Ограничитель постоянного тока, управляемый обратной связью

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2019

Ilija Uzelac

Electronic Design

Эта схема с цепью обратной связи, в которой использовано несколько стандартных дискретных компонентов, обеспечивает ограничение тока на уровне, установленном пользователем. Кроме того, функция ограничения может включаться и выключаться через оптоизолятор по внешней цифровой линии управления, например, выходным сигналом микроконтроллера.

Схема ограничения тока часто необходима для того, чтобы защитить наиболее дорогие компоненты схемы от воздействия переходных процессов, таких как скачки тока, которые возникают, когда источник питания управляет большой емкостной нагрузкой, или когда Н-мост запускает индуктивный двигатель, а также для того, чтобы контролировать ток схемы питания светодиодов.

В этом универсальном ограничителе тока верхнего плеча используется управление с отрицательной обратной связью, основанное на общих принципах контроля процессов (Рисунок 1). Практическая реализация схемы показана на Рисунке 2. Здесь контролируемым процессом является выходной ток, величина которого почти равна входному току. Измерение выполняется на токоизмерительном резисторе R1. Сопротивление этого резистора задает значение порога (максимально допустимый ток).

Рисунок 1.	Стандартный подход к проектированию системы управления с обратной связью: требуемое значение максимально допустимого тока сравнивается с фактическим значением, и по результату сравнения вырабатывается управляющий сигнал p.

P-n-p транзистор Q1 представляет контроллер на Рисунке 1, а его коллекторный ток I_CQ1 – сигнал p. Резистор R3 и p-канальный MOSFET Q2 образуют управляющий элемент. Необходимо подчеркнуть, что контроллер не выполняет с элементом управления никаких действий (управляющий сигнал p равен нулю), если входной ток не достигнет порогового уровня.

Рисунок 2.	В терминах петли регулирования на Рисунке 1 ток коллектора Q1 является управляющим сигналом p, а R3/Q2 – управляющим элементом; пороговое значение устанавливается резистором R1.

После включения питания транзистор Q2 не проводит ток до тех пор, пока входное напряжение не достигнет порогового уровня V_GS, который для большинства MOSFET равен 3…5 В, после чего дальнейшее увеличение входного напряжения полностью открывает Q2. Поэтому пока входной ток не достиг порогового значения, Q2 может действовать как переключатель. Напряжение V_GS ограничено напряжением стабилизации выбранного стабилитрона D1, которое в данной схеме равно 7.5 В.

Пороговое напряжение V_BE выбранного p-n-p транзистора (MMBTA92) равно приблизительно 0.56 В. При сопротивлении R1, равном 0.56 Ом, уровень ограничения тока составляет 1 А. Q1 начинает проводить ток, когда падение напряжения на R1 превысит 0.56 В, или ток превысит 1 А, и его коллекторный ток начинает течь через резистор R3.

В соответствии с соотношением

V_GS = 7.5 – R3 × I_CQ1,

где I_CQ1 – ток коллектора Q1, любое увеличение коллекторного тока Q1 (управляющего сигнала p) уменьшает напряжение V_GS и, соответственно, снижает выходной ток Q2, что, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на резисторе R1. На этом петля обратной связи замыкается. Важно отметить, что в режиме регулирования (I_CQ1 > 0) Q2 работает в активном режиме. Это значит, что необходимо помнить об области безопасной работы выбранного MOSFET.

Напряжение на стабилитроне D1 должны быть больше, чем требуемое напряжение V_GS соответствующее максимальному (ограниченному) выходному току. R3 определяет чувствительность управляющего элемента. Хотя более высокие значения чувствительности улучшат точность реакции контура регулирования, это одновременно увеличит коэффициент усиления контура, что может привести к колебаниям тока вокруг порогового значения. Величина сопротивления R3 = 10 кОм была определена опытным путем, как оптимальное значение, при котором колебания выходного тока отсутствуют.

Добавление небольшого твердотельного реле, управляемого непосредственно от вывода микроконтроллера, позволяет осуществлять внешнее включение и выключение функции ограничения. Оптоэлектронное реле U1 (AQV414) представляет собой нормально замкнутое устройство, удерживающее Q2 в выключенном состоянии при низком уровне на входе цифрового управления, и открывающее Q2 при высоком уровне. Резистор R4, гарантирующий, что емкость затвор-исток Q2 полностью разрядится при выключении схемы, установлен в качестве меры предосторожности, поскольку при использовании U1 он не нужен.

Описанное в этой статье устройство является частью более сложной схемы драйвера, питающего три соединенных последовательно 10-ваттных светодиода с напряжением питания 48 В и током до 1 А. Однако указанными значениями тока и напряжения приложение не ограничено, поскольку при правильном выборе p-канального MOSFET входное напряжение может составлять сотни вольт, при условии, что режим MOSFET не выходит из области безопасной работы.

Материалы по теме