Схема ограничения тока останется холодной

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2013

Многие читатели вероятно знакомы с двухполюсными схемами ограничителей тока, используемыми на протяжении многих лет. Эти схемы исключительно эффективны везде, где рабочие токи относительно малы, а напряжения питания не слишком высоки. Но их существенным недостатком является большая мощность, рассеиваемая на проходном транзисторе в режиме ограничения.

Для многих приложений цена, размеры и вес компонентов защиты, способных выдерживать мощность, рассеиваемую при коротком замыкании, могут оказаться неприемлемыми. Но, добавив всего несколько недорогих элементов, можно сделать схему, эффективно ограничивающую ток и, одновременно, защищающую проходной транзистор.

Рисунок 1.	При коротком замыкании в нагрузке выделение чрезмерной мощности может вывести из строя традиционный двухполюсный ограничитель тока (затемненная область), но добавление нескольких компонентов надежно защитит схему в подобной ситуации.

Затемнением на Рисунке 1 выделена традиционная двухполюсная цепь ограничителя тока. Если бы схема состояла только из этих элементов, напряжение база-эмитттер (V_BE) транзистора Q1 приближенно определялось бы сопротивлением резистора R1 и током нагрузки I_L в соответствии с выражением

До тех пор, пока напряжения V_BE не хватает для того, чтобы открыть Q1, резистор R2 удерживает Q2 в полностью открытом состоянии, и величина выходного тока определяется только сопротивлением нагрузки и падающим на ней напряжением V_L.

Если ток нагрузки увеличится до уровня, при котором V_BE приблизится к 0.7 В, Q1 начнет открываться, уменьшая напряжение база-эмиттер транзистора Q2 и частично закрывая его. В результате, ток нагрузки зафиксируется на уровне, который, в первом приближении, можно считать постоянным и равным

Эта схема прекрасно работает до тех пор, пока величина тока остается в приемлемых границах. Но в случае короткого замыкания нагрузки ток I_L становится настолько большим, что может вывести схему из строя. Например, если расчетный порог ограничения тока составляет 500 мА, а напряжение питания V_S = 15 В, то при коротком замыкании в нагрузке рассеиваемая на Q2 мощность может достичь почти 7.5 Вт. При этом придется не только выбирать соответствующий транзистор, но и устанавливать его на теплоотвод, чтобы поддерживать температуру перехода на безопасном уровне.

Дополнительные компоненты, изображенные на схеме вне затемненной области, защищают проходной транзистор Q2, выключая его, если рассеиваемая им мощность превысит установленный уровень. Третий транзистор Q3, появившийся в этой схеме, в нормальном режиме остается выключенным и никак не влияет на работу устройства. Но в случае любой неисправности, будь то чрезмерное повышение входного напряжения, или аномальный рост выходного тока, напряжение база-эмиттер Q3 становится достаточно большим, чтобы открыть транзистор.

При включении Q3 напряжение база-эмиттер транзистора Q2 падает почти до нуля, вследствие чего Q2 закрывается, и протекание тока через нагрузку прекращается. Конденсатор C1 выполняет определенную фильтрующую функцию, предотвращая ложные срабатывания схемы. Обычно достаточно емкости от 10 до 100 нФ. Заметим, что в отсутствие нагрузки схема не забирает от источника питания никакой мощности.

Работа схемы защиты основана на том, что напряжение на делителе R3, R4 равно сумме напряжений база-эмиттер транзистора Q1 и коллектор-эмиттер Q2. В нормальном режиме, когда ограничитель активен и удерживает ток нагрузки на постоянном уровне I_CL, напряжение V_BE транзистора Q1 относительно постоянно и равно примерно 0.7 В, а напряжение коллектор-эмиитер Q2 сравнительно невелико. В результате Q3 остается закрытым.

При возникновении неисправности напряжение коллектор-эмиттер транзистора Q2 увеличится и начнет открывать транзистор Q3. По мере открывания Q3 будет закрываться Q2, снижение напряжения на нагрузке приведет к еще большему падению напряжения на делителе R3, R4, и, наконец, Q3 откроется полностью.

Такая положительная обратная связь гарантирует малое время включения защиты. Схема ограничителя тока окончательно защелкнется (I_L = 0) и будет оставаться в таком состоянии либо до выключения и повторного включения питания, либо до отключения нагрузки.

Обратите внимание, что рассеиваемая на транзисторе Q2 мощность прямо пропорциональна его напряжению коллектор-эмиттер. Поэтому падение напряжения на делителе R3, R4 может служить эффективным показателем количества энергии, выделяемой Q2. Делитель может быть рассчитан таким образом, чтобы мощность рассеивания Q2 никогда не превышала безопасного уровня.

Считая, что напряжения V_BE транзисторов Q1 и Q3 примерно равны, можно получить выражение, в первом приближении связывающее соотношение сопротивлений резисторов делителя (R3 и R4) с максимальной безопасной мощностью рассеивания Q2 (PD_MAX), напряжением база-эмитттер (V_BE) и порогом ограничения тока (I_CL):

Рассмотрим пример схемы с номинальным напряжением питания 12 В и максимальным выходным током 100 мА, отдаваемым в нагрузку с сопротивлением не ниже 80 Ом. При таких условиях максимальная мощность, рассеиваемая транзистором Q2, будет находиться в пределах 330 мВт.

В качестве Q2 выберем транзистор 2N3906 с максимальной мощностью рассеивания 625 мВт при 25 °C, и зададимся предельным безопасным уровнем мощности PD_MAX = 500 мВт. Чтобы пороговый ток I_CL равнялся 100 мА, величина сопротивления R1 должна составлять приблизительно 6.8 Ом.

Если напряжение база-эмиттер транзисторов Q1 и Q3 равно 0.7 В, приведенное выше выражение дает R4/R3 = 7.14. Ближайшие стандартные значения сопротивлений равны 6.8 кОм и 1 кОм для резисторов R4 и R3, соответственно. При таких номиналах выключение транзистора Q2 будет происходить при рассеивании им мощности более 470 мВт.

Рисунок 2.	В традиционной схеме ограничителя тока (черная линия) мощность рассеивания транзистора Q2 в случае неисправности может достичь опасного уровня. Ограничитель с цепью защиты отключает схему (красная линия), если сопротивление нагрузки становится слишком низким.

Графики на Рисунке 2 иллюстрируют результаты испытаний схемы, в которой использовались резисторы с рассчитанными выше сопротивлениями. Приведена зависимость мощности, рассеиваемой транзистором Q2, от сопротивления нагрузки при его изменении от 95 Ом до 45 Ом. Все транзисторы типа 2N3906, R2 = 1 кОм, V_S = 12 В.

Черная линия описывает поведение ограничителя тока без схемы защиты (Q3, R3 и R4 не установлены). Как видим, рассеиваемая транзистором мощность растет с уменьшением нагрузки, достигая опасного порога при сопротивлении 50 Ом. Короткое замыкание нагрузки почти наверняка разрушило бы схему.

Красная линия соответствует характеристикам полной схемы, в которую добавлены элементы защиты Q3, R3 и R4. В этом случае схема отключается при мощности рассеивания порядка 420 мВт (спад красной линии к нулю), что несколько меньше предсказанного формулой значения 470 мВт.