Электронные ограничители тока с корректируемой выходной характеристикой

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2017

Иволгин В. И., г. Тамбов

В [1] предлагается простая конструкция ограничителя тока, которая обладает вполне приемлемым значением падения напряжения на транзисторе, составляющим всего десятые доли вольта. Но его основной параметр – величина тока ограничения I_M, – к сожалению, зависит от входного напряжения V_ВХ. Вследствие этого в случае, если оно превысит номинальное напряжение на несколько вольт, может произойти снижение тока I_M до нуля, а если опустится ниже номинального напряжения – наоборот, произойдет его увеличение. И если в первом случае характер проблемы больше соответствует приятному бонусу (защита от перенапряжения), то вторая, при определенных обстоятельствах, может привести к неприятным последствиям. Это связано с тем, что при включении источника ограничитель неизбежно проходит через состояние с пониженным напряжением на его входе, и, вследствие этого, с увеличенным I_М. При этом, если в момент включения источника нагрузка находится в состоянии короткого замыкания, то кратковременной перегрузки источника не избежать. Тем не менее, когда короткое замыкание возникнет уже при включенном ограничителе, в связи с восстановившимся должным значением I_М эта ситуация будет купирована штатным образом.

По этим причинам на входе ограничителя такого типа необходимо поддерживать фиксированное напряжение, а для обеспечения 100% надежности нагрузку лучше подключать уже после его включения. Подобные ограничения не являются обременительными, но все же целесообразно принять меры по их устранению.

Как уже отмечалось, их причиной является нестабильность параметров ограничителя при изменении входного напряжения, а конкретнее – зависимость от этого изменения напряжения смещения базы VT2 [1]. И поскольку этот транзистор является средством отслеживания уровня напряжения на датчике тока R_S, это и является непосредственной причиной подобного поведения ограничителя.

Для поиска приемлемого варианта устранения этой проблемы была исследована зависимость тока I_M от напряжения V_ВХ для ограничителя с короткозамкнутым выходом при одновременном блокировании транзистора VT2 временным соединением его базы с эмиттером. Как выяснилось, при низких напряжениях на его входе – от 0 и примерно до 3.5 В, ток на его выходе практически отсутствует. При дальнейшем повышении напряжения в пределах 1…2 В ток довольно быстро увеличивается, достигая величин порядка единиц ампер. В реальном ограничителе подобное явление проявляется в гораздо меньшей степени, но в этих же пределах изменения входного напряжения. Из полученного результата следует, что для беспроблемной работы ограничителя в момент включения источника необходимо, чтобы к моменту достижения на его входе 3.5 В смещение на транзисторе уже было сформировано полностью. И поскольку здесь речь идет о стабилизации напряжения на уровне 0…0.6 В при исходных 3.5 В, то в подобных условиях техническая реализация подходящего решения не представляет особых сложностей. В предложенном варианте для решения этой задачи использован источник опорного напряжения типа TL431 на 2.5 В (Рисунок 1), который обеспечивает стабилизацию напряжения на делителе R2-R3, создающем необходимое смещение на базе транзистора VT2.

Рисунок 1.	Принципиальная схема ограничителя с расширенным диапазоном входного напряжения.

В исследуемом ограничителе в качестве VT1 использовался транзистор IRF9540N, установленный на радиаторе, в качестве VT2 – транзистор SS8550, VD1 – ИОН TL431, а также резисторы R_S, R1, R3, R4 с сопротивлениями, соответственно, 0.2 Ом, 4.2 кОм, 4.7 кОм, 1 кОм. Расчет R2 для обеспечения тока ограничения I_M, равного 1 А, производился, как и ранее, по формуле (2) из [1], но с заменой V_ВХ на напряжение стабилизации, равное 2.5 В. Кроме того, при заданном токе ограничения I_M и R_S =0.2 Ом определена величина V_SM = 0.2 В. Из проведенных вычислений следует, что ближайшее значение сопротивления, соответствующее расчету, будет равно 910 Ом. И, как следует из предыдущих рассуждений, можно было бы ожидать, что с момента стабилизации напряжения на делителе R2-R3, то есть, начиная с входного напряжения 4 В и выше, величина ограничения тока должна быть постоянной. Но это предположение выполняется лишь весьма приближенно, о чем свидетельствуют результаты измерения зависимости тока ограничения от V_ВХ (Рисунок 2). Здесь величина R2 для точного соответствия тока ограничения I_M =1 A при входном напряжении V_ВХ = 12 В была экспериментально уточнена и составила 930 Ом.

Рисунок 2.	Зависимость тока ограничения IM от уровня входного напряжения VВХ.

На основе полученных результатов можно сделать вывод о весьма сильной зависимости тока ограничения от входного напряжения в интервале от 3 до 6 вольт, которая сопровождается значительным отличием этой величины от расчетного значения I_M. Тем не менее, в этом интервале превышения тока ограничения относительно его расчетного значения, что было проблемой ранее, не происходит. В интервале от 8 до 20 В, который можно считать рабочим диапазоном ограничителя, изменение тока ограничения относительно его значения при 12 В не выходит за пределы ±10%.

В тех случаях, когда требуется защитить нагрузку не только от превышения потребляемого тока, но и от превышения напряжения, ограничитель можно дополнить цепочкой, состоящей из стабилитрона VD2 и резистора R5, как это показано на Рисунке 3. При таком включении по достижении V_ВХ напряжения стабилизации VD2 дополнительный ток в цепи базы VT2 через R5 производит закрытие VT1 и отключение нагрузки от источника тока. При использовании в качестве VD2 стабилитрона BZX55C13 и R5 = 1 кОм отключение нагрузки происходит при превышении напряжения относительно напряжения стабилизации стабилитрона на интервале в 0.15 В. Более плавное ограничение напряжения можно получить за счет увеличения значения R5.

Рисунок 3.	Ограничитель тока с защитой от перенапряжения.

Ограничители рассматриваемого типа в рабочем режиме обладают достаточно малыми потерями. Но в подобных устройствах все становится гораздо сложнее при токовых перегрузках, когда ограничитель переходит в защитный режим при снижении сопротивления нагрузки ниже нормы. Эта проблема наиболее ярко проявляется при коротком замыкании на его выходе, когда при токе, равном току ограничения, на проходном транзисторе выделяется значительное количество тепла. В этих условиях для его защиты от перегрева требуется соответствующий радиатор.

Такой вариант защиты обычно считается неэффективным и используется редко. Чаще всего после превышения предельного уровня тока ограничения, вызванного снижением сопротивления нагрузки ниже критического значения, производится либо переход к снижению выходного напряжения с синхронным снижением тока, либо осуществляется отключение нагрузки. В принципе, конструктивно это разные типы ограничителей. Но упомянутую выше конструкцию легко запрограммировать для работы в любом из названных режимов с помощью дополнительного резистора обратной связи R5 (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Принципиальная схема ограничителя тока с коррекцией выходной характеристики.

Исследование выходных характеристик предлагаемой версии ограничителя (Рисунок 4) проводилось на том же макете (Рисунок 1) при входном напряжении 12 В. Вначале снималась выходная характеристика без резистора R5, обозначенная линией красного цвета, затем – с включением R5 с сопротивлением 68 кОм и 39 кОм. Последние графики окрашены, соответственно, в синий и зеленый цвета (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Выходные характеристики ограничителя при различных значениях резистора обратной связи: Режим 1, R5 = ∞ (отсутствует), красный Режим 2, R5 = 68 кОм, синий Режим 3, R5 = 43 кОм, зеленый.

Как следует из этих данных, начальные отрезки рабочего режима каждого из графиков, на которых падение выходного напряжения невелико и линейно нарастает, практически совпадают. Но после достижения тока ограничения I_M и перехода ограничителей в режим защиты характер зависимости тока от выходного напряжения резко меняется. Для Режима 1 эта взаимосвязь заключается в стабилизации тока на его выходе при любом значении выходного напряжения, в Режиме 2 формируется так называемая падающая токовая характеристика, когда при снижении выходного напряжения так же снижается и ток, в Режиме 3 при достижении предельного тока I_M происходит отключение нагрузки с соответствующим результатом равенства на ней нулю напряжения и тока.

Каждая из этих выходных характеристик формируется изменением токового режима проходного транзистора и соответствующего выделения на нем тепла. Для обеспечения надежности ограничителя проходной транзистор необходимо установить на радиаторе, способном защитить его от перегрева. В связи с этим обстоятельством важно выяснить, при каких условиях в каждом из режимов будет генерироваться максимальная мощность потерь P_M.

Предварительно условимся в дальнейшем:

• режимы защиты называть по нумерации их характеристик, приведенной на Рисунке 5;
• потери на датчике тока R_S вследствие их относительной малости и для упрощения расчетных соотношений приниматься во внимание не будут;
• в качестве меры потерь на ограничителе будет использоваться мощность P, выделяющаяся на проходном транзисторе ограничителя при фиксированных напряжении и токе.

При анализе энергетических потерь P в рассматриваемых режимах защиты следует отметить, что их наибольшее значение соответствует защитному Режиму 1. Как нетрудно показать, в этом случае величина P может быть вычислена по следующему приближенному выражению:

(1)

где

V_ВХ – входное напряжение ограничителя,
I_M – величина тока ограничения,
R – сопротивление нагрузки, а область его изменения 0 ≤ R ≤ V_ВХ/I_M.

При коротком замыкании, т. е. при R = 0, в соответствии с этим соотношением мощность потерь P достигает своего максимального значения P_M и будет равна:

(2)

Таким образом, для обеспечения надежности этого режима защиты в целом достаточно, чтобы проходной транзистор был снабжен радиатором, способным предотвратить его перегрев при коротком замыкании, поскольку во всех других ситуациях тепловой режим транзистора будет менее напряженным. Ток в нагрузке в защитном режиме всегда остается равным I_M.

Главным достоинством защитного Режима 2 является возможность изменения зависимости между выходными напряжением и током ограничения таким образом, чтобы при снижении сопротивления нагрузки синхронно снижался и выходной ток. Выполнение этого условия достигается соответствующим выбором значения R5. Естественно, что при этом снижается и ток короткого замыкания I_O. Зависимость мощности потерь P от электрических параметров ограничителя также изменится, поскольку ток в режиме защиты здесь является переменной величиной. Ориентировочный расчет P в зависимости от тока I в нагрузке можно сделать с помощью выражения

(3)

где текущее значение тока I в нагрузке изменяется в пределах I_О ≤ I < I_М.

Характерной особенностью этого режима является то, что максимум мощности потерь P_М теперь приходится не на короткое замыкание, как в Режиме 1, а на момент, когда ток I в нагрузке будет равняться половине тока ограничения, при условии, что I_О ≤ I_М/2, или при I = I_О, если I_О > I_М/2. Из (3) следует, что максимум потерь P_М теперь в основном будет зависеть от величины I_О. Наименьшее его значение будет соответствовать I_О = 0 и составит

(4)

а наибольшее – при I_О = I_М/2 будет равно

(5)

Из сопоставления результатов (2), (4) и (2), (5) можно сделать вывод о том, что максимально возможные потери P_M в Режиме 2 по сравнению с Режимом 1 будут меньше от 2 до 4 раз. Кроме того, важно, что в Режиме 2 можно изменением сопротивления резистора R5 установить ток короткого замыкания гораздо меньше тока ограничения. Но этой возможностью не стоит злоупотреблять, поскольку в этом случае ограничитель может увеличивать время переходных процессов в нагрузке или даже, при некоторых ее параметрах, будет лишен возможности выхода на рабочий режим. В связи с этим рекомендуется устанавливать величину тока короткого замыкания I_O около трети тока ограничения I_M.

Из сравнения рассмотренных двух вариантов защиты следует, что их объединяет необходимость применения радиаторов для защиты от перегрева проходного транзистора. Но Режим 2 является более гибким, за счет чего появляется возможность получить выигрыш в размерах используемых радиаторов не менее чем в два раза по сравнению с Режимом 1.

И, наконец, с точки зрения минимизации потерь, наиболее предпочтительным вариантом защиты является Режим 3, в котором при достижении предельного тока происходит полное отключение нагрузки от источника на неограниченное время.

Основные достоинства и недостатки названных режимов защиты ограничителя (Рисунки 4 и 5) уже ясны из приведенного обсуждения. И выбор какого-либо из них будет определяться, в первую очередь, типом нагрузки, параметрами источника питания, требованиями условий эксплуатации. В большинстве случаев предпочтение, по возможности, отдается защитному Режиму 3, во время действия которого в экстремальной ситуации производится полное отключение нагрузки, и тем самым блокируется развитие негативных последствий в системе источник-нагрузка. Но неприятной его особенностью является необходимость принудительного восстановления рабочего состояния ограничителя после устранения перегрузки. Для этого может потребоваться, например, его кратковременное отключение с последующим включением или выполнение каких-то других манипуляций. По этой причине его применение не всегда оказывается приемлемым, а если нагрузка включает в себя значительную емкостную составляющую, то и вовсе невозможным. В этом случае приходится пользоваться альтернативными вариантами, рассмотренными ранее. Но можно ли их использовать без радиаторов?

В подобных случаях, когда нагрузка содержит емкостную составляющую, ее включение сопровождается импульсом тока с амплитудой, значительно превышающей его номинальное значение. Тогда главная задача ограничителя – обеспечить условия перехода нагрузки в рабочий режим при токах, не превышающих ток ограничения I_М. На этом этапе, вследствие однократности и скоротечности такого процесса, количество тепла, выделяющееся на проходном транзисторе, обычно невелико. Но если оно все же будет достигать опасных значений, то для его утилизации может быть использован аккумулятор тепла. Им может стать, например, алюминиевая пластина с необходимой теплоемкостью, находящаяся в тепловом контакте с транзистором и, как правило, имеющая небольшие размеры.

Следующей задачей ограничителя является защита системы источник-нагрузка от воздействия токовых перегрузок, вызванных нарушениями нормальной работы устройства и проявляющихся в течение длительного времени. Чаще всего подобные проблемы сопровождаются значительным возрастанием рассеиваемой мощности на проходном транзисторе. И поскольку в ограничителе радиатор заменен простейшим тепловым аккумулятором с малой способностью к рассеиванию тепла, температура транзистора может быстро достигать опасных значений. Для предотвращения его теплового пробоя в этом случае целесообразно использовать термистор, находящийся в тепловом контакте с проходным транзистором, который при нагреве до заданной допустимой температуры либо произведет отключение нагрузки, либо переведет ограничитель в режим малого тока. Реализовать подобный вариант (Рисунок 4) можно включением последовательно с R5 = 30 кОм термистора NTC-FM-52 на 100 кОм, который при температуре 100 °C снижает свое сопротивление до 6 кОм.

В такой версии ограничителя исходным режимом его работы являлся Режим защиты 2 с входным напряжением 12 В и током короткого замыкания около 0.9 А при токе ограничения I_M = 1 А. На проходном транзисторе устанавливался только терморезистор с переходником и элементами крепления. Испытания проводились с нагрузкой, состоящей из электролитического конденсатора 10000 мкФ и активного резистора 14.1 Ом. Испытания показали, что при включении нагрузки ощутимого нагрева проходного транзистора не происходит. Естественно, что ток заряда конденсатора во время переходного периода не превышал тока ограничения. При подключении к нагрузке дополнительного резистора 6.8 Ом, вызывавшего перегрузку ограничителя, происходил резкий сброс выходного тока примерно до 0.3 А в связи с переходом ограничителя в режим защиты. После этого начинался интенсивный разогрев транзистора с терморезистором, вследствие чего ток в нагрузке падал и в конечном итоге устанавливался на уровне примерно 70 мА. Температура транзистора при этом оставалась стабильной и поддерживалась на достаточно высоком уровне вплоть до снятия перегрузки. Температура в значительной степени зависит от величины R5, и при его уменьшении она также падает. При восстановлении сопротивления активной нагрузки до нормального значения ограничитель без задержки возвращается в рабочий режим, что сопровождается постепенным охлаждением проходного транзистора до комнатной температуры.

Ссылки

Материалы по теме