Программируемый источник тока с отключением при перегреве

Недавно мы познакомились с идеями создания программируемых источников тока повышенной точности, основанных на использовании трехвыводных регуляторов серии LM3x7. В этих конструкциях также используются преимущества встроенных в классические устройства функций защиты от перегрева.

Некоторые из них очень хороши, например «Повышение точности программируемых источников питания на основе регуляторов LM317 и LM337» [1].

Другие, возможно, не очень… «Перекрестное соединение комплементарных источников тока для уменьшения ошибки саморазогрева» [2].

Однако при таком использовании все эти схемы должны были обеспечивать необходимый микросхемам семейства LM3x7 запас по напряжению питания около 5 В. Это напряжение, получаемое от источника питания, никогда не может быть подано на нагрузку. Таким образом, это приводит к существенной неэффективности использования энергии. Возможно, я привередлив, но не мог удержаться от вопроса, что можно было бы сделать, чтобы улучшить (уменьшить) потери.

Источник тока без защиты от перегрева

На Рисунке 1 показано, с чего я начал: простой, понятный и точный источник тока от 0 до 1 А, программируемый на напряжение от 0 до 2.5 В. Ему достаточно запаса всего около 1.25 В, необходимого, в основном, для компенсации падения напряжения на токоизмерительном резисторе R1 (плюс еще немного на сопротивлении канала транзистора Q1); таким образом, это позволило устранить проблему, которую я начал решать.

Рисунок 1.	Точный источник тока с повышенным КПД не имеет защиты от перегрева. При отсутствии защиты, если радиатор транзистора Q1 имеет недостаточные размеры, высокая мощность или температура окружающей среды могут привести к его повреждению.

Но, к сожалению, решив одну проблему, я создал другую.

Устранение из схемы того, что мешало снизить требования к запасу по напряжению, также устранило защиту от перегрева. Без солидного внешнего радиатора допустимая мощность рассеяния полевого транзистора Si7489DP составляет всего около 6 Вт при 25 °C. Если рассеиваемая мощность, температура окружающей среды или и то, и другое вдруг повысятся, транзистор Q1 изжарится, и теперь ничто не сможет этому помешать.

Источник тока с защитой от перегрева

И вот я задумался, что можно с этим сделать. Результат моих размышлений (или блужданий?) показан на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Внешняя защита перехода проходного транзистора Q1 от перегрева. Поскольку измерить внутреннюю температуру перехода Q1 напрямую невозможно, ее необходимо определить на основе рассеиваемой мощности, теплового сопротивления перехода относительно окружающей среды и температуры окружающей среды. Если температура превышает 150 °C, усилитель A1d прекращает шоу.

Требовалась внешняя версия отсутствующей теперь функции отключения при перегреве внутреннего перехода LM3x7. Конечно, сложность реализации внешнего ограничителя температуры перехода заключается в том, что внутренние переходы транзистора – троюродные братья классического кота Шредингера.

Ну, может быть, не совсем. В отличие от знаменитой квантовой киски, температура которой (будь то температура тела или помещения) теоретически непознаваема. Температуру перехода, хотя ее и сложно наблюдать напрямую, можно, по крайней мере, рассчитать.

И на самом деле именно это делает правая половина Рисунка 2.

Математика, необходимая для расчета температуры перехода:

Где:

T_J – температура перехода,
I_J – сила тока через переход,
V_J – напряжение на переходе,
S_JA – теплопроводность (ватт/градус) от перехода к окружающей среде из технического описания Q1,
T_A – температура окружающей среды.

Аналоговая арифметика

Схема на Рисунке 2 выполняет аналоговую арифметику, опираясь на изящное изобретение Джона Непера XVII века для умножения и деления путем сложения и вычитания логарифмов. Вот как схема на Рисунке 2 выполняет работу по делению (и умножению).

Напряжение база-эмиттер (V_BE) транзистора Q3 – это логарифм сигнала программирования тока транзистора Q1, измеряемого резистором R6. В то же время, напряжение V_BE транзистора Q4 регистрирует напряжение на транзисторе Q1, контролируемое элементами Q8 и R6.

Транзисторы Q3 и Q4 соединены последовательно, поэтому логарифмы их напряжений суммируются. Около 400 лет назад (вот уж, действительно, устаревшая технология!) Непер показал, что сложение логарифмов эквивалентно умножению. Таким образом, сумма V_BE становится сомножителем произведения I_JV_J в математике для T_J.

Сигнал I_JV_J подается на неинвертирующий вход усилителя A1c, и из него вычитается напряжение V_BE транзистора Q5, присутствующее на инвертирующем входе. Поскольку вычитание логарифмов равнозначно делению (еще раз спасибо, Джонни!), при правильном масштабировании сопротивления R8 это деление обеспечивает нормализацию члена S_JA для R_JA. Результат деления дает логарифм превышения температуры перехода над температурой окружающей среды.

Антилогарифмический коллекторный ток транзистора Q6 в сочетании с цепью R9/R10 (наконец-то!) преобразует выходной сигнал усилителя A1c в сигнал температуры перехода 2 мВ/°C. Этот сигнал суммируется усилителем A1d с сигналом температуры окружающей среды Q7.

Когда сумма достигает предельного для Q1 значения 150 °C, выходной сигнал A1d становится положительным, изменяя запрограммированный ток источника до безопасного уровня.

Что можно назвать кошачьим мяуканьем.

Запоздалая мысль

Мне с опозданием пришла в голову мысль, что альтернативный (и, вероятно, более точный) план, нежели использование Q7 для измерения температуры окружающей среды, заключался бы в том, чтобы термически прикрепить его (т.е. плотно прижать) к корпусу транзистора Q1 и заставить его сообщать о своей температуре, которая заведомо включает эффекты теплоотвода. Тогда мы сможем использовать тепловое сопротивление переход-корпус, указанное в техническом описании Q1 (т.е. R_JC вместо R_JA), максимальное значение которого для Si7489DP равно 1.5 °C/Вт.

В этом случае сопротивление резистора R8 стало бы равным 28,000 × 1.5 = 42 кОм.

Ссылки

1. Christopher Paul. Повышение точности программируемых источников питания на основе регуляторов LM317 и LM337
2. Stephen Woodward. Перекрестное соединение комплементарных источников тока для уменьшения ошибки саморазогрева

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments OPA186
2. Datasheet Vishay MMSZ5245
3. Datasheet Vishay Si7489DP