Автоматический выключатель цепи работает при напряжениях до 32 В

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2019

Greg Sutterlin

EDN

За простотой измерения тока в нижнем плече можно не увидеть преимуществ, которые дают измерения в верхнем плече. Контролировать токи в нагрузке источника питания, драйвере двигателя или другой силовой цепи можно как относительно верхней шины питания, так и относительно нижней шины (земли). Но многие неисправности могут быть не определены монитором нижнего плеча, и нагрузка не будет защищена от опасных воздействий. В то же время, монитор в верхнем плече, подключенный непосредственно к источнику питания, может обнаружить любые проблемы в последующих цепях и инициировать соответствующее действие для исправления ситуации. Обычно для подобных мониторов нужен прецизионный операционный усилитель, источник питания, учитывающий ограниченный диапазон синфазных напряжений усилителя, и несколько точных резисторов. Между тем, существует микросхема MAX4172, способная измерять токи в верхнем плече схемы в присутствии синфазных напряжений до 32 В (Рисунок 1). Микросхема IC₁ формирует привязанный к земле выходной токовый сигнал, пропорциональный току, измеряемому в верхнем плече. Этот ток, равный напряжению, падающему на внешнем токоизмерительном резисторе, деленному на 100, создает выходное напряжение на нагрузочном резисторе R_LOAD.

Рисунок 1.	Токоизмерительный усилитель и несколько транзисторов образуют недорогой автоматический размыкатель цепи.

Недорогой размыкатель цепи состоит из микросхемы IC₁ и нескольких внешних компонентов. Резистор R_SENSE служит для измерения тока нагрузки, а транзистор Q₁ управляет прохождением тока. Схема работает при напряжениях от 10 до 32 В, но ее легко изменить, чтобы расширить диапазон напряжений до 6.5 В. Первоначальная подача напряжений V_IN и V_CC переводит размыкатель в состояние отключения. Нажатие на кнопку S₁ сбрасывает схему и подключает питание к нагрузке, открывая транзисторы Q₁, Q₃ и Q_4B. Через Q₃ получает питание микросхема IC₁, а Q_4B устанавливает порог размыкания тока V_THRESH = V_CC – V_BE(4B). (V_BE(4B) – напряжение база-эмитттер транзистора V_4B). Поскольку V_CC равно 5 В, а напряжение база-эмиттер транзистора Q_4B примерно равно 0.7 В, типичное значение V_THRESH составляет 4.4 В. Номинальный ток отключения схемы равен 1 А. Величины сопротивлений R_SENSE, R_THRESH и R_OUT являются функциями требований к точности системы и рассеиваемой мощности. Сначала выбираем R_SENSE = 50 мОм и R_THRESH = 10 кОм. Затем вычисляем

где

I_LOAD – пороговое значение тока (1 А);
G_m – крутизна характеристики преобразования (типовое значение для IC₁ для равно 0.01 А/В).
Таким образом, R_OUT = 10 кОм.

Подача питания на Q₃ и Q_4B открывает эти транзисторы. Соответственно, устанавливается порог V_THRESH и активируется микросхема IC₁. Выходной ток микросхемы I_OUT, пропорциональный току, измеренному между выводами RS+ и RS– на токоизмерительном резисторе R_SENSE, отображается как напряжение V_OUT, падающее на резисторе V_OUT. Когда V_OUT превысит сумму напряжений (V_THRESH + V_BE(4B)), транзистор Q_4B выключается, в свою очередь закрывается и Q₃, и напряжение на выводе V+ падает (вывод 8 микросхемы IC₁). Когда напряжение V+ достигает 2.67 В (типовое значение), уровень сигнала PG становится высоким, транзистор Q₁ закрывается, и выключатель размыкается. Q₂ добавляет обратную связь, обеспечивающую свободное от колебаний выключение при достижении порога размыкания тока. Потребляемый ток в отключенном состоянии ничтожен и равен току нагрузки V_CC, что в типичном случае составляет 0.5 мА. Для сброса размыкателя необходимо нажать кнопку S₁. Устройство предназначено для недорогих приложений, в которых абсолютная точность порога отключения тока некритична. Точность, зависящая от колебаний напряжения V_CC и разброса напряжений база-эмиттер транзисторов Q_4A и Q_4B, а также от тока ошибки, протекающего через R₄, при пороговом токе 1 А составляет примерно ±15%.

Материалы по теме