Большинство читателей хорошо знакомы со схемой ограничения тока, приведенной на рис.1, в которой ток нагрузки, IL, ограничивается величиной IL=VBE/RS, где VBE это напряжение база-эмиттер, а RS сопротивление датчика. В нормальных условиях, когда напряжение база-эмиттер слишком мало, чтобы открыть Q1, резистор затвора, RG, полностью открывает Р-канальный MOSFET транзистор Q2 и только сопротивление нагрузки, RL, и напряжение нагрузки, VL, определяют ток нагрузки.
В то же время, как только ток нагрузки вырастет до величины, когда напряжение база-эмиттер достигнет приблизительно 0.7 В, Q1 начинает открываться и уменьшает напряжение затвор-исток, VGS, транзистора Q2 до уровня, который ограничивает ток нагрузки приблизительно на установленном вами постоянном максимальном уровне ILMAXIMUM=0.7 V/RS.
Этот линейный ограничитель тока подходит для применения в аппаратуре, где максимальный ток нагрузки или напряжение питания, или обе величины достаточно невелики. В то же время величина мощности, рассеиваемой на проходном транзисторе схемы Q2 ограничивает область применения схемы.
Например, если максимальный ток нагрузки составляет 200 мА, а напряжение питания схемы составляет 24 В, короткое замыкание в нагрузке приведет к рассеиванию около 5 Вт мощности на Q2. Транзистор Q2 должен рассеивать эту мощность с необходимым запасом, поэтому может понадобиться дополнительный радиатор для удержания температуры кристалла на безопасном уровне. Использование более высоких величин тока нагрузки, напряжения питания или их обоих еще более обостряет данную проблему.
Во множестве приложений цена, размер и вес компонентов, необходимых для рассеивания мощности короткого замыкания, моут оказаться неприемлемыми. Тем не менее, добавив некоторое количество недорогих компонентов, вы можете модернизировать эту схему для выполнения задачи эффективного ограничения тока при отсутствии проблем с рассеиваемой мощностью.
Получившаяся схема работает как самовосстанавливающаяся схема автоматического выключателя (рис.2a). Как и ранее, Q1 и RS выполняют функцию слежения за током, где напряжение датчика составляет VSENSE=ILxRS. В то же время, в этой схеме транзистор Q2 либо полностью включен, либо полностью выключен и никогда не работает в активном режиме. Так как ток базы Q1 имеет небольшую величину, падение напряжения на базовом резисторе RB так же невелико, поэтому напряжение база-эмиттер приблизительно равно напряжению на датчике.
Для объяснения принципа работы схемы примем, что изначально ток нагрузки невелик и напряжение база-эмиттер меньше 0.7 В. При этих условиях Q1 выключен, и время задающий конденсатор C1 остается разряженным, так как VIN, напряжение на входе инвертора с триггером Шмидта, IC1, равно 0В. Таким образом, выходное напряжение IC1, составляющее приблизительно 5В, включает транзистор Q3, который в свою очередь обеспечивает через R4 смещение на затворе Q2, что обеспечивает протекание тока от источника питания в нагрузку через резистивный датчик и сопротивление открытого состояния Q2.
Теперь, если произошла авария, ток нагрузки возрастает до уровня, при котором напряжение база-эмиттер становится приблизительно равным 0.7 В. Транзистор Q1 включается, и его ток коллектора быстро заряжает C1. Входное напряжение быстро нарастает до верхнего порогового напряжения инвертора с триггером Шмидта, VTU, в этот момент, выход IC1 переключается в низкое состояние и отключает Q3 и Q2. Ток нагрузки снижается до 0А и напряжение база-эмиттер так же снижается до 0В, поэтому транзистор Q1 закрывается. Конденсатор C1 начинает разряжаться через R1 и R2, и входное напряжение начинает медленно уменьшаться до нижнего порога переключения инвертора с триггером Шмидта, VTL. В момент достижения порога, выход IC1 снова переключается в высокое состояние, транзисторы Q3 и Q2 включаются, и работа автоматического выключателя восстанавливается. Описанный процесс повторяется до тех пор, пока вы не устраните аварию.
Осциллограммы схемы показывают связь между входным напряжением и напряжением нагрузки (рис.2b). Так как ток протекает через Q2 только во время включенного состояния, средняя мощность рассеивания прямо пропорциональна скважности сигнала: PAVG=tON/(tON+tOFF), где PAVG это средняя мощность в ваттах, tON время включенного состояния и tOFF время выключенного состояния. При условии, что элементы C1, R1 и R2 устанавливают достаточно большую постоянную времени, время выключенного состояния будет намного больше времени включенного состояния, и итоговая рассеиваемая мощность на Q2 будет невысокой. Как и для линейного ограничителя тока, резистивный датчик устанавливает порог ограничения тока автоматического выключателя: ILMAXIMUM=0.7 V/RS (A).
Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, который гарантирует, что входное напряжение никогда не превысит максимально допустимое значение входного напряжения для IC1. Номиналы резисторов выбирайте таким образом, чтобы входное напряжение составляет 5 В или менее, когда транзистор Q1 полностью включен и, соответственно, напряжение на C1 приблизительно равно напряжению питания. Так же выбирайте достаточно большие номиналы элементов с тем, чтобы получить значительную величину постоянной времени без необходимости использовать слишком большой номинал для C1.
Выбор транзистора Q1 не критичен, но вам надо выбрать транзистор с высоким усилением по току и убедиться, что его максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше величины напряжения питания. При выборе P-канального MOSFET транзистора для Q2, помните, что он должен выдерживать в закрытом состоянии полное напряжение питания, таким образом, допустимое напряжение сток-исток должно быть больше напряжения питания. При выборе номинала резистивного датчика, убедитесь, что при максимально допустимом токе нагрузки, напряжение база-эмиттер не превышает 0.5 В.
Некоторые нагрузки, такие как лампы накаливания, емкостные нагрузки и моторы, которые имеют высокий пусковой ток, могут вызвать срабатывание автоматического выключателя при включении питания. Вы можете решить эту проблему, добавив в схему конденсатор CX, диод DX и резистор RX. При подаче питания, конденсатор CX первоначально разряжен и удерживает через DX входное напряжение на инверторе с триггером Шмидта вблизи 0 В. Это предотвращает срабатывание автоматического выключателя во время импульса пускового тока. Номиналы CX и RX определяют величину задержки, после которой величина напряжения на CX достигает напряжения питания, диод DX запирается, после чего автоматический выключатель готов отслеживать превышение тока. Возможно, придется экспериментально подбирать величины CX и RX с тем, чтобы получить подходящее время задержки. В качестве стартовой точки можно выбрать номиналы 10 мкФ и 1 МОм, соответственно.
