Ограничитель тока нагрузки с низким падением напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2016

Sajjad Hajdar

Electronic Design

У большинства распространенных ограничителей тока падение напряжения слишком велико для современных низковольтных систем. В статье предлагается схема с очень незначительным падением напряжения, в большей степени отвечающая сегодняшним требованиям.

Очень часто возникает необходимость ограничения тока источника питания, для чего, как правило, используются устройства, состоящие из датчика тока, схемы управления и проходного транзистора. Датчиком тока может служить простой низкоомный резистор. Поскольку падающее на нем напряжение пропорционально току нагрузки, это напряжение можно использовать для управления током, идущим через проходной транзистор.

Пример подобной схемы ограничителя с низкоомным резистором R_SENSE в качестве датчика тока показан на Рисунке 1 [1]. До тех пор, пока падение напряжения на резисторе меньше примерно 0.6 В, открыт только транзистор T1. Как только ток нагрузки достигает значения, при котором напряжение на R_SENSE превышает 0.6 В, открывается транзистор T2. Ток базы T1, управляемый транзистором T2, уменьшается и, как следствие, ток эмиттера T1 падает.

Рисунок 1.	Простой, повсеместно используемый ограничитель тока состоит из токоизмерительного резистора (как правило, низкоомного), схемы управления и проходного транзистора.

Однако эта простая схема имеет серьезный недостаток, обусловленный падением напряжения на элементах устройства. В активном режиме ограничителя напряжение насыщения транзистора T1 составляет около 1 В, а на резисторе R_SENSE падает примерно 0.6 В. Суммарное падение напряжения равно приблизительно 1.6 В. Поэтому, если ограничитель подключен к источнику питания +5 В, нагрузке достанется лишь порядка 3.4 В, что в низковольтных схемах абсолютно неприемлемо.

Альтернативная схема основана на регуляторе напряжения LM317, используемом в режиме ограничения тока. Однако и в этом случае на схеме падает порядка 2 В. Еще в одной схеме, описанной в [2], в качестве проходного устройства используется P-канальный MOSFET, затвор которого управляется усиленным падением напряжения на R_SENSE. На этой схеме падает всего 0.6 В.

Ограничитель тока, схема которого показана на Рисунке 2, отличается очень низким падением напряжения и не мешает работе низковольтных схем. Схема рассчитана на минимальное входное напряжение 5 В, а максимальное значение зависит от выбора нескольких компонентов. Падение напряжение на токоизмерительном резисторе 0.1 Ом дифференциально усиливается микросхемой IC1. Напряжение питания +5 В подается на микросхему с регулятора на стабилитроне D1.

Рисунок 2.	Преимуществом этой более сложной схемы ограничителя тока перед предыдущей является намного более низкое падение напряжения, что очень важно при работе с низковольтными источниками питания.

Для возможности изменения порога ограничения тока коэффициент усиления микросхемы регулируется подстроечным резистором R5. Выход микросхемы IC1 управляет сопротивлением сток-исток низкопорогового MOSFET Q2, а ток стока Q2 управляет током светодиода оптоизолированного драйвера MOSFET VOM1271.

При небольшом токе нагрузки падение напряжения на R_SENSE мало, и выходное напряжение IC1 остается более низким, чем порог включения транзистора Q2. В результате через светодиод драйвера MOSFET протекает ток, создающий на его выходе напряжение около 8 В – достаточно высокое для того, чтобы полностью открыть транзистор Q1. Когда ток нагрузки достигает значения, при котором открывается транзистор Q2, напряжение затвор-исток транзистора Q1 падает, и ток нагрузки уменьшается.

Схема испытывалась с источником питания +12 В и мощным 100-омным переменным резистором в качестве нагрузки. С помощью подстроечного резистора R5 порог ограничения тока был установлен на уровне чуть выше 1 А. В процессе плавного уменьшения сопротивления нагрузки от максимального значения измерялись напряжения на Q1, R_SENSE и нагрузке (Рисунок 3). Для токов нагрузки от 0.25 А до 1.3 А падения напряжений на транзисторе Q1 и на Q1+R_SENSE составляли 0.09 В и 0.235 В, соответственно.

Рисунок 3.	Изменения падения напряжений на нагрузке, на транзисторе Q1 и на Q1+RSENSE в зависимости от тока нагрузки имеют относительно плоский характер.

При максимальном токе нагрузки 1.3 А на резисторе R_SENSE падает 0.145 В, что вносит существенный вклад в общее падение напряжения. Чтобы снизить падение напряжения еще больше, нужно уменьшить сопротивление резистора R_SENSE. Увеличенный по вертикали масштаб позволяет увидеть характер зависимости падения напряжения на транзисторе Q1 и на Q1+R_SENSE от тока нагрузки (Рисунок 4). Когда ток нагрузки превышает установленный порог, схема переключается в режим прогрессирующего ограничения тока.

Рисунок 4.	Увеличенный по вертикали масштаб напряжений на транзисторе Q1 и на Q1+RSENSE позволяет более отчетливо увидеть действие прогрессирующего ограничения тока, происходящего, когда ток нагрузки превышает установленный порог.

Этот ограничитель тока предназначен для использования в низковольтных приложениях начиная с +5 В. Для расширения диапазона входных напряжений резистор R6, ограничивающий ток через стабилитрон, можно заменить стабилизатором постоянного тока и выбрать транзистор Q1 с бóльшими значениями допустимого напряжения и тока. Полностью собранный ограничитель можно поместить в корпус и использовать его как трехвыводное устройство (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Несмотря на внутреннюю сложность, полную схему ограничителя можно рассматривать как трехвыводное устройство.

Ссылки

Материалы по теме