Como esse circuito de entrada de 5-24V está funcionando?

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Como eu preciso de algum tipo de entrada de ampla faixa (indo a um microcontrolador) para um novo projeto, examinei alguns projetos que já estão em uso (ou foram considerados em algum momento) para outros produtos em minha empresa.

Encontrei este circuito, que parece aceitar qualquer coisa entre 5-24V para acionar o acoplador óptico. Tenho problemas para entender como o MOSFET funciona nessa constelação, já que não tenho muita experiência nisso.

insira a descrição da imagem aqui

Minhas suposições sobre a função dos diodos e do resistor:

  • D17: provavelmente proteção contra inversão de polaridade
  • D18: supressão de tensão transitória
  • R18: limitação básica de corrente

O MOSFET parece "regular" sua resistência de certa forma, apenas fornecendo corrente suficiente para fornecer o LED, independente da tensão de entrada.

Como isso funciona em princípio?
Como calcular a faixa de tensão realmente suportada?

Rev1.0
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Respostas:

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Seu circuito atua como uma unidade de fonte de corrente de 5 a 10 mA para o optoisolador. Um pouco menos em tensões mais baixas.

O "truque" aqui é que o BFR30 é um JFET (Transistor de Efeito de Campo de Junção) e NÃO um MOSFET mais comum (atualmente) e se comporta fundamentalmente de maneira diferente de um MOSFET. Folha de dados BFR30 aqui . É essencialmente um dispositivo de "modo de depleção" totalmente ativado quando Vgs = 0 e exige que Vgs seja negativo para desativá-lo. Tomar Vgs positivo faz com que a corrente do gat flua (ao contrário de um mOSFET), à medida que o diodo da fonte de porta com polarização inversa geralmente conduz. (O Igs absmax permitido é de 5 mA - consulte a folha de dados).

Quando o gate está conectado à fonte, o transistor está LIGADO e atua como uma fonte de corrente com IDs de 5 mA min e 10 mA max em Vds = 10V. Veja a folha de dados.

Para desligar o transistor, Vgs deve ser negativo.

Vds absmax é mostrado como +/- 25V, de modo que define a tensão máxima permitida em seu circuito.

A Fig. 3 mostra o ID de corrente esperado em Vds = 10V para vários valores de Vgs com as curvas mín e máx típicas mostradas.

A Fig. 4 mostra Ids contra Vgs para vários valores de Vds de 0 a 10V. No momento em que Vds atinge 10V, a corrente se achatou para aproximar uma fonte de corrente - cada vez mais, à medida que Vgs é tomado cada vez mais negativo.


ADICIONADO

Q1: Então R18 atua apenas como um divisor de tensão, diminuindo Vsupply - Vds a 5mA max?

Q2: Uma fonte de 5V como entrada mínima seria suficiente?

Por exemplo, 5mA, a queda entre R18 = I x R = 0,005 x 100 = 0,5V, portanto afeta a tensão disponível, mas não muito.
Seu principal papel é atuar como um limitador de corrente em picos substanciais de entrada quando o D18 realiza - sem ele o D18 tentará aceitar qualquer energia enviada instantaneamente - o que pode ser fatal.

Para projetar um circuito como este ou para ver se ele funcionará sob determinadas condições, é necessário usar o pior valor possível. Para os componentes "pior", pode ser o valor máximo ou mínimo, dependendo de como isso afeta o circuito.

Nesse caso, existem 3 partes não lineares em série (diodo, GET, opto-diodo), portanto, uma abordagem fácil é fazer um conjunto mínimo de suposições, conectar os parâmetros do pior caso para esse conjunto de suposições e, em seguida, se funcionar sob esse conjunto de suposições e quão próximo é o limite.

Não consegui encontrar um acoplador óptico que correspondesse aos nomes dados, por isso escolhi o mais barato que o Digikey vende para fins de exemplo. Preços aqui - LTV817, 37c em unidades, 7.6c em quantidade de 10k.


Folha de dados do BFR30 JFET aqui: Folha de dados do diodo BAV100 aqui:
LTV817 pto datasheet aqui:

Suponha: corrente de 5 mA.
Usando folhas de dados:

No pior caso, opto-diodo Vf a 20 mA = 1,4V (típico de 1,2V).
Será um pouco menor em 5 mA, mas 1,4V é bom, como será visto.

Diodo BAV103 a 5 mA = cerca de 0,7V. Use 0.8V por segurança. Espere mais baixo.

Queda R18 = 0,5V.

Em Vin = 5V, isso deixa o saldo para o FET = 5 - 0,5 - 0,7 - 1,4 = 2,4V.

Folha de dados JFET A Fig 4 mostra Ids vs Vds típicos em Vgs = 0. / Vds ~ = 1.25V a 4 mA Vds ~ = 1.6v a 4.5 mA Vds = 2.25V a 5 mA

Essas são tensões típicas. Em Vgs = 0V e Vds = 10V, Ids é ~ = 4/6/10 mA.

Mexa todo esse lote e asse até ficar macio, e eu concluo que, no pior caso, você pode não obter 5 mA e quase certamente 4 mA.
A versão mais barata deste opto possui uma CTR de 50% a 4 mA, para que você obtenha 2 mA em Vout opto = 10V.

Se você estava tentando obter uma oscilação de tensão de 5V com uma alimentação de 5V, um resistor de carga de 10k fornecerá um balanço de 2x a 4x o máximo de oscilação por mA de entrada especificado que você precisar.

Então, sim, ele funcionará a 5V em muitas aplicações.
Provavelmente em 4V.
Ficando decididamente infeliz em 3V.

Russell McMahon
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Obrigado pela explicação :) Então o R18 funciona apenas como um divisor de tensão, reduzindo Vsupply - Vds a 5mA máx? Uma fonte de 5V como entrada mínima seria suficiente?
Rev1.0
@ Rev1.0 - veja a adição à resposta.
Russell McMahon