 Вт, то статическая можность никогда не превысит одной трети от допустимой. Это значит, что транзистор можно включать как угодно долго, хоть бесконечно долго, все равно мощность никогда не превысит 150 мВт. При таких обстоятельствах все рассуждения о SOA бессмысленны.

Для п.2), т.е. для заряда емкости нагрузки, рассеиваемая мощность обратно пропорциональна времени включения транзистора, поскольку энергия, которую рассеивает транзистор, для этой компоненты фиксирована. Чем дольше переключается транзистор - тем меньше мгновенная мощность.

Увеличиваем время пребывания ключа в активном режиме - увеличивается мощность.

Это неверно, вы глубоко заблуждаетесь. Мощность - это произведение тока на напряжение, P=I*U. Времени в этой формуле нет.

Рассеиваемая мощность при переключении - это, условно говоря, треугольник, ограниченный наклонными линиями - уменьшением напряжения и увеличением тока - и линией времени. Рассеиваемая мощность - это площадь треугольника.

Если проинтегрировать мощность по времени, вы получите энергию. Технически неграмотные люди часто путают мощность и энергию.

[wim]

Для п.2), т.е. для заряда емкости нагрузки, рассеиваемая мощность обратно пропорциональна времени включения транзистора, поскольку энергия, которую рассеивает транзистор, для этой компоненты фиксирована. Чем дольше переключается транзистор - тем меньше мгновенная мощность.
... Времени в этой формуле нет...

Согласен, сглупил, кстати, и Вы тоже. Мощность, рассеиваемая при переключении, 1/2*U*I от времени не зависит. Но вот процесс теплопередачи - зависит. При более длительном переключении допустимая рассеиваемая мощность уменьшается.

[=AK=]

Согласен, сглупил, кстати, и Вы тоже. Мощность, рассеиваемая при переключении, 1/2*U*I от времени не зависит.

Вы совершенно напрасно добавили 1/2, это неверно. Формула для мощности, как я писал, P=U*I, безо всяких коэффициентов. Школьный учебник физики...

Если вы имели ввиду рассеивание на ключе при линейно нарастающем токе и линейно падающем напряжении, то там другие коэффициенты. Зависимость мгновенной мощности от времени имеет вид параболы (а не "треугольника", как вы ранее утверждали), макс. мощность 1/4*Umax*Imax. При взятии интеграла, когда вы попытаетесь посчитать выделенную энергию за время переключения, вылезет коэффициент 1/3, а результат будет прямо пропорционален длительности интервала, в течении которого происходит переключение. А вашей 1/2 там нигде нет.

[wim]

... А вашей 1/2 там нигде нет.

Почему же нет? Мы же вроде бы договорились, что ток в цепи стока чем-то ограничен? А далее как на рисунке - при линейно нарастающем токе напряжение сток-исток постоянно, а при линейно спадающем напряжении постоянен ток. Площадь треугольника - 1/2, все по-честному.
Впрочем, коэффиценты не так важны. Важно другое - мощность постоянна, а тепловое сопротивление - нет (зависит от длительности процесса). Стало быть, увеличивать оную длительность беспредельно нельзя.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[=AK=]

при линейно нарастающем токе напряжение сток-исток постоянно, а при линейно спадающем напряжении постоянен ток. Площадь треугольника - 1/2, все по-честному.

Ну а теперь объясните, каким боком этот график применим к рассматриваемому случаю? И вообще, к какому случаю этот график применим?
- Ток стока сначала линейно нарастает при постоянном напряжении сток-исток. Очевидно, это возможно, если полевик нагружен на бесконечно большую емкость.
- Как только ток стока достиг фиксированного максимума, напряжение начинает линейно падать. Вероятно, начиная с этого момента полевик оказывается нагружен на емкость конечной величины.
- Когда напряжение на полевике упало до нуля, ток сохранил фиксированную величину. Вероятно, в момент полного заряда емкости нагрузку опять подменили - теперь она стала активной.
- Далее все происходит в обратном порядке

Классический рисунок сферического коня в вакууме. Абстрактные кривули, позволяющие написать простые формулы, но имеющие - увы - весьма отдаленное отношение к действительности вообще, и уж совсем никак не применимые к рассматриваемому случаю.

[wim]

Абстрактные кривули, позволяющие написать простые формулы, но имеющие - увы - весьма отдаленное отношение к действительности вообще, и уж совсем никак не применимые к рассматриваемому случаю.

Отнюдь нет - просто я привел рисунок как пример, чтобы не рисовать самому. И тем не менее он "имеет" и "применим".
На этапе нарастания тока транзистор работает как управляемый источник тока и в первом приближении характер нагрузки на этот ток никак не влияет. Зависимость тока стока от разности напряжений затвор-исток и порогового напряжения квадратичная, но само напряжение на затворе - нелинейная функция времени. При перемножении двух функций, одна из которых стремится к вертикальной, а другая - к горизонтальной асимптотам, линейная зависимость тока стока от времени - достаточно хорошая аппроксимация. Впрочем, Вы можете предложить свою форму тока, если хотите.
На втором этапе нас интересует интервал времени до нулевого напряжения сток-исток, т.е. до того момента, когда конденсатор полностью заряжен, а транзистор полностью открыт. Это означает, что все неприятности, связанные с переходным процессом, остались позади. Что происходит с током после этого - уменьшится он или останется тем же - уже неважно. Точнее говоря - важно, но не имеет отношения.
P.S. Хотелось бы про SOA что-нибудь услышать. А то получается разговор автопилота с автоответчиком.

[=AK=]

Вы можете предложить свою форму тока, если хотите.

Для наглядности я на вашем рисунке схематично показал зеленым более-менее реалистическую форму тока стока. Масштаб, конечно, не соблюден - при амплитуде в 1А постоянный ток I_o = 30 mA должен был бы почти сливаться с осью координат

Соответственно, форма мощности - не треугольник, а пила, амплитуда которой вовсе не равна указанной у вас V_inI_o

Отнюдь нет - просто я привел рисунок как пример, чтобы не рисовать самому. И тем не менее он "имеет" и "применим".

Я так и не понял, как вы собирались применить свой график к данному случаю. Может, расскажете?