Недорогой размыкатель цепи с автоматическим восстановлением

Большинству читателей знакома схема ограничителя тока на Рисунке 1, в которой ток нагрузки I_L ограничен значением

где

V_BE – напряжение база-эмиттер,
R_S – сопротивление токоизмерительного резистора.

Рисунок 1.	Обычный двухтранзисторный ограничитель защищает нагрузку от чрезмерного тока.

В нормальных условиях, когда напряжение база-эмиттер слишком мало, чтобы открыть транзистор Q₁, резистор R_G, включенный в цепь затвора p-канального MOSFET Q₂, поддерживает MOSFET в полностью открытом состоянии, и ток нагрузки определяется только сопротивлением нагрузки R_L и напряжением нагрузки V_L. Однако если ток нагрузки увеличивается до точки, в которой напряжение база-эмиттер составляет примерно 0.7 В, транзистор Q₁ начинает проводить ток и снижает напряжение затвор-исток (V_GS) MOSFET Q₂ до уровня, при котором ток нагрузки поддерживается примерно постоянным и равным величине, определяемой формулой

Этот линейный ограничитель тока эффективен в приложениях, где максимальный ток нагрузки, напряжение питания или и то, и другое относительно невелики. Однако мощность, которую рассеивает проходной транзистор Q₂, ограничивает область применения схемы. Например, если максимальный ток нагрузки равен 200 мА и напряжение питания V_S равно 24 В, мощность, рассеиваемая транзистором Q₂ при коротком замыкании, составляет почти 5 Вт. Q₂ должен выдерживать эту мощность с достаточным запасом, и для поддержания температуры его перехода на безопасном уровне, возможно, потребуется дополнительный теплоотвод. Использование бóльших значений максимального тока нагрузки, напряжения питания или того, и другого усугубляет эту проблему. Во многих приложениях стоимость, размеры и вес компонентов, необходимых для управления мощностью, рассеиваемой при коротком замыкании, могут быть непомерно высокими.

Однако, добавив несколько недорогих компонентов, можно адаптировать схему, чтобы обеспечить эффективное ограничение тока без головной боли, связанной с рассеянием мощности. Получившаяся схема работает как автоматический размыкатель цепи с автоматическим восстановлением (Рисунок 2а). Опять же, Q₁ и R_S обеспечивают функцию контроля тока, в которой измеряемое напряжение V_SENSE = I_L × R_S.Однако в этой схеме MOSFET Q₂ либо полностью закрыт, либо полностью открыт, и никогда не находится в линейной области. Поскольку ток базы Q₁ обычно невелик, падение напряжения на базовом резисторе R_B также мало, так что напряжение между базой и эмиттером приблизительно равно напряжению считывания.

Чтобы понять, как работает схема, предположим, что ток нагрузки изначально мал, а напряжение база-эмиттер меньше 0.7 В. В этих условиях Q₁ выключен, а времязадающий конденсатор C₁ остается незаряженным, так что напряжение V_IN на входе инвертора Шмитта IC₁ равно 0 В. Таким образом, выходное напряжение микросхемы IC₁, равное примерно 5 В, открывает транзистор Q₃, ток которого, в свою очередь, создает падение напряжения на резисторе R₄, которое включает транзистор Q₂, обеспечивая протекание тока от источника питания к нагрузке через токоизмерительный резистор и сопротивление открытого транзистора Q₂.

Если вследствие неисправности произойдет увеличение тока нагрузки до уровня, при котором напряжение база-эмиттер составляет приблизительно 0.7 В, Q₁ открывается, и ток его коллектора быстро заряжает конденсатор C₁. Теперь входное напряжение быстро повышается до верхнего порога V_TU инвертора Шмитта, выходной уровень которого становится низким, выключая транзисторы Q₃ и Q₂. Ток нагрузки падает до 0 А, напряжение база-эмиттер транзистора Q₁, соответственно, падает до 0 В, и транзистор закрывается. Конденсатор C₁ начинает разряжаться через резисторы R₁ и R₂, и входное напряжение медленно снижается до уровня нижнего порога V_TL инвертора Шмитта. В этот момент выходное напряжение IC₁ снова становится высоким, транзисторы Q₃ и Q₂ включаются, автоматический выключатель срабатывает, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет устранена неисправность.

Рисунок 2.	Добавление нескольких компонентов превращает схему ограничения тока в генератор импульсов, уменьшающий нагрев проходного транзистора Q2 (а). Осциллограммы показывают взаимосвязь между входным напряжением схемы и напряжением нагрузки (б).

Осциллограммы показывают взаимосвязь между входным напряжением схемы и напряжением нагрузки (Рисунок 2б). Поскольку ток нагрузки проходит через Q₂ только во время включенного состояния, средняя мощность, рассеиваемая транзистором, прямо пропорциональна коэффициенту заполнения:

где

P_AVG – средняя мощность в ваттах,
t_ON – время включенного состояния,
t_OFF – время выключенного состояния.

Если постоянная времени, задаваемая элементами C₁, R₁ и R₂, достаточно велика, время выключенного состояния обычно будет намного больше, чем включенного, и результирующая мощность, рассеиваемая транзистором Q₂, будет низкой. Так же, как и в линейном ограничителе тока, пороговый ток автоматического размыкателя устанавливается токоизмерительным резистором на уровне

Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения, гарантирующий, что максимально допустимое входное напряжение микросхемы IC₁ никогда не будет превышено. Их сопротивления следует выбирать такими, чтобы при полностью открытом транзисторе Q₁ входное напряжение составляло 5 В или менее, исходя из того, что напряжение на C₁ примерно равно напряжению питания. Кроме того, значения сопротивлений должны быть достаточно велики, чтобы обеспечить большую постоянную времени, не требуя слишком большой емкости конденсатора C₁. Выбор транзистора Q₁ не критичен, но у него должен быть хороший коэффициентом передачи тока, а максимальное напряжение коллектор-эмиттер должно быть больше, чем напряжение питания. При выборе p-канального MOSFET для Q₂ необходимо помнить, что в закрытом состоянии он должен выдерживать полное напряжение питания. Сопротивление токоизмерительного резистора надо выбирать таким, чтобы при максимальном нормальном значении тока нагрузки на нем падало менее 0.5 В.

Такие потребители, как лампы накаливания, емкостные нагрузки и двигатели с большим пусковым током, могут вызвать срабатывание автоматического размыкателя при включении питания. Этих проблем можно избежать, добавив конденсатор C_X, диод D_X и резистор R_X. При включении питания конденсатор C_X изначально разряжен и подтягивает входное напряжение к 0 В через диод D_X. Это предотвращает срабатывание автоматического размыкателя до тех пор, пока не спадет пусковой ток. C_X и R_X определяют задержку, по истечении которой напряжение на C_X постепенно возрастает до напряжения питания, и диод D_X закрывается, после чего автоматический размыкатель начинает реагировать на перегрузку по току. Чтобы получить правильное время задержки, надо быть готовым к экспериментам с номиналами C_X и R_X. Хорошими отправными точками являются значения, соответственно, 10 мкФ и 1 МОм.

Материалы по теме

1. Datasheet Microchip 2N7002