Управление мощностью с использованием активного устройства, такого как MOSFET, в линейной области – не самый эффективный способ. Однако если диапазон регулируемой мощности ограничен определенными пределами, использование компонента в линейной области может быть неплохим выбором.

Например, если нужно контролировать мощность 45-ваттного паяльника в диапазоне от 35 Вт до 45 Вт, активное устройство будет рассеивать примерно от 4 Вт до 0.1 Вт. С учетом этого была разработана схема, показанная на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Схема линейного управления мощностью переменного тока.

Для питания светодиода оптоизолированного драйвера MOSFET VOM1271 используется простой источник тока. Максимальное выходное напряжение VOM1271 составляет 8.4 В. Из Рисунка 2 видно, что зависимость выходного тока короткого замыкания I_SC от входного прямого тока I_F практически линейна. Выход оптоизолятора ведет себя как источник постоянного тока, пока напряжение на нем не приблизится к напряжению холостого хода (~8 В). Это выходное напряжение можно использовать для управления MOSFET с пороговым напряжением V_TH менее 8 В.

Рисунок 2.	Передаточная характеристика оптоизолятора.

Сложность использования MOSFET в линейном режиме заключается в том, что даже в одной партии устройств пороговые напряжения затвор-исток (V_GS) различаются. Сразу после порогового напряжения ток стока быстро увеличивается при небольшом изменении V_GS [1]. MOSFET Q₂ на выходе оптоизолятора смещен таким образом, что выходное напряжение, подаваемое на затворы Q₃ и Q₄ (V_GS), изменяется в соответствии с крутизной характеристики Q₃ и Q₄.

Рисунок 3.	Зависимость прямого тока светодиода оптоизолятора от напряжения затвор-исток.

На Рисунке 3 показана зависимость прямого тока светодиода оптоизолятора (I_F) от напряжения V_GS. При малом токе I_F напряжение V_GS приближается к напряжению излома характеристики V_KNEE с наклоном (скоростью) m1. Наклон приблизительно пропорционален

поскольку R₅ + R₆ + R₇ >> R₄. Регулировкой подстроечного резистора R₇ можно сделать так, чтобы напряжение V_KNEE было близким к пороговым напряжениям Q₃ и Q₄ (примерно от 4 до 5 В). После точки излома V_GS с изменением I_F изменяется медленнее, и наклон m2 становится более крутым и похожим на зависимость I_D от V_GS для MOSFET. Наклон m2 регулируется подстроечным резистором R₄ (m2 ∝ 1/R₄).

Как видно из схемы, Q₃ и Q₄ включены так, чтобы пропускать переменный ток. В качестве нагрузки, управляемой схемой, используется 45-ваттный паяльник. Ввиду того, что пороговые напряжения Q₃ и Q₄ могут различаться, для частичной компенсации этого разброса включены резисторы R₈ и R₉ сопротивлением 1 Ом. Поскольку на затворы Q₃ и Q₄ подается одно и то же напряжение, с ростом тока нагрузки падение напряжения на этих резисторах увеличивается, что приводит к уменьшению I_D. Номиналы R₈ и R₉ следует выбирать с учетом тока нагрузки: чем больше нагрузка, тем ниже сопротивления.

Напряжение на нагрузке при разных уровнях мощности показано на Рисунке 4. Небольшой дисбаланс между положительной и отрицательной полуволнами, особенно при небольшой мощности, объясняется различиями значений V_TH. Форма напряжений очень похожа на ограниченную синусоиду. Однако вероятность того, что эти искажения приведут к возникновению радиочастотных помех, меньше, чем при сигналах, получающихся при обычном симисторном управлении.

Рисунок 4.	Напряжение на нагрузке при разных уровнях мощности.

Для управления мощностью здесь используется источник постоянного тока, но его можно заменить любой другой схемой управления. Оптическая изоляция защитит схему управления от напряжения сети. Хотя эта схема используется здесь для управления мощностью переменного тока, она подходит и для постоянного тока.

1. Datasheet Vishay VOM1271T
2. Datasheet onsemi BS108
3. Datasheet ToshibaTK12A60U