Ключ верхнего плеча и четыре дополнительных компонента обеспечивают защиту от повышенного напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2013

William Swanson

Electronic Design

Питающиеся от низкого напряжения микроконтроллеры часто должны коммутировать высоковольтные нагрузки с помощью ключей верхнего плеча. Простая двухтранзисторная схема позволяет решить эту задачу и одновременно защитить нагрузку от повышенного входного напряжения.

Хотя сами микроконтроллеры обычно работают при низких напряжениях, например, при 3.3 В, нередко они должны управлять нагрузкой, питающейся от более высокого напряжения, скажем, от 12 В. В том случае, когда нагрузка коммутируется разрывом положительной шины питания, микроконтроллер должен иметь возможность управления ключом с помощью низковольтных сигналов.

Простое решение показано на Рисунке 1. Хотя схема состоит всего лишь из четырех компонентов, она дополнительно обеспечивает защиту от превышения входного напряжения. До тех пор, пока входное напряжение остается ниже уровня порядка 15 В, выходное напряжение равно входному, за вычетом небольшого падения на транзисторе Q2.

Рисунок 1.	Микроконтроллер отключает нагрузку с помощью ключа верхнего плеча, образованного транзисторами Q1 и Q2. Вытекающий из Q1 ток используется для контроля напряжения на нагрузке.

Если же напряжение на входе превысит этот уровень, схема начнет работать как LDO стабилизатор, не позволяя выходному напряжению подняться выше 15 В. Это свойство окажется полезным, если работоспособность ключа должна сохраняться в условиях, когда существует вероятность превышения входным напряжением допустимого напряжения питания нагрузки.

Транзистор Q1 и резистор R1 образуют источник втекающего тока. На резисторе падает достаточно стабильное напряжение, равное сумме выходного напряжения «лог. 1» микроконтроллера (V_OH) и напряжения база-эмитттер Q1 (V_BE). Создаваемый этим напряжением ток определяется соотношением

и при напряжении питания микроконтроллера 3.3 В будет равен примерно 1.2 мА. Бóльшая часть этого тока уходит в базу управляющего нагрузкой транзистора Q2. При «лог. 0» на выходе микроконтроллера ток снижается до нуля, и нагрузка отключается.

Стабилитрон D1 обеспечивает альтернативный путь для тока R1. Если напряжение пробоя стабилитрона равно V_Z, ток через него потечет, когда выходное напряжение станет больше V_Z + V_OH – V_BE. При V_Z = 12 В и напряжении питания микроконтроллера 3.3 В это будет примерно 14.6 В. Поскольку падение напряжения на R1 постоянно, стабилитрон эффективно отбирает ток из базы Q2, сокращая количество тока, уходящего в нагрузку. Эта отрицательная обратная связь заставляет схему вести себя подобно стабилизатору напряжения.

Для конкретной схемы подберите такое значение сопротивления R1, чтобы ток базы транзистора Q2 был равен максимальному току нагрузки I_MAX, деленному на коэффициент передачи тока Q2 (ß), или

Выбирая транзистор Q2 не забывайте, что при перегрузке по входу рассеиваемая им мощность увеличивается, и все выделяемое тепло должно эффективно отводиться.

Простого способа рассчитать точную величину выходного напряжения не существует, поэтому проще всего испытать схему с несколькими разными стабилитронами и отобрать наиболее подходящий. Лучше всего начинать со стабилитрона, напряжение стабилизации которого равно требуемому выходному напряжению за вычетом напряжения питания микроконтроллера. Но высокая точность здесь совершенно не нужна, поскольку речь идет всего лишь о защите от перегрузки по входу.

Если защита от превышения входного напряжения вам не требуется, просто удалите стабилитрон из схемы. Тогда получится выключатель нагрузки, состоящий всего из трех элементов, база транзистора Q2 в котором по прежнему питается стабильным током, остающимся постоянным независимо от напряжения на входе.