Na rynku dostępnych jest wiele typów przełączników, a każdy z nich rozwiązuje nieco inny problem projektowy. Najprostsze przełączniki po prostu zamykają albo otwierają obwód, dlatego spotykamy je w latarkach, pralkach, zasilaczach i wielu urządzeniach codziennego użytku. Przełącznik dwukierunkowy działa inaczej: przewodzi prąd w obu kierunkach, a po wyłączeniu może blokować napięcie niezależnie od jego polaryzacji. W tym artykule wyjaśniamy, czym jest taki układ, z jakich elementów można go zbudować i gdzie ma praktyczne zastosowanie.
Co to jest przełączanie dwukierunkowe?
Dwukierunkowy przełącznik zasilania, często opisywany skrótem BPS (Bidirectional Power Switch), to aktywny element przełączający, który w stanie włączenia pozwala na przepływ prądu w obu kierunkach. W stanie wyłączenia blokuje napięcie również w obu kierunkach. W praktyce taką funkcję realizuje się najczęściej za pomocą odpowiednio połączonych tranzystorów MOSFET, a w układach większej mocy także IGBT.
Struktura przełącznika dwukierunkowego może wykorzystywać tranzystory MOSFET z kanałem N albo P.
W zwykłym przełączniku interesuje nas głównie stan włączony albo wyłączony. W BPS dochodzi jeszcze kwestia kierunku przewodzenia. Jeżeli punkt A ma wyższy potencjał niż punkt B, prąd może płynąć z A do B. Po odwróceniu polaryzacji ten sam układ powinien umożliwić przepływ z B do A, bez konieczności mechanicznej zmiany połączeń.
Takie przełączniki stosuje się między innymi w układach zasilania bateryjnego, zabezpieczeniach wejść, przekaźnikach półprzewodnikowych SSR oraz w układach, w których sygnał lub energia może pojawić się po obu stronach przełącznika.
Przekaźniki półprzewodnikowe mogą korzystać z układów przełączania dwukierunkowego.
Najważniejsze właściwości przełącznika dwukierunkowego
Dobrze zaprojektowany układ BPS może poprawić bezpieczeństwo obwodu, zwłaszcza gdy połączymy funkcję przełączania z ograniczaniem prądu rozruchowego, ochroną przed zwarciem, przeciążeniem lub przegrzaniem. Ma to znaczenie szczególnie w urządzeniach zasilanych z akumulatora, gdzie błąd polaryzacji albo nagły skok prądu potrafi uszkodzić całą płytkę.
Kluczowa cecha jest prosta: przewodzenie działa zarówno od punktu A do punktu B, jak i od punktu B do punktu A. Dzięki temu układ może reagować poprawnie nawet wtedy, gdy napięcie pojawi się po stronie, którą w klasycznym obwodzie nazwalibyśmy wyjściem.
Przełącznik dwukierunkowy bywa stosowany w torach bateryjnych i układach ochrony zasilania.
W aplikacjach bateryjnych liczy się niska rezystancja w stanie włączenia, czyli RDS(on) w przypadku MOSFET-ów. Im jest mniejsza, tym niższy spadek napięcia na przełączniku, mniejsze straty mocy i lepsza stabilność zasilania obciążenia.
Prosta dwukierunkowa struktura przełącznika
Przykładowa implementacja przełącznika dwukierunkowego z tranzystorami MOSFET.
Podstawowa struktura przełącznika dwukierunkowego opiera się na dwóch elementach mocy połączonych tak, aby ich wewnętrzne diody pasożytnicze nie wymuszały przewodzenia tylko w jedną stronę. W prostych układach mogą to być dwa tranzystory MOSFET z kanałem P połączone przeciwsobnie, czyli „back-to-back”.
Częściej spotyka się jednak konfiguracje z dwoma MOSFET-ami z kanałem N, ponieważ przy tej samej klasie elementu mają zwykle niższą rezystancję przewodzenia niż tranzystory z kanałem P. Tranzystory można łączyć źródło-źródło albo dren-dren; wybór zależy od sposobu sterowania bramkami, zakresu napięć i wymagań konkretnego układu.
Przykładowy schemat przełącznika dwukierunkowego
Przykładowy schemat przełącznika dwukierunkowego.
Do zbudowania prostego układu demonstracyjnego potrzebne są elementy zgodne ze schematem:
Diody sygnałowe lub prostownicze – 3 szt.
Kondensator 0,1 uF – 1 szt.
Rezystory sterujące, na przykład 10 kΩ oraz rezystor szeregowy dobrany do schematu.
Kolejne etapy budowy układu
Poniższe kroki opisują zasadę montażu prostego przełącznika dwukierunkowego. W realnym projekcie wartości elementów i typy tranzystorów należy dobrać do napięcia, prądu obciążenia, strat mocy i sposobu sterowania.
Krok pierwszy
Symbole diod używane na schematach elektrycznych.
Najpierw umieść w obwodzie dwa tranzystory MOSFET z kanałem P i połącz je przeciwsobnie zgodnie ze schematem. Następnie dodaj diodę D1: jej anodę podłącz do strony drenu pierwszego MOSFET-a, a katodę do jego źródła. Źródło pierwszego tranzystora połącz ze źródłem drugiego, aby uzyskać wspólny węzeł przełączający.
Krok drugi:
Kondensator 0,1 uF stosowany do filtrowania i kształtowania przejść.
Źródło: Wikimedia Commons
Następnie dodaj diodę D2. Jej katodę połącz ze źródłem, a anodę z drenem wskazanym na schemacie. Bramki obu tranzystorów P-MOSFET połącz razem, ponieważ muszą być sterowane tym samym sygnałem. Do tego węzła dołącz kondensator C1 0,1 uF oraz rezystor 10 kΩ, które stabilizują sterowanie bramkami i ograniczają zbyt gwałtowne przełączanie.
Krok trzeci:
Rezystor szeregowy w obwodzie sterowania pomaga ograniczyć szybkie impulsy prądowe.
Źródło: Wikimedia Commons
Na końcu dodaj tranzystor MOSFET z kanałem N, który będzie pełnił funkcję elementu sterującego. Rezystor R2 podłącz zgodnie ze schematem do drenu tego tranzystora. Katodę diody D3 połącz z drenem N-MOSFET-a, a anodę z jego źródłem. Źródło tranzystora N-kanałowego połącz z masą układu.
Zasada działania
Symbol tranzystora MOSFET z kanałem P.
Źródło: Wikimedia Commons
Gdy dodatnie napięcie pojawia się w punkcie A, dioda D1 zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Układ sterowania ustala wtedy potencjał bramek tak, aby para tranzystorów P-MOSFET mogła przewodzić i połączyć punkt A z punktem B.
Po odwróceniu sytuacji, czyli po podaniu dodatniego napięcia na punkt B, przewodzenie przejmuje odpowiednia gałąź z diodą D2. Tranzystor N-kanałowy odpowiada za włączanie i wyłączanie całego układu BPS, sterując napięciem bramek tranzystorów mocy.
Kondensator i rezystory tworzą prosty obwód kształtowania sygnału sterującego. Dzięki temu przełączanie jest łagodniejsze, a układ jest mniej podatny na krótkie impulsy prądu rozruchowego.
Warto pamiętać o ograniczeniu tranzystorów P-kanałowych: przy porównywalnych parametrach mają zwykle wyższe RDS(on) niż MOSFET-y N-kanałowe, więc wydzielają więcej ciepła przy tym samym prądzie. Dlatego w układach o większej sprawności często wybiera się rozwiązania z N-MOSFET-ami, choć wymagają bardziej rozbudowanego sterowania bramką.
Podsumowanie
Przełącznik dwukierunkowy pozwala sterować przepływem prądu niezależnie od tego, po której stronie układu pojawi się wyższe napięcie. To przydatne w torach zasilania bateryjnego, zabezpieczeniach wejściowych, układach SSR i wszędzie tam, gdzie klasyczny przełącznik jednokierunkowy byłby zbyt ograniczony. Najprostsze konstrukcje można zbudować z MOSFET-ów P-kanałowych, ale w projektach o większym prądzie i niższych stratach warto rozważyć układ z MOSFET-ami N-kanałowymi.
Jeżeli projektujesz płytkę z układem przełączania zasilania i chcesz sprawdzić dobór elementów, layout lub przygotowanie do montażu, skontaktuj się z OurPCB. Pomagamy zweryfikować projekt przed produkcją i przygotować płytkę do stabilnego montażu seryjnego.