Делаем из «идеального диода» настоящий идеальный диод

Такие схемы называют идеальными диодами или «супер-диодами». Почему? В теории, диод — простая штука. В одном направлении пропускает ток, в другом — не пропускает. Но на практике, на при прохождении через диод тока, между его анодом и катодом возникает падение напряжения. Для кремниевого диода это 0,5-1В, для германиевого — 0,3-0,5В. Существуют еще диоды Шотки, там падение самое низкое, но и у них меньше 0,25 мне не попадалось. На первый взгяд, это не проблема — какая-то там четвертушка вольта. Но бывают ситуации, когда ее-то нам и не хватает. К примеру, при зарядке литиевого аккумулятора. Четверть вольта — это 25-40% недозаряда аккумулятора. Некоторые контроллеры даже не начнут зарядку, если напряжение источника питания ниже определенного уровня. А зачем ток питания пропускать через диод? Если мы хотим заяжать наш аккумулятор из двух разных источников (солнечной батареи и сетевой зарядки) и требуется гарантировать, что они не будут влиять друг на друга.

Есть еще одна ситуация, при которой нам критически важно падение напряжения на p-n переходе диода — когда мы пропускаем большие токи. Выделяемая на диоде мощность, как известно, равна произведению тока на падение напряжения. А мощность — это нагрев. Это проблемы охлаждения и потеря полезной энергии. Нам такое надо? Нет, нам такого не надо.

Для уменьшения падения напряжения на p-n переходе человечество изобрело полевой транзистор. Полевой, т.е. управляемый электрическим полем, читай — напряжением. В отличии от биполярного, который управляется током базы. Преимущесто такого транзистора — очень низкое падение напряжения в открытом состоянии. Он почти как реле, и по изолированию управляющего контакта от силового и по падению напряжения в силовой цепи. Но его выгодно отличают от реле низкие токи потребления, быстрота срабатывания и отсутвие дребезга контактов.

Но транзистор — не диод. Транзистором нужно научиться управлять. Для этого приходится сооружать специальную схему. Она будет открывать транзистор, когда приложено напряжение в одном направлении и закрывать — когда в противоположном.

Одна из таких схем перед нами.

Покрупнее:

Я не стал вникать в принцип ее работы и сразу решил испытать ее в действии.
Надо сказать, что в отличии от классчического диода, для работы таких схем нужно подключение и к "+" и к "-". Так что на плате 4 контакта — вход и выход. Собираем тестовую цепь:

Нагрузкой будет резистор. До напряжения в 3 вольта ток не идет. Все 3 вольта приходятся на «супер-диод». Это важное обстоятельство, коммутировать цепи с напряжением ниже 3 вольт таким устройством неполучится.

Выше трех вольт ток пошел и сразу падение напряжения 0,171В. Это меньше чем на обычном диоде, но многовато для идеального диода. Не о том я мечтал, не о том.

При 4 вольтах ситуация заметно веселее: на резистор потек ток 108мА, а на плате спотыкается всего 59мВ. Но к 550мА надение снова растет, достигая почти «диодных» 183мВ.
Обратимся к описанию продавца:

Input voltage: DC3-30V, the input voltage is within this range
Output voltage: the difference with the input voltage, maximum 0.2V
Output current: 4A, MAX, peak current maximum 6A
Dimensions: length 24mm, width 16mm

В принципе, даже наши 183мВ укладываются в заявленные 0,2В. Но интуиция подтолкнула меня поднять документацию на мосфет. Здесь применяются 2 мосфета 4407. Вот выдержка из pdf:

17мОм! Да у нас раз в 30 больше тут! Явно что-то не то.

Я когда-то собрал аналогичную по назначению схему, но поменьше и работающую сразу как два диода с объединенным катодом. Служит она для направления питания на потребитель от любого из двух источников. Вот что у меня тогда получилось:

На одной стороне — один «диод», на другой — другой. Выходные контакты сквозные и подключаются к потребителю.
Сердечко этой малютки — транзитор IRLML6402, годен для коммутации напряжения до 20В с током в 2,2А (ого!) Для управления служат 2 биполярных транзистора. Сопротивления в цепях базы завершают композицию. И все превосходно работало у меня. Конечно, заявленного падения напряжения в 0,065 вольта на ампер достичь не удалось, но что-то около получалось.

И я заказал на Али новые мосфеты. Вскоре приехала вот такая ленточка:

Даже на первый взгляд было видно, что они совсем не похожи на те, что установлены на моей плате. Отличается и маркировка и точка. Греем, снимаем старые, ставим новые, остужаем, промываем флюс.

Результат, было:

Стало:

Not good, not terrible. Припой там и так был как куча оловянных шариков, так что лишний раз прогреть пошло на пользу. Итак, тестируем:

Ба! Да это же другое дело!

Я прогнал тест в интересном для меня диапазоне токов, составил график и вот что получилось:

Дальше проверил лишь одну точку — при 2А падение напряжения было 0,16В, стало 0,07В.
Так и есть. На плате были поддельные транзисторы. Но сама схема работает превосходно, надо только поменять 4407.

Выводы:
1. «Идеальные диоды» существуют. Они радикально лучше обычных, с точки зрения падения напряжения, но у них есть свои особенности (порог открытия, утечки в закрытом состоянии, необходимость подключения к двум полюсам).
2. Купленные «идеальные диоды» используют поддельные мосфеты. Они тоже работают, но по падению напряжения в 2-3 раза хуже.
3. После установки нормальных мосфетов схема обретает полную работоспособность.

Ссылки:

Идеальный диод, 2 штуки

Транзистор MOSFET 4407

Если тема интересная, расскажу про свой вариант «идеального диода». Моя первая изготовленная на 3Д принтере плата.