Автоматический выключатель обеспечивает защиту от перегрузки по току и точную защиту от перенапряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2014

Собранный из горстки недорогих элементов автоматический выключатель, представленный на Рисунке 1, обеспечивает защиту подключенной к нему нагрузки от двух аварийных ситуаций: от перегрузки по току и от повышенного напряжения. Основой схемы является элемент D₂ – регулируемый, прецизионный, параллельный стабилизатор напряжения, в трехвыводном корпусе которого интегрированы внутренний источник опорного напряжения и компаратор с выходом в виде транзистора с открытым коллектором.

Рисунок 1.	Этот автоматический выключатель обеспечивает защиту, как от перенапряжения, так и от перегрузки по току. В нормальном режиме он потребляет лишь ток, текущий через делитель R3, R4 и катодную цепь D2.

На Рисунке 2 показана упрощенная схема ИМС ZR431 (D₁). Напряжение, поступающее на вывод ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ (далее «вход»), сравнивается с напряжением V_REF внутреннего источника опорного напряжения, номинальное значение которого равно 2.5 В. В выключенном состоянии, когда входное напряжение равно 0 В, выходной транзистор ИМС выключен, и ток ее катода не превышает 0.1 мкА. Когда внешнее входное напряжение приближается к значению V_REF, ток катода постепенно возрастает и, как только внешнее входное напряжение превысит пороговое значение 2.5 В, устройство полностью включается, и напряжение на катоде падает примерно до 2 В. В этом состоянии ток катодной цепи определяется сопротивлением нагрузки, включенной между катодом и шиной питающего напряжения, и может иметь величину от 50 мкА до 100 мА.

Рисунок 2.	На этом упрощенном изображении ИМС ZR431 входное напряжение сравнивается с напряжением внутреннего опорного источника, равным примерно 2.5 В.

При нормальных условиях работы схемы выходной транзистор ИМС D₂ выключен, и затвор P-канального MOSFET Q₄ подключен к общему проводу через резистор R₉. Таким образом, транзистор Q₄ полностью открыт и пропускает к нагрузке ток I_LOAD, идущий от источника питающего напряжения –V_S через резистор R₆. Транзистор Q₂ и токочувствительный резистор R₆ контролируют величину I_LOAD по величине падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора Q₂, равному I_LOAD × R₆. Для номинальных рабочих значений I_LOAD напряжение V_BE будет меньше 0.6 В, необходимых для открытия Q₂, поэтому транзистор не будет оказывать влияния на напряжение в средней точке делителя R₃, R₄. Поскольку входной ток D₂ составляет менее 1 мкА, падением напряжения на резисторе R₅ можно пренебречь, а опорное напряжение считать равным падению напряжения на резисторе R₄.

В случае перегрузки, когда I_LOAD превышает заданное предельно допустимое значение, увеличение напряжения на резисторе R₆, а, следовательно, и напряжения база-эмиттер становится достаточным, чтобы открыть транзистор Q₂. Напряжение на R₄ и, соответственно, опорное входное напряжение теперь будут подтянуты вверх к уровню V_S, в результате чего напряжение катода ИМС D₂ упадет примерно до 2 В. Транзисторный выход ИМС D₂ обеспечит повышение тока через резисторы R₇ и R₈ и, таким образом, создаст смещение, необходимое для открывания транзистора Q₃. Теперь напряжение на затворе Q₄ через открытый транзистор Q₃ будет поднято до уровня напряжения питания, и MOSFET Q₄ будет выключен. В тот же момент через транзистор Q₃ и диод D₁ в R₄ потечет ток, который подтянет напряжение на R₄ к уровню, равному напряжению питания за вычетом падения напряжения диоде D₁. Следовательно, ток нагрузки уже не протекает через R₆, напряжение база-эмиттер транзистора Q₂ равно 0, и транзистор выключен. Таким образом, после воздействия перегрузки по току, независимо от того, течет ли ток нагрузки через резистор R₆, или нет, транзистор ИМС D₂ останется открытым, и схема будет находиться в режиме отключения, при котором ток нагрузки равен 0. При выборе сопротивления резистора R₆ необходимо обеспечить, чтобы при максимально допустимом токе нагрузки напряжение база-эмиттер транзистора Q₂ не превышало 0.5 В.

Предлагаемый автоматический выключатель реагирует не только на перегрузку по току, но и на аномально большое напряжение питания, то есть на перегрузку по входному напряжению. Когда ток нагрузки лежит в пределах номинальных рабочих значений, и транзистор Q₂ выключен, информация о величине питающего напряжения с резистивного делителя R₃, R₄ поступает на вход ИМС D₂. В случае перенапряжения напряжение на R₄ превысит пороговый уровень в 2.5 В, и транзистор на выходе ИМС D₂ откроется. Q₃ вновь включится, MOSFET Q₄ выключится, а нагрузка будет эффективно изолирована от опасного переходного процесса.

Схема будет оставаться в выключенном состоянии до ее принудительного сброса. В этих условиях Q₃ фиксирует напряжение затвор-исток транзистора Q₄ на уровне примерно 0 В, тем самым защищая сам MOSFET от чрезмерных напряжений затвор-исток. Если пренебречь ничтожно малым падением напряжения на резисторе R₅, то можно увидеть, что входное напряжение ИМС D₂ равно

 

в вольтах. Поскольку ИМС D₂ включается, когда ее входное напряжение превышает 2.5 В, уравнение можно заменить на

 

в омах, где V_ST – уровень срабатывания защиты по превышению напряжения питания. Например, если сопротивление R₄ равно 10 кОм, а защита должна срабатывать при 18 В, потребуется резистор R₃ с номиналом 62 кОм. При выборе номиналов R₃ и R₄ для установки необходимого напряжения срабатывания убедитесь, что они достаточно велики, чтобы делитель не нагружал лишним током источник питания. Сопротивления этих резисторов также не должны быть чрезмерно большими, чтобы избежать ошибок из-за тока, втекающего на вход D₂.

При первом включении схемы вы обнаружите, что конденсаторы, лампы накаливания, двигатели и подобные нагрузки с большими пусковыми токами могут быть причиной нежелательного срабатывания выключателя, даже если их номинальный рабочий ток ниже порогового уровня, установленного резистором R₆. Одним из способов устранения этой проблемы является добавление конденсатора C₂, который замедлит скорость изменения напряжения на входе ИМС D₂. Этому простому подходу, однако, присущ серьезный недостаток, так как он замедляет время реакции схемы в случае реальной перегрузки или короткого замыкания.

Альтернативное решение обеспечит каскад на элементах С₁, R₁, R₂ и Q₁. При включении питания через первоначально разряженный конденсатор C₁ потечет ток, который приведет к отпиранию транзистора Q₁, закорачивающего вход ИМС D₂ и препятствующего срабатыванию выключателя под действием пусковых токов. Затем C₁ зарядится через резисторы R₁ и R₂, и транзистор Q₁ в конечном итоге выключится и разблокирует вход ИМС D₂, позволяя схеме быстро реагировать на перегрузки по току. При указанных на Рисунке 2 номинальных значениях элементов C₁, R₁, и R₂ схема не реагирует на пусковые токи в течение примерно 400 мс. Выбор других номиналов позволяет установить любую продолжительность этого интервала, соответствующую вашей нагрузке. Перезапустить выключатель после срабатывания можно либо выключив и снова включив питание, либо нажав на кнопку СБРОС (S₁), подключенную параллельно конденсатору С₁. Если ваше приложение не нуждается в защите от бросков пускового тока, то элементы C₁, R₁, R₂ и Q₁ можно не устанавливать, а кнопку сброса S₁ включить между входом ИМС D₂ и общим проводом.

При выборе компонентов убедитесь, что все они рассчитаны на максимальные напряжения и токи, при которых им придется реально работать. К биполярным транзисторам специальных требований не предъявляется, хотя эти транзисторы, особенно Q₂ и Q₃, должны иметь большой коэффициент усиления по току, а транзистор Q₄ должен обладать низким сопротивлением канала в открытом состоянии. Кроме того, максимальные напряжения сток-исток и затвор-исток транзистора Q₄ должны быть соразмерны с максимальным напряжением питания. В качестве D₁ можно использовать практически любой малосигнальный диод. В качестве меры предосторожности для защиты схемы от возможных больших бросков напряжения может потребоваться дополнительная установка стабилитронов D₃ и D₄.

В схеме используется ИМС семейства 431, широко доступная от большого числа производителей, но не все из них на месте D₂ будут вести себя в точности одинаково. Например, тестирование TL431CLP от Texas Instruments и ZR431CL компании Zetex показывает, что при нулевом опорном напряжении ток катода обоих устройств равен нулю. Однако постепенное увеличение опорного напряжения от 2.2 до 2.45 В приводит к изменению катодного тока в диапазоне от 220 до 380 мкА для TL431CLP, и от 23 до 28 мкА для ZR431CL, то есть, по этому параметру две микросхемы различаются примерно в 10 раз. При выборе сопротивлений резисторов R₇ и R₈ вы должны принимать это различие во внимание.

Тип ИМС, используемой в качестве D₂, и выбранные величины сопротивлений резисторов R₇ и R₈ могут также оказывать влияние на время отклика выключателя. Испытания схемы с TL431CLP, в которой R₇ = 1 кОм и R₈ = 4.7 кОм, показали реакцию на перегрузку по току не хуже 550 нс. Замена TL431CLP на ZR431CL привела к увеличению времени реакции до 1 мкс. При увеличении номиналов R₇ и R₈ на порядок, до 10 кОм и 47 кОм, соответственно, время отклика выросло до 2.8 мкс. Следует отметить, что относительно большое значение катодного тока TL431CLP требует, соответственно, малых значений сопротивлений R₇ и R₈.

Чтобы установить порог срабатывания по перенапряжению на уровне 18 В, резисторы R₃ и R₄ должны иметь сопротивления 62 кОм и 10 кОм, соответственно. Проверка показала следующие результаты: при использование в качестве D₂ ИМС TL431CLP напряжение срабатывания защиты составило 17.94 В, а при использовании ZR431CL – 18.01 В. Зависимость параметров выключателя от напряжения база-эмиттер транзистора Q₂ оказывает более существенное влияние на механизм защиты от перегрузки по току, чем на функцию защиты от перенапряжения. Однако точность срабатывания от перегрузки по току может быть значительно улучшена путем замены элементов R₆ и Q₂ на специальный токоизмерительный усилитель, генерирующий ток, пропорциональный току нагрузки, но уже относительно общего провода. Эти устройства можно приобрести у компаний Linear Technology, Maxim, Texas Instruments, Zetex и других.

Предлагаемый автоматический выключатель будет полезным в таких приложениях, как автомобильная электроника, нуждающаяся и в защите от перегрузок по току, вызываемых неисправностями нагрузки, и в защите от перенапряжений, особенно важной для высокочувствительных схем. В нормальном рабочем режиме схема практически не потребляет ток от источника питания, за исключением небольших токов, протекающих через делитель R₃, R₄ и через катод ИМС D₂.