¿Diferencia entre la conmutación de potencia en los lados alto y bajo?

¿Hay alguna diferencia real entre la conmutación de lado alto y bajo?

Asumir:

• El cambio es para el control de encendido / apagado de un objeto (My case RPi)
• Base / Gate se puede conducir a Vcc y GND

Las únicas diferencias reales son el nivel del suelo y la corriente máxima disponible:

• La conmutación del lado bajo significa que los dos subcircuitos tendrán diferentes niveles de tierra ya que el elemento de conmutación tendrá una caída de voltaje (pequeña) distinta de cero.
• La conmutación del lado alto tendrá un límite de corriente máximo más bajo ya que los elementos de conmutación de tipo P (lado alto) generalmente tienen una resistencia más alta que los elementos de conmutación de tipo N (lado bajo).

Por supuesto, hay una diferencia, de lo contrario no habría dos métodos diferentes con nombres diferentes.

Si la carga está flotando, como un motor o un solenoide, por ejemplo, la conmutación lateral alta o baja no hace ninguna diferencia en la carga. Esto se debe a que, por definición de flotación, el nodo solo "ve" el voltaje diferencial a través de él y no reacciona al voltaje de modo común.

Incluso con una carga flotante, las diferencias en el circuito de activación para la conmutación del lado alto frente al bajo pueden ser significativas. Por convención, generalmente consideramos la conexión a tierra del lado negativo de la fuente de alimentación que impulsa los circuitos de control, con una potencia positiva. Dado que la tierra es el lado negativo, y otras señales con las que tendremos que interactuar que se conectan con el resto del mundo se referenciarán a esta tierra, los circuitos de control también se referenciarán a tierra. Por ejemplo, incluso si está manejando un solenoide de 24 V, el microcontrolador que produce los pulsos PWM estará alimentado por un riel de 3.3 V y tierra.

Dado que los circuitos de control se encuentran en el lado bajo de la alimentación (el suelo), accionar los interruptores del lado bajo suele ser más fácil que accionar los interruptores del lado alto. Por lo tanto, con una carga flotante que no le importa si cambiamos el lado bajo o alto, generalmente cambiamos el lado bajo.

Otra razón para usar un interruptor de lado bajo es cuando un lado de la carga ya está conectado al suministro positivo más allá de nuestro control. La única opción que tenemos es dejar el lado bajo de la carga flotando para apagarla, o conectarla a tierra para encenderla. Puede ser conveniente que algunas cargas se conecten previamente a la alimentación en un lado para simplificar el cableado general del sistema.

En algunos casos la carga cuida. Si la carga tiene otras señales referenciadas a tierra a las que debe conectarse, entonces generalmente necesita mantener su nodo de tierra conectado a tierra. En ese caso, debe cambiar la potencia positiva a la carga, le guste o no. Nuevamente, esto suele ser más complicado que conducir un interruptor lateral bajo, pero no demasiado, por lo que requiere grandes longitudes para evitarlo.

Al cambiar el lado bajo con circuitos de control del lado bajo, es bastante obvio que desea usar un transistor NPN o un canal FET de N. Sin embargo, con un interruptor lateral alto, debe considerar más opciones. Los FET de canal N generalmente tienen mejores características como interruptores, pero el uso de uno presenta dos problemas: la puerta tiene que girar sobre el rango de conmutación más el rango de encendido / apagado de la puerta, y necesita un voltaje por encima del riel de alimentación cuando está encendido. Hay chips de controladores que pueden aprovechar estas cosas la mayor parte del tiempo, pero todavía hay problemas.

El FET del canal AP es más fácil de cambiar ya que el voltaje de la puerta solo tiene que variar desde el voltaje de alimentación hasta alrededor de 10 V menos para la mayoría de los FET. Los transistores PNP pueden ser aún más fáciles, ya que solo tiene que extraer algo de corriente de la base para encenderlos. Sin embargo, apagarlos rápidamente puede ser un desafío.

Por lo tanto, como de costumbre, no existe una respuesta universal, y las compensaciones deben considerarse por separado para cada aplicación.

Para un circuito aislado, no, no hay una gran diferencia entre la conmutación de lado alto y bajo. Para corrientes de carga más altas, los interruptores de semiconductores del lado bajo (por ejemplo, transistores NPN y MOSFET de canal N) a menudo tienen menos pérdidas que sus equivalentes del lado alto, por lo que se prefieren.

Sin embargo, si el circuito está conectado a dispositivos externos con sus propias conexiones de alimentación, esto se vuelve borroso. Si estos dispositivos externos proporcionan una conexión a la misma referencia de tierra que la fuente de alimentación del circuito y la conecta y desconecta, los dispositivos externos proporcionarán una ruta alternativa a tierra, su conmutación será ineficaz y podría terminar dañando algo no clasificado para la corriente apropiada en el camino.

Del mismo modo, si los dispositivos externos proporcionan un suministro V + que se hace referencia a la misma tierra que el suministro que está cambiando, puede terminar volviendo a alimentar el riel de voltaje positivo a través de los dispositivos alimentados externamente, nuevamente con resultados no deseados.

Existen numerosas razones para elegir un tipo de cambio sobre el otro.

Si su circuito / carga puede tolerar las corrientes de tierra creadas al cambiar la carga ... en general, la conmutación del lado bajo es más fácil y más barata.

Si su circuito no puede tolerar esto (demasiada perturbación en el plano de tierra del procesador / lógica más sensible / de bajo voltaje) ... es mejor cambiar la carga utilizando métodos de lado alto, esto permite que la corriente de retorno de la carga sea administrado por separado (a menudo, las cargas de energía más altas requieren un riel de energía de mayor voltaje ... aún comparten un potencial de "tierra" común con rutas de retorno separadas).

La otra razón común para la conmutación del lado alto (mencionada por Olin) ... la ruta de corriente de retorno más fácilmente disponible para la carga es el riel de alimentación negativo. Ejemplo: chasis automotriz utilizado como "tierra" (ruta de retorno de CC) para un relé / etc. (este ejemplo tiene numerosas ventajas y riesgos adicionales).