Схема на рис.1 позволяет подключать высоковольтный источник питания к заземленной нагрузке с низковольтным сигналом управления. Кроме того, схема работает, как субмикросекундный электронный предохранитель, который защищает источник питания от неисправностей в нагрузке. Питание подается на нагрузку, когда на управляющий вывод подается сигнал логического уровня. Если уровень управляющего сигнала меньше 0.7 В, транзистор Q3 закрыт и затвор P-канального MOSFET-транзистора Q4 подключен к источнику положительного напряжения через резистор R6, поэтому транзистор Q4 находится в закрытом состоянии. При таких условиях, ток стока транзистора и всей схемы равен 0 А.
Сигнал с напряжением от 3 до 5 В на управляющем входе схемы открывает Q3, который через резистор R7 присоединен к шине 0 В, обеспечивая управление затвором Q4. Силовой MOSFET-транзистор открывается и в нагрузку, через резистор датчика тока R3, поступает ток IL. Если сопротивление резистора R3 и канала отрытого транзистора Q4 меньше, чем сопротивление нагрузки, то ток нагрузки, в основном, определяется значением напряжения питания, VS, и сопротивлением нагрузки.
При номинальной нагрузке, падение напряжения на датчике тока R3 является недостаточным для открывания транзистора Q1; таким образом, оба транзистора Q1 и Q2 находятся в закрытом состоянии. Однако, если ток нагрузки увеличивается, падение напряжения на R3 может стать достаточным для открывания транзистора Q1. В этот момент, через резистор R4 начинает течь базовый ток Q1, и коллекторный ток Q1, в свою очередь, обеспечивает базовый ток для Q2. Открывание транзистора Q2, приводит к значительному возрастанию базового тока транзистора Q1, и два оба транзистора быстро входят в режим насыщения.
При входе транзистора Q1 в режим насыщения, через его коллектор, анод диода D2 оказывается подключенным к положительному полюсу источника питания, что фиксирует напряжение на затворе Q4 значением, на падение напряжения на диоде меньшим, чем VS. Без управляющего напряжения на затворе, MOSFET-транзистор закрывается, и ток нагрузки IL падает до 0 А. Пока оба транзистора Q1 и Q2 остаются открытыми, транзистор Q4 остается закрытым, что предохраняет источник питания от повышенного тока нагрузки. Схему можно привести в исходное состояние либо подав управляющий сигнал низкого логического уровня, либо выключив и включив источник питания.
Сопротивления резисторов на рис.1 выбраны для работы при входном напряжении от 20 до 30 В. При использовании транзисторов с соответствующими параметрами, схема может работать при гораздо большем напряжении, но при этом необходимо пересчитать сопротивления резисторов. Возможна, также, работа и при снижении напряжения до 5 В, но для этого необходимо уменьшить сопротивления резисторов R1 и R5 для надежного открывания транзисторов Q1 и Q2. Резисторы R6 и R7 образуют делитель напряжения, который задает управляющее напряжение на затворе Q4, VGS, на уровне, достаточном для надежного открывания MOSFET-транзистора при открывании транзистора Q3.
При низком напряжении питания может понадобиться изменить соотношение между сопротивлением резисторов R6 и R7, чтобы управляющее напряжение затвор-исток было больше напряжения полного открывания транзистора Q4. Если схема работает при высоком напряжении питания, может понадобиться установить малосигнальный диод D1 для предотвращения возникновения пробивного обратного напряжения на переходе база эмиттер транзистора Q2 при закрывании транзистора Q3. Однако, при низком напряжении питания диод D1 модно не ставить, поскольку оно является недостаточным, чтобы вызвать пробой транзистора.
При подборе компонентов для схемы, необходимо выбирать биполярные транзисторы с максимально возможным коэффициентом передачи тока базы и убедиться, что диод D2 имеет малый обратный ток, избегая использовать диоды Шотки. В закрытом состоянии, падение напряжения на переходах коллектор-эмиттер или исток-сток каждого транзистора равно полному напряжению питания, таким образом, необходимо выбирать транзисторы у которых максимальные значения этих напряжений превышают напряжение питания.
Схема защиты от перегрузки имеет пороговое значение тока срабатывания:
IL(TRIP) ≈ 0.5 В / R3.
Например, при напряжении питания 24 В и сопротивлении резистора R3 = 6.8 кОм, тестовая схема, имеющая номиналы элементов, указанные на рис.1 имеет ток срабатывания защиты равный 70 мА. Реальное значение порога может зависеть от температуры окружающей среды и параметров транзистора Q1, так что надо быть готовым подобрать сопротивление резистора R3 для получения необходимого тока срабатывания защиты.
В дополнение к обеспечению функции надежного запирания регулирующего транзистора, петля положительной обратной связи между транзисторами Q1 и Q2 гарантирует, что схема ограничения тока будет быстро отвечать на перегрузки по току. Реальное время срабатывания защиты по току зависит от величины тока перегрузки. При напряжении питания 24 В и сопротивлении резистора R3 = 6.8 кОм, тестовая схема имела время выключения 6 мксек при токе перегрузки 80 мА. Однако, увеличение тока перегрузки до 200 мА привело к уменьшению времени срабатывания защиты до 500 нс.
Емкостная нагрузка, нити накаливания и двигатели обладают большим пусковым током и могут вызвать срабатывание схемы защиты от перегрузок при высоком уровне управляющего сигнала даже когда в нормально, установившемся состоянии ток нагрузки значительно ниже порога срабатывания защиты. Если при таком сценарии возникают проблемы, можно попробовать присоединить резистор R7 к отдельному транзистору, таким образом, получив независимое управление схемой включения и схемой защиты от перегрузки. Такой подход позволяет пусковому току спадать прежде, чем сработает защита от перегрузки.
