Поддерживая необходимый уровень тока, регулятор ограничивает собственную мощность рассеивания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2017

William H. Morong

Electronic Design

Регулятор с ограничением тока защищает нагрузку от чрезмерно большого тока, но не может защитить сам себя от чрезмерной рассеиваемой мощности. Многие интегральные регуляторы имеют средства защиты от рассеивания недопустимой мощности, и многие обеспечивают ограничение тока, но порог ограничения не может быть задан на требуемом уровне или не может быть предсказан с достаточной точностью. Предлагаемый регулятор обеспечивает предсказуемые границы ограничения выходного тока и собственной мощности, а также защиту от пониженного входного напряжения.

Между входной шиной регулятора и землей включен источник тока (Рисунок 1), состоящий из включенного диодом транзистора Q3 и элементов R4, Q10, R12, R7, D1, R8, R13. Проходящий через резисторы R13 и R8 ток увеличивает напряжение на базе транзистора Q10 и, соответственно, на его эмиттере до тех пор, пока напряжение в точке соединения R12 и R7 не достигнет напряжения опорного вывода D1, равного 1.24 В. С этого момента D1 начинает забирать излишний ток, ограничивая его дальнейший рост и устанавливая ток, текущий из Q10 в Q3 и R4, на уровне порядка 6.8 мА.

Рисунок 1.	Ограничивая рассеиваемую мощность и ток до заданных разработчиком уровней, эта схема защищает и себя, и подключенную к ней нагрузку.

Пока входное напряжение не достигнет 6.5 В, падение напряжения на R13 будет недостаточным для того, чтобы включить источник тока, состоящий из транзисторов Q12, Q13 и токоизмерительного резистора R9. Оставаясь выключенным, источник тока удерживает в выключенном состоянии и весь регулятор, обеспечивая, таким образом, блокировку при пониженном входном напряжении. После того, как напряжение достигнет требуемого уровня, ток Q13 установится равным примерно 6 мА.

Ток Q13 управляет базой проходного транзистора Q6, коллекторный ток которого течет через включенный диодом транзистор Q5. Ток, выходящий из эмиттера Q6, проходит через резистор R5 и поступает в нагрузку через выходной зажим.

R10 и R11 делят выходное напряжение для опорного входа микросхемы D2. Когда поделенное напряжение превысит 1.24 В, микросхема D2 начнет забирать ток из транзистора Q13, предотвращая рост базового тока Q6 и не допуская увеличения выходного напряжения. В результате напряжение будет стабилизироваться на уровне порядка 5 В. R14 ограничивает ток D2. C1 служит для развязки нагрузки.

Транзистор Q8 воспринимает напряжение, падающее на резисторе R5. Когда это падение достигает напряжения открывания Q8, транзистор начинает отбирать ток от Q13, чтобы ограничить базовый и эмиттерный токи Q6. Напряжение база-эмитттер (V_BE) транзистора Q5 аппроксимирует логарифм выходного тока.

Транзистор Q9 и нагрузочный резистор R3 образуют эмиттерный повторитель, выходное напряжение которого на величину прямого падения на диоде ниже, чем на эмиттере Q6, и компенсирует падение напряжения на включенном диодом транзисторе Q1. Поэтому падение напряжения на резисторе R1 и транзисторе Q1 и идущий через них ток приблизительно пропорциональны напряжению на Q6. Следовательно, напряжение V_BE транзистора Q1 аппроксимирует логарифм напряжения на проходном транзисторе, а напряжение между входным зажимом и базой транзистора Q1 аппроксимирует сумму логарифмов напряжения проходного транзистора и его тока.

Ток, идущий через Q10, преобладает над током транзистора Q3, поэтому напряжение между его базой и эмиттером аппроксимирует логарифм константы. Поскольку плотность тока транзистора Q3, меньше, чем Q5, ток Q10 также проходит через резистор R4, создавая небольшое масштабирующее напряжение. В противном случае Q3 пришлось бы работать при расточительно большом токе. Требуемый масштаб разработчики могут установить подбором сопротивления резистора R4.

Разность между суммой напряжений база-эмиттер транзисторов Q5 и Q1 и суммой падения напряжения на R4 и напряжения база-эмиттер Q3 приложена к переходу база-эмитттер транзистора Q2. Ток Q2 аппроксимирует антилогарифм напряжения V_BE. Поэтому ток транзистора Q2 аппроксимирует антилогарифм разности суммы логарифмов тока и напряжения проходного транзистора и логарифма константы. В результате ток, идущий через Q2 и R2, пропорционален произведению напряжения и тока проходного транзистора, что и является мощностью, рассеиваемой на проходном транзисторе.

Если падение напряжения на резисторе R2 увеличивается до напряжения база-эмиттер транзистора Q4, последний включается, отбирая часть тока от Q13, чтобы ограничить мощность, рассеиваемую на регуляторе. C3 служит для частотной компенсации петли ограничения мощности.

Схема требует хорошего теплового контакта транзисторов Q3 и Q5. Благодаря большой площади коллекторных контактов обоих транзисторов, это легко сделать, прикрепив их бок о бок к общей теплопроводящей пластине.

Транзистор Q6 должен быть снабжен подходящим теплоотводом, термически изолированным от транзисторов Q1, Q2, Q3 и Q5, выполняющих функцию простого аналогового вычислителя мощности, чувствительного к температуре. Если избежать внешнего теплового воздействия на эти транзисторы невозможно, Q2 и Q3 должны нагреваться сильнее, чем Q1 и Q5, так как за счет этого порог ограничения мощности будет снижаться с ростом температуры.

При использовании в качестве Q5 транзистора в большом корпусе плотность тока будет достаточно низкой для того, чтобы его характеристика имела примерно логарифмический характер. Транзистор Q3 был выбран таким же, как для согласования параметров, так и для удобства его монтажа вблизи Q5. При использовании компонентов с указанными на схеме номиналами, порог ограничения мощности составляет около 2 Вт, а тока – порядка 600 мА (Таблица 1).

Таблица 1.	Зависимость напряжения, тока и мощности проходного транзистора Q6 от входного напряжения
Входное напряжение (В) Напряжение Q6 (В) Ток Q6 (А) Мощность Q6 (Вт) 12 5.63 0.317 1.785 13 6.84 0.291 1.990 14 7.85 0.269 2.110 15 8.71 0.250 2.117 16 9.76 0.234 2.280

По достижении порогового значения мощности схема естественным образом начинает ограничивать ток. Сопутствующий спад выходного напряжения увеличивает падение на проходном транзисторе, из-за чего ток уменьшается. Поэтому в некоторых случаях порог ограничения тока может оказаться ненужным, что зависит от величины произведения уровня блокировки при пониженном входном напряжении и максимального тока.

Материалы по теме