Un camino para cargar el capacitor y otro para descargarlo

Mi contribución es señalar un circuito que se adapta a su título: " Un camino para cargar el capacitor y otro para descargarlo ". Es una solución comúnmente utilizada para controlar un mosfet/IGBT de canal N en la configuración de lado alto (carga conectada a tierra). Esto evita el uso de mosfet de canal P, que generalmente muestra un RDSon más alto. Pero por lo demás, impone una complicación al diseñar controladores de puerta de canal N (excepto cuando se usa un voltaje de puerta mayor que el voltaje de drenaje, una situación poco común). El esquema que se muestra a continuación utiliza un condensador como voltaje de puerta "flotante" para el Mosfet. Esta solución ya está integrada en la mayoría de los controladores de puerta comerciales (elija una hoja de datos específica y observe la presencia del diodo y el capacitor alrededor del componente). El control de motores y la conversión de potencia son aplicaciones típicas.

Nota: Cuando comencé a responder, el autor aún no había complementado la pregunta con la última figura (me tomé un tiempo dibujando mis figuras). La página web no se mantiene actualizada, al editarla. Escribo esto para que el lector no piense que simplemente repetí esa idea. Sucede en los foros.

Puede usar el simulador de Circuitlab para ver lo que sucederá (es una simulación de SPICE basada en la web).

No he intentado simular su circuito, ya que no funciona de la manera que dice que cree que funciona, pero sí simulé la descarga de un condensador de 10uF por un transistor común. Inicialmente está cargado a 12 V y el transistor lo descarga en t = 1 mseg.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El resultado fue el gráfico que se muestra a continuación (hice una simulación transitoria de 2 mseg usando un paso de 1usec). Puede ver la entrada de la onda cuadrada de 0/12 V (naranja) y el voltaje en el capacitor (cian). El transistor actúa como un sumidero de corriente constante hasta que el voltaje a través del capacitor cae por debajo de un voltio.

El voltaje en el colector cae 10.2V en 600useg, por lo que la corriente debe ser de 170mA. Eso es un poco alto para la salud del 2N3904, e indica una ganancia de corriente de aproximadamente 150, ya que la corriente base es de aproximadamente 1,14 mA.

Entonces, como puede ver, el transistor no actúa en absoluto como una resistencia. La curva es casi una pendiente perfecta hacia abajo (al menos en el mundo de la simulación, en la vida real la duración del pulso es lo suficientemente larga y la disipación de energía es lo suficientemente alta como para que la pendiente se curve hacia abajo a medida que el troquel se calienta, incluso más diferente de la descarga exponencial que usted' d obtener con una resistencia).

Editar: con el diagrama agregado, está claro que este es un controlador de puerta de arranque (dinámico). Gracias por dejar el original para que no parezca que todos los que respondieron a la publicación inicial estaban locos.

El MOSFET del lado bajo (con la resistencia de carga) actúa como una fuente de voltaje cuando está encendido, digamos 0.2V. Esto se debe a que tiene una gran carga (generalmente) que actuará como un divisor de voltaje con un Rds (encendido) muy pequeño. Se podría decir que está cerca de 0V como una aproximación.

El límite de 10uF se carga desde la fuente de alimentación a través del diodo. La corriente inicial probablemente esté limitada por la fuente de alimentación en lugar de la caída del diodo o el MOSFET, por lo que, como dijo Joe Hass, debe pensar en alguna impedancia de la fuente de alimentación (resistencia en serie, etc.) para imaginar cómo se inicia. Una vez que se carga el límite de 10uF , solo necesita recargarse un poco cada ciclo de PWM.

El capacitor se descargará un poco de la resistencia 470R, pero normalmente eso sería solo durante el tiempo muerto cuando ambos MOSFET están apagados. También se descargaría un poco al cargar la puerta del MOSFET del lado alto, pero eso solo ocurre una vez por ciclo de conmutación (luego se recarga durante el tiempo bajo).

Este tipo de controlador de compuerta debe activarse continuamente para que funcione (o al menos reducirse, si se va a quedar en un estado) y el condensador de 10uF tendrá un voltaje casi constante, incluso cuando conduce un MOSFET enorme. Un MOSFET grande podría tener 250 nC de carga de puerta, lo que representa aproximadamente 25 mV de cambio en el límite de 10 uF. Si lo deja en el estado alto, es probable que el voltaje de la compuerta se escape y el MOSFET del lado alto se vuelva lineal, lo que generará humo y cosas malas. Los conductores comerciales tienen un circuito de bloqueo por bajo voltaje (UVLO) que se supone que evita que esto suceda.

El tamaño del capacitor de arranque no es muy importante siempre que sea lo suficientemente grande como para cubrir la carga de la puerta del MOSFET de lado alto, las capacitancias parásitas y cualquier fuga que ocurra en un ciclo PWM (generalmente no es un factor importante). 10uF es un compromiso razonable porque es un electrolítico físicamente pequeño o incluso un capacitor cerámico y probablemente tenga una capacitancia mucho más pequeña que el filtro de la fuente de alimentación, por lo que no matará su suministro y estresará demasiado el diodo cuando el MOSFET del lado bajo se encienda . Probablemente 1uF o 100uF también funcionarían en muchos casos.

Hay una serie de problemas con su circuito que debe resolver primero. Para que el capacitor se descargue, debe tener un circuito completo para que fluya la corriente, porque la corriente que sale de un terminal del capacitor debe coincidir exactamente con la corriente que fluye hacia el otro terminal. Por lo tanto, el capacitor no puede descargarse a menos que tanto Q1 como Q2 estén conduciendo. Sin embargo, aún no podrá descargar el capacitor porque la corriente continuará fluyendo a través del diodo desde el suministro de 12 V, manteniendo así el capacitor cargado.

Para comprender realmente cómo podría funcionar el circuito, deberá incluir las características de la "vida real" de la fuente de alimentación, como una resistencia en serie efectiva. También debe comprender cómo funciona un transistor para saber cuánta corriente fluirá del colector al emisor cuando está "abierto".

Use la ecuación dependiente del tiempo para un voltaje de circuito rc, resuelva para t. (Busque la constante de tiempo rc en Wikipedia) Puede obtener el voltaje restando la caída de voltaje del diodo + la caída de voltaje del transistor que está encendido del voltaje de suministro.