Недорогой выключатель питания с дополнительной функцией субмикросекундного размыкателя цепи

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2019

Изображенная на Рисунке 1 схема позволит управлять включением высоковольтного питания заземленной нагрузки с помощью низковольтного сигнала. Кроме того, схема работает как субмикросекундный размыкатель цепи, защищающий источник питания от аварий нагрузки. Питание подключается к нагрузке при подаче сигнала логического уровня на управляющий контакт схемы. При уровне этого сигнала менее 0.7 В транзистор Q₃ закрыт, и P-канальный MOSFET Q₄ выключен, так как его затвор через резистор R₆ соединен с положительной шиной питания. Ток, потребляемый схемой в таком состоянии, равен 0 А.

Рисунок 1.	Этот недорогой коммутатор питания одновременно выполняет функцию субмикросекундного размыкателя цепи.

Сигнал от 3 до 5 В на контакте управления открывает транзистор Q₃, который подтягивает резистор R₇ к земле, и MOSFET Q₄ включается. Теперь MOSFET открыт и пропускает ток нагрузки I_L через токоизмерительный резистор R₃. Если R₃ и сопротивление открытого транзистора Q₄ меньше сопротивления нагрузки, ток I_L определяется в основном напряжением питания V_S и самой нагрузкой.

В нормальных условиях напряжения, падающего на резисторе R₃, для открывания транзистора Q₁ недостаточно, поэтому Q₁ и Q₂ выключены. Но если ток нагрузки увеличивается, это напряжение может стать достаточно большим, чтобы включить Q₁. В этот момент через R₄ в Q₁ начинает течь ток базы, а коллекторный ток Q1, в свою очередь, обеспечивает базовый ток для Q₂. Когда Q₂ включается, он добавляет дополнительный базовый ток для Q₁, и два транзистора быстро фиксируются в открытом состоянии.

Через насыщенный транзистор Q₁ анод диода D₂ подключается к положительной шине питания, и напряжение на затворе Q₄ становиться меньше напряжения V_S на величину падения на диоде. Соответственно, MOSFET выключается, и ток нагрузки I_L падает до нуля. При включенных Q₁ и Q₂ транзистор Q₄ остается закрытым, защищая источник питания от чрезмерных токов нагрузки. Чтобы сбросить размыкатель цепи, достаточно подать управляющий сигнал или выключить и включить питание схемы. Сопротивления резисторов, показанные на Рисунке 1, подходят для работы при напряжениях питания от 20 до 30 В. При подборе соответствующих транзисторов рабочее напряжение схемы можно намного увеличить, но при этом потребуется перерасчет сопротивлений резисторов. Схема может работать также при низком напряжении порядка 5 В, однако для этого, возможно, нужно будет уменьшить сопротивления резисторов R₁ и R₅, чтобы обеспечить достаточный ток управления транзисторов Q₁ и Q₂. Резисторы R₆ и R₇ образуют делитель напряжения, устанавливающий напряжение затвор-исток транзистора Q₄ достаточно большим для того, чтобы полностью открыть MOSFET при включенном транзисторе Q₃.

При низких напряжениях питания, вероятно, придется изменить соотношение сопротивлений резисторов R₆ и R₇, чтобы напряжения затвор-исток было достаточно для управления транзистором Q₄. Если схема работает при высоких напряжениях, может потребоваться дополнительный малосигнальный диод D₁, чтобы предотвратить обратный лавинный пробой перехода база-эмиттер транзистора Q₂, когда Q₃ выключен. Но при низких напряжениях питания, слишком малых, чтобы вызвать лавинный сбой, диод D₁ можно исключить.

При выборе компонентов следует отдавать предпочтение биполярным транзисторам с большим коэффициентом усиления, а диод D₂ должен иметь низкий обратной ток утечки. Не используйте диоды Шоттки. В выключенном состоянии между выводами коллектор-эмиттер или сток-исток всех транзисторов приложено полное напряжение питания, поэтому убедитесь, что допустимые значения напряжений используемых транзисторов превышают максимальное напряжение питания.

Размыкатель цепи срабатывает при пороговом токе нагрузки

Например, при напряжении питания 24 В и сопротивлении резистора R₃, равном 6.8 Ом, тестовая схема, в который используются компоненты с номиналами, указанными на Рисунке 1, отключается при токе нагрузки 80 мА. Фактическая точка срабатывания слегка изменяется с температурой и зависит от транзистора, используемого в качестве Q₁, поэтому надо быть готовым к тому, чтобы подобрать сопротивление R₃ для получения желаемого порога переключения.

Контур положительной обратной связи, охватывающий Q₁ и Q₂, помимо выполнения функции блокировки, обеспечивает быстрый отклик размыкателя цепи на ток перегрузки. Фактическое время срабатывания в некоторой степени зависит от величины тока аварийного режима. При напряжении питания 24 В и сопротивлении резистора R₃, равном 6.8 Ом, это время составляет 6 мкс. Однако при увеличении порогового тока до 200 мА время срабатывания уменьшается до 500 нс.

Емкостные нагрузки, лампы накаливания и электромоторы создают большие пусковые токи и могут вызвать срабатывание размыкателя цепи при высоком уровне сигнала управления, даже при нормальном стабильном токе нагрузки, не достигающем порога отключения. При возникновении такой проблемы нужно рассмотреть возможность подключения R₇ к отдельному транзистору, чтобы разделить управление коммутатором питания и размыкателем цепи. Это позволит броску тока затухнуть раньше, чем будет разрешена работа размыкателя цепи.