Ограничитель тока на транзисторе

Ограничитель тока на транзисторе — защита выхода от коротких замыканий

Ограничитель тока на транзисторе — для питания внешних устройств или подсистем многим изделиям требуется дополнительный выход постоянного напряжения. Если такие подсистемы рассчитаны на горячее подключение, дополнительный выход должен быть защищен от коротких замыканий. Схемы, в которых используются предохранители, медленны, а падающее на предохранителях напряжение может влиять на основную систему. Очень дешевая схема, обеспечивающая импульсное ограничение тока, показана на Рисунке 1. Схема может реагировать на кратковременные или постоянные короткие замыкания выхода.

Основные элементы примененные в схеме

Единственный побочный эффект, создаваемый схемой на входной шине, — небольшой провал напряжения (сотни милливольт в течение сотен микросекунд). Основные элементы, использованные в устройстве — это инвертор с триггером Шмитта U1 (74НС14), транзисторный ключ Q2 и токоизмерительный резистор R_sense. Напряжение питания V_IN этой схемы равно 12 В, а расчетный максимальный ток нагрузки — 0.6 А. В нормальном режиме работы, когда ток нагрузки не превышает 500 мА, транзистор Q1 закрыт. Напряжение в точках V₁ и V₂ равно нулю, С1 разряжен, а напряжение в узле V₃ равно 5 В. Транзисторы Q3 и Q2 включены, и выходное напряжение V_OUT= 12B.

Если ток нагрузки превысит 0.6 А, транзистор Q1 включится, напряжение V₁ увеличится, и конденсатор С1 будет заряжаться через диод D1 с небольшой постоянной времени C1хR1. Когда напряжение V₂ превысит верхний порог переключения 74НС14, напряжение в точке V₃ упадет практически до нуля, транзистор Q3 закроется и выключит Q2, в результате чего протекание тока через нагрузку прекратится. Вслед за ним выключится транзистор Q1, напряжение в узле V₁ станет низким, и конденсатор С1 начнет заряжаться с большой постоянной времени, равной С1хR2. По истечении промежутка времени, зависящего от С1 и R2, напряжение в узле V₂ станет низким, в узле V₃ — высоким, и проходной транзистор Q2 откроется.

Принцип работы устройства

В случае продолжительного замыкания выхода этот процесс периодического импульсного включения и выключения продолжится. При больших токах нагрузки ограничитель тока на транзисторе может получить проблемы, связанные с большой мощностью, рассеиваемой на резисторе R_sense. В связи с этим Q1 можно заменить монитором тока верхнего плеча (таким, например, как ZXCT1021) и внести соответствующие изменения в схему. D2 выполняет защитную функцию, разряжая конденсатор С1 при выключении питания. Транзистор Q2 должен выдерживать достаточный ток (желательно от 4 до 5 А). Разработчики также должны не забывать о разбросе пороговых напряжений триггера Шмитта.

Уменьшение падения напряжения

Для снижения прямого падения напряжения Q2 можно заменить р-канальным MOSFET. При более высоких напряжениях (например, 24 В) необходимо обеспечить защиту промежутка затвор-исток MOSFET: это напряжение не должно превышать пробивного напряжения стабилитрона. Когда выход был закорочен резистором 1 Ом, напряжение в точке V2 начало изменяться по пилообразному закону между пиковыми значениями 2 В и 3.2 В с временем нарастания 500 мкс и временем спада 1 с. Амплитуда импульса выходного тока была равна примерно 1.5 А при длительности 500 мкс, а провал входного напряжения составлял 0.2 В в течение тех же 500 мкс. Чтобы сократить длительность импульса тока короткого замыкания, емкость конденсатора С1 можно уменьшить (скажем, до 0.47 mkO).