Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2015
Изображенная на Рисунке 1 простая схема переключателя нагрузки с ограничением тока, вероятно, хорошо знакома многим читателям. В этой схеме высокий уровень сигнала, приложенного к входу, открывает MOSFET Q2, через который получает питание нагрузка. Ток нагрузки ограничивается цепью отрицательной обратной связи, замыкающейся через транзистор Q1.
 |
|
| Рисунок 1. | Простой линейный ограничитель тока. |
В большинстве приложений ток, текущий через R2 в базу Q1, по сравнению с током нагрузки IL будет очень небольшим, поэтому напряжение VCS, падающее на токоизмерительном резисторе RCS, примерно равно напряжению VBE между базой и эмиттером Q1. Следовательно
VBE ≈ VCS,
и поскольку
VCS = ILRCS,
следует, что
VBE ≈ ILRCS,
или
Сопротивление резистора RCS выбрано таким, чтобы ограничить ток нагрузки максимальной величиной, определяемой выражением
где VBE(ON) – напряжение база-эмиттер, необходимое для открывания транзистора Q1. При комнатной температуре VBE(ON) ≈ 650 мВ. Например, взяв RCS = 3.3 Ом, мы установим ток IL(MAX) на уровне порядка 200 мА.
При нормальных, «неаварийных» условиях, когда ток IL находится в допустимых пределах, напряжение VBE слишком мало, чтобы включить Q1, и MOSFET Q2 остается полностью открытым сигналом высокого уровня, приложенным к его затвору через резистор R1. В такой ситуации ток нагрузки определяется в основном сопротивлением нагрузки и напряжением питания VS. Однако если IL приближается к IL(MAX) вследствие нарушения нормальной работы, Q1 начинает проводить ток, уменьшая напряжение затвор-исток транзистора Q2 до уровня, при котором ток нагрузки поддерживается примерно постоянным и равным
Этот линейный ограничитель тока весьма эффективен в приложениях, где IL(MAX) и напряжение питания не очень велики. Но способность схемы ограничивать ток нагрузки на безопасном уровне определяется допустимой мощностью рассеяния Q2. Например, если с помощью соответствующего выбора RCS ток IL(MAX) установлен равным 400 мА, и если VS = 12 В, то при коротком замыкании нагрузки на транзисторе Q2 будет рассеиваться мощность почти 5 Вт. Однако для поддержания температуры перехода на безопасном уровне одного тока выбора Q2 с подходящей мощностью будет недостаточно, и потребуется дополнительный теплоотвод. Выбор бóльших значений IL(MAX) и/или VS только усугубил бы эту проблему.
Между тем, добавив всего пару недорогих компонентов, вы можете превратить схему в эффективный ограничитель тока без каких-либо проблем, связанных с рассеиваемой мощностью. Предлагаемая в статье схема изображена на Рисунке 2 и работает как размыкатель с фиксацией.
 |
|
| Рисунок 2. | Переключатель нагрузки с защитным размыкателем цепи. |
Чтобы понять, каким образом работает эта схема, представим себе, что напряжение на выводе ВХОД имеет высокий уровень, транзистор Q2 открыт, и через нагрузку протекает нормальный ток. При таких условиях падение напряжения на RCS меньше, чем VBE(ON), и Q1, соответственно, закрыт. Любой незначительный ток утечки коллектора Q1 отбирается из базы Q3 через резистор R3, вследствие чего напряжение на переходе база-эмиттер PNP транзистора ограничено до нескольких милливольт или меньше, и удерживает Q3 в закрытом состоянии. Величина поступающего в нагрузку тока остается в пределах нормальных границ, оба транзистора Q1 и Q3 закрыты и не оказывают влияния на Q2.
Так же, как и в случае простой схемы ограничителя тока (Рисунок 1), аварийный рост тока нагрузки увеличит падение напряжения на RCS до уровня, превышающего необходимые для открывания Q1 650 мВ. При этом дополнительный транзистор Q3 совместно с Q1 образует структуру, подобную тиристору. Когда Q1 включается, он инжектирует ток в базу транзистора Q3, который, в свою очередь, полностью открывается, отдавая еще больше тока в базу Q1. Такая положительная обратная связь, определяющая взаимодействие Q1 и Q3, гарантирует, что оба транзистора будут открыты быстро и полностью.
Резистор R2 необходим для того, чтобы бóльшая часть тока коллектора Q3 гарантированно текла в базу Q1, эффективно изолируя коллектор Q3 от относительно низкого сопротивления RCS. При полностью открытых транзисторах Q1 и Q3 напряжение на затворе Q2 относительно шины 0 В мало, и в типичном случае составляет 800 мВ или около того. Поскольку для включения большинства N-канальных MOSFET требуется напряжение затвор-исток по крайне мере 2 В, Q2 теперь быстро закроется, и ток нагрузки, а также падение напряжения на RCS, упадут до нуля. Но, так как Q1 и Q3 включены, MOSFET остается выключенным, защищая их от перегрева.
Для сброса размыкателя цепи достаточно просто подать сигнал низкого уровня на вывод ВХОД, вследствие чего входные токи Q1 и Q3 прервутся, и оба транзистора закроются. После повторной подачи высокого уровня на ВХОД нормальная работа схемы восстановится, разумеется, при условии, что причины перегрузки будут устранены. Если же в момент включения аварийный режим нагрузки сохранился, размыкатель цепи немедленно сработает и выключит MOSFET.
Показанные на схеме номиналы резисторов подойдут для большинства приложений. Убедитесь, что сопротивление R1 не слишком мало, в противном случае всякий раз, когда пара Q1 - Q3 защелкивается, через вывод ВХОД будет протекать чрезмерно большой ток. Выбор MOSFET должен основываться в основном на его способности отдавать ток и напряжение, требуемые в конкретной схеме. В качестве Q1 и Q3 можно использовать большинство транзисторов общего назначения, имеющих хороший коэффициент передачи тока.
Характеристики схемы иллюстрирует осциллограмма на Рисунке 3. Сопротивление RCS было выбрано таким, чтобы установить порог срабатывания IL(MAX) = 150 мА, а нагрузка 20 Ом питалась напряжением VS = 5 В. Верхняя осциллограмма показывает сигнал на выводе ВХОД при переходе из 0 в 5 В, на средней показано напряжение на стоке Q2, а внизу – падение напряжения на сопротивлении RCS. Когда уровень сигнала на выводе ВХОД становится высоким, в первый момент происходит включение Q2, и, пока через нагрузку течет ток, напряжение на его стоке начинает опускаться от 5 В к нулю. Однако, поскольку при сопротивлении нагрузки 20 Ом ток нагрузки превышает 150 мА, падение напряжения на RCS быстро преодолевает уровень 650 мВ, и переключатель размыкается.
 |
|
| Рисунок 3. |
Осциллограмма, иллюстрирующая поведение схемы: |
Схема хорошо работает с такими нагрузками, как реле, светодиоды и подобные им компоненты. Однако, как можно увидеть из Рисунка 3, быстродействие размыкателя цепи очень велико, и для реакции на перегрузку ему требуется всего 150 нс. Вследствие этого электромоторы, лампы накаливания и емкостные нагрузки, создающие повышенные броски «пускового» тока, могут вызывать ложные срабатывания.
