ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Вам надоело менять предохранители каждый раз, когда они сгорают? Используйте электронный предохранитель постоянного тока, который будет защищать ваши устройства, подключенные к блоку питания. Этот «предохранитель» может быть восстановлен, просто отключив и снова включив его. Такой предохранитель использует N-канальный FET полевой транзистор как датчик тока. Также транзистор осуществляет отключение линии нагрузки по массе, когда ток превысит максимально допустимое значение.
Схема предохранителя
Печатная плата
Ток отсечки (срабатывания) можно регулировать переменным резистором Р1 от 0 до 5 А. Данная схема может корректно работать с максимальным током нагрузки до 5 ампер. Не перегружайте её, если не хотите сжечь детали. На длительном высоком токе транзистор может становиться горячим, поэтому нужен небольшой радиатор.
Теперь о конденсаторах в базовой цепи — С1 и С2 транзистора Т2. В зависимости от их ёмкости, меняется скорость срабатывания. Например с С1 будет отключаться медленно (пропуская кратковременные пики нагрузки), а С2 мгновенно. При настройке отрегулируйте резистор Р1 до тех пор, пока предохранитель не «перегорит».
Сброс предохранителя прост: отключите его питание, и при повторной подаче напряжения схема готова защитить ваши приборы снова. Устройство подходит как приставка для любого источника питания постоянного тока (с переменным схема не заработает) на напряжение выхода до 25 В. При более высоком напряжении потребуется изменить номиналы некоторых резисторов и поставить транзисторы по мощнее. А для защиты самого БП можно сделать вот эту схему.
Поделитесь полезными схемами
| СВЕТИЛЬНИК НАСТРОЕНИЯ Светильник хорошего настроения — конструкция с использованием разноцветных светодиодов и микроконтроллера AtMega32. |
| ДЕТЕКТОР ВЛАЖНОСТИ Электронное устройство на двух транзисторах, позволяющее отслеживать состояние влажности и если уровень превышен — подавать сигнал. |
| САМОДЕЛЬНАЯ МИНИ ДРЕЛЬ Небольшая радиолюбительская мини дрель сделанная своими руками, специально для сверления отверстий в печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. |
| ТАЙМЕР ПОДАЧИ ВОДЫ Автоматический электронный таймер для подачи воды в бассейн — схема на микроконтроллере для самостоятельной сборки. |
Регулируемый электронный предохранитель на микросхеме LM358 и полевом транзисторе | Электронные схемы
электронный предохранитель на полевом транзисторерегулируемый электронный предохранитель на lm358 и мосфетеС помощью электронного предохранителя,можно защитить технику и блок питания при коротком замыкании в нагрузке,также предусмотрена регулируемая защита по току при превышении заданного тока в нагрузке.Предохранитель работает при напряжении на входе 7-20В,ток потребляемый в дежурном режиме составляет 5мА. Коммутируемый ток полевым транзистором превышает 5 Ампер,дальше не проверял,но по описаниям достигает десятки Ампер.Полевой транзистор при потребляемом токе 3А в нагрузке не нагревается.
На операционном усилителе lm358 собран компаратор напряжения.На полевом транзисторе собран ключ и шунт.На TL431 собран стабилизатор напряжения.
Когда кнопка не нажата,на затвор полевого транзистора не поступает напряжение достаточное чтобы он открылся и транзистор закрыт.В это время горит светодиод(дежурный режим),а на выводе 2 компаратора будет напряжение 80мВ ,чуть больше чем на выводе 3 -70мВ(измерял при питании 8В без нагрузки).
На выводе 1 компаратора при этом будет напряжение 800 мВ,что явно мало,чтобы открыть полевой транзистор.Теперь нажимаем кратковременно на кнопку.На затвор полевого транзистора через диод VD2 и R4 подается напряжение,которое его открывает и ток начинает протекать через нагрузку.При этом на выводе 2 компаратора будет напряжение 60 мВ,а на выводе 3 будет напряжение больше-100 мВ.Компаратор переключился и на выводе 1 теперь будет напряжение 6.6В,которое пройдя через диод VD1 понизится до 5.8В и это напряжение будет держать транзистор открытым.Сопротивление открытого канала транзистора равно 23 миллиОм. Это сопротивление играет роль шунта,на котором будет падение напряжения при прохождении через него тока нагрузки.Это напряжение поступает на вывод 2 компаратора.При коротком замыкании или при превышении заданного тока,напряжение на шунте становится больше напряжения чем на выводе 3,и компаратор переключается.На выводе 1 будет вновь напряжение 800 мВ которое закроет транзистор и нагрузка будет обесточена,светодиод вспыхнет.Когда неисправность в нагрузке будет ликвидирована,ток можно вновь подать в нагрузку нажав на кнопку.
Подстроечным резистором можно выставлять значение тока,при котором должен сработать предохранитель.Надо учитывать,что дома температура будет плюс 20 и сопротивление открытого канала транзистора будет одним,а на минус 20 будет другим,соответственно возможно изменится ток срабатывания который был выставлен.
электронный предохранитель на компараторе lm358 и полевом транзистореПоследовательно к стоку транзистора,можно подключить еще шунт,в итоге ток срабатывания можно уменьшить до нескольких мА.
Все своими руками Регулируемый электронный предохранитель
Опубликовал admin | Дата 9 ноября, 2018
В статье «Амперметр на микросхеме ACS712» была рассмотрена схема амперметра постоянного тока на основе модуля с микросхемой ACS712, в данной статье этот модуль будет использован в качестве датчика тока нагрузки для электронного предохранителя. Принципиальная схема электронного предохранителя показана на рисунке 1.
На схеме показан модуль, рассчитанный на ток нагрузки до пяти ампер. На AliExpress можно так же приобрести модули на ток 20 ампер и 30 ампер и использовать их в данной схеме. Но тогда транзистор VT1 IRL2505 следует заменить двумя такими же транзисторами. Хотя можно использовать и другие MOSFET. Напряжение питание данной схемы ограничено лишь максимальным напряжением питания микросхемы стабилизатора питания LM7805 – 35 вольт.
Работа схемы
После подачи напряжения на вход схемы появляется напряжение пять вольт на выходе стабилизатора напряжения питания микросхемы DA3 и модуля датчика тока DA2. На схеме нарисована микросхема одноименного модуля, а не сам модуль. Модуль имеет три вывода и конденсатор С2 находится на его плате. Появляется напряжение на выходе 7 микросхемы DA2 (Вывод Out модуля) примерно 2,5 В. Это напряжение подается на вход 2 компаратора, реализованного на операционном усилителе LM358N. На его инвертирующий вход, вывод 3 микросхемы DA3, подается опорное напряжение с резистивного регулируемого делителя R3 и R4. С помощью резистора R3 устанавливается порог срабатывания схемы по току. Это напряжение выставляется больше напряжения с выхода ACS712. Значит, при таком уровне напряжений на входах ОУ на его выходе будет присутствовать напряжение близкое к его напряжению питания. Это напряжение будет приложено к цепи светодиода оптрона U1. Вывод 1 DA3 — > вывод 1 U1 — > вывод 2 U1 — > гасящий резистор R2 — > общий провод. Светодиод оптрона засветится, что приведет к появлению открывающего для транзистора VT1 напряжения на его выходе в районе восьми вольт. Транзистор VT1 откроется и через модуль входное напряжение схемы практически полностью будет подано на ее выход.
Модули датчиков тока, реализованных на микросхеме ACS712 и предназначенные для разных токов нагрузки в 5, 20 и тридцать ампер, имеют разные коэффициенты передачи преобразования ток – напряжение. Соответствующие коэффициенты составляют 185 мВ/А, 100 мВ/А и 66 мВ/A. Для пятиамперного датчика, указанного на схеме, выходное напряжение относительно 2,5 вольта, при токе 5А увеличится на 5 х 185 = 925мВ = 0,925 В. То есть общее выходное напряжение с датчика будет примерно 2,5 + 0,925 = 3,425 В. Пишу: примерно, потому, что у разных датчиков выходное напряжение при отсутствии тока нагрузки разное и не равно точно 2,5 вольта. И так, далее, когда напряжение на выходе датчика превысит установленное опорное напряжение на входе 3 микросхемы DA3, сработает компаратор и напряжение на его выходе будет практически равно нулю. Катод диода VD1 через внутренний выходной транзистор операционного усилителя будет подключен к общему проводу и зашунтирует собой на общий провод и опорное напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Через открытый диод возникает положительная обратная связь. Возникает эффект «защелки». В таком положении компаратор может находиться сколь угодно долго. После снятия напряжения со светодиода оптрона пропадет и открывающее напряжение на затворе ключевого транзистора VT1. Транзистор закроется и обесточит нагрузку. Для восстановления работоспособности схемы необходимо снять с нее напряжение с последующей подачей.
Ключевые MOSFET транзисторы IRL2505 имеют очень маленькое сопротивление открытого канала, оно равно 0,008 Ом. Исходя из этого, при токе стока, равного десяти амперам, на кристалле транзистора выделится тепловая мощность, равная: P = I² • R = 100 • 0,008 = 0,8 Вт. Это говорит о том, что транзистор при данном токе может работать без дополнительного теплоотвода.
Но я всегда советую ставить хоть небольшой теплоотвод в виде алюминиевой пластинки. Это убережет транзистор от теплового пробоя при аварийной ситуации.
На этом все. Успехов, удачи.
Скачать “Регулируемый-электронный-предохранитель” Регулируемый-электронный-предохранитель.rar – Загружено 556 раз – 128 КБ
Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».
Просмотров:2 042
Все своими руками Электронный предохранитель на полевом транзисторе
Опубликовал admin | Дата 11 сентября, 2019Защита блока питания от КЗ на его выходе
В статье рассмотрен один из возможных вариантов схемы электронного предохранителя защищающего от последствий, как сам блок питания, так и схему от его питающуюся. В качестве коммутирующего транзистора использован полевой транзистор с Р каналом. Схема устройства показана на рисунке 1.
Работа схемы
При подаче напряжения на вход схемы начинает заряжаться конденсатор С1, это конденсатор запуска. Основной ток заряда протекает по цепи: +Uin -> R1 -> C1 -> переход база-эмиттер транзистора оптрона -> переход база-эмиттер транзистора VT2 -> общий провод. Ток заряда С1 является открывающим для обоих этих транзисторов. Как только откроется транзистор VT2, то на затвор коммутирующего транзистора VT1 через ограничивающий резистор R5 сразу будет подано открывающее отрицательное напряжение с общего провода. Транзистор VT1 откроется и на выходе схемы появится напряжение. Резистор R4 необходим для разряда емкости перехода затвор-исток MOSFET транзистора VT1. Появление напряжения на выходе схемы повлечет за собой возникновение тока по цепи: анод индикаторного светодиода HL1 -> переход сток-исток транзистора VT3, включенного в схему в качестве стабилизатора тока -> анод светодиода оптрона (вывод 1) -> катод светодиода (вывод 2) -> коллектор транзистора оптрона (вывод 3) -> эмиттер транзистора оптрона (вывод 6) -> переход база-эмиттер транзистора VT2 -> общий провод.
Если схема будет использоваться с фиксированным напряжением, то транзистор VT3 можно заменить резистором, с номиналом, обеспечивающим ток через светодиод оптрона в районе 10 мА. На такой ток надо рассчитывать и при подборке транзистора VT3. Минимальное напряжение работы схемы зависит от напряжения отсечки применяемого коммутирующего полевого транзистора. При напряжении большем двадцати вольт параллельно резистору R4 следует поставить стабилитрон на двенадцать вольт, анодом к затвору. Максимальное напряжение работы схемы также зависит от допустимых напряжений сток-исток транзисторов VT1 и VT3 и напряжения коллектор-эмиттер транзистора VT2. Данная схема испытывалась с транзистором IRF4905 при напряжении на входе 14 вольт. Она имеет большое быстродействие и в основном время отключения зависит от времени отключения оптрона. У оптрона 4N35 типовое время выключения, судя по документации, составляет 5,7 микросекунды. Смотрим ниже.
Скачать статью
Скачать “Электронный-предохранитель-на-полевом-транзисторе” Электронный-предохранитель-на-полевом-транзисторе.
rar – Загружено 369 раз – 58 КБ
Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».
Просмотров:1 038
Tool Electric: Электронный предохранитель
| Схема электронного предохранителя |
Преимущества перед плавким предохранителем очевидны — не придётся разбирать корпус аппаратуры и руками менять плавкий предохранитель, да и вообще может нужного предохранителя не оказаться под рукой. Схема электронного предохранителя работает очень просто и базируется на операционном усилителе LM358 работающим в режиме компаратора, источнике опорного напряжения на TL431 и в качестве ключа мощный полевой транзистор, он же является датчиком тока (используется сопротивление его открытого канала). Работает устройство следующим образом. При подключении питания на выходе устройства отсутствует напряжение. Так как на выходе компаратора низкий уровень напряжения, светодиод горит, на затворе полевого транзистора так же отсутствует напряжение и он заперт. При кратковременном нажатии нефиксируемой кнопки SA1 напряжение поступает на затвор транзистора отпирая его и на источник стабилизированного напряжения TL431, схема входит в рабочий режим, в нагрузке появляется напряжение, светодиод не светит. С TL431 стабильное напряжение через делитель R1R2 поступает на неинвертирующий вход компаратора, а на инвертирующий вход поступает напряжение из стока полевого транзистора. Так как в качестве датчика тока используется открытый переход сток-исток полевого транзистора, а оно составляет примерно 0,027 Ом, то при возрастании тока через него напряжение на его переходе будет расти до определённого уровня, достаточного для срабатывания компаратора.
При срабатывании компаратора затвор транзистора обесточивается, соответственно транзистор запирается и нагрузка обесточивается, загорается светодиод. Включается всё это дело повторным нажатием кнопки SA1. Ток срабатывания регулируется подстроечником R1. Понизить ток срабатывания возможно включением в разрыв цепи сток-нагрузка сопротивления с номиналом около 0,1 Ом. В схеме можно применять и другие мощные полевые транзисторы. В данном случае устройство будет работать с напряжениями от 5 до 30 Вольт с токами до 40 Ампер. Максимальное и минимальное рабочее напряжение зависит от максимального и минимального рабочего напряжения операционного усилителя (ОУ можно так же использовать другой, способный работать от однополярного источника питания) и транзистора, а коммутируемый ток будет зависеть от типа транзистора. Здесь применён полевой транзистор с низким уровнем напряжения отпирания на затворе, применение например популярного IRFZ44 или IRF3205 повысит минимальное напряжение питания устройства до 8-10 Вольт.
Каталог радиолюбительских схем. Электронный предохранитель.
Каталог радиолюбительских схем. Электронный предохранитель.Электронный предохранитель
Здравствуйте, Евгений.
Высылаю описание и схемы на «Предохранитель».
Первая схема на обычных деталях, а вторая — попытка изготовить самопальную «микросхему». Все пассивные детали и транзисторная сборка – для поверхностного монтажа.
Полевой транзистор обтачивался по минимуму размера, а диоды КД226Д «разбирались», с целью извлечь кристалл… Вся схема паялась на медном фланце от негодного транзистора КТ819 в металлическом корпусе, и заливалась герметиком.
С уважением, Всеволод.
При ремонте импульсных блоков питания, для их защиты приходится ограничивать ток источника. В качестве ограничителя, обычно, используют либо лампу накаливания, либо резистор.
Существуют, так же, схемы на транзисторах. Предлагаемая схема является ещё одним подобным устройством.
От аналогичных устройств она отличается способностью работать при высоких напряжениях питания и способом включения. Схема является двухполюсником, а её мощностные характеристики определяются только типом используемого полевого транзистора.
Рис. 1.
Основа схемы (рис. 1)– источник тока, собранный на элементах VT2, VT3, R3, R4.
Резистор R3 обеспечивает открывание полевого транзистора VT3. Резистор R4 – токозадающий. Когда падение напряжения на нём превысит 0.55В откроется транзистор VT2 и зашунтирует затвор полевого транзистора, заставляя последний закрыться. Уровень ограничения тока можно вычислить по формуле: I=0,55/R4. При указанном на схеме значении сопротивления резистора R4 (0,39Ом), ток будет ограничен значением, примерно, I=0.55/0.39=1.41А. То есть, при указанных значениях схема будет обеспечивать ток в нагрузке, примерно, до 1,41А на нагрузке постоянного тока и до 1А (действующее значение) в нагрузке переменного тока. При перегрузках или коротком замыкании схема ограничит ток уровнем, примерно, 1.41А.
Схема источника тока особенностей не имеет, но применение, в качестве силового регулирующего элемента, полевого транзистора, позволило увеличить сопротивление резистора R3 до 1МОм. Это уменьшило ток управления и увеличило внутреннее сопротивление источника тока. В результате, ток управления не превышает 0.4мА, соответственно, потери мощности на резисторе R3 не превышают 0.16Вт при максимальном (для транзистора VT3) значении напряжения питания 400В. А высокое внутреннее динамическое сопротивление обеспечило высокий коэффициент стабилизации тока простыми средствами. Так как полевой транзистор имеет, практически, неограниченный коэффициент усиления по постоянному току, то ни что не мешает ещё больше увеличить сопротивление резистора R3, уменьшив тем самым потери мощности в цепи управления и увеличив внутреннее сопротивление источника тока (коэффициент стабилизации тока).
У такого стабилизатора тока на полевом транзисторе есть существенный недостаток – повышенное падение напряжения на открытом транзисторе.
Это вызвано высоким пороговым напряжением открывания полевого транзистора. Обычно, оно лежит в пределах 2-4В. К этому напряжению добавляется падение на токозадающем резисторе – 0.5В. В результате, при токах, ниже уровня ограничения, на схеме источника тока падает, примерно, до 6В. При постоянном токе 1А на транзисторе будет выделяться мощность до 6Вт, что потребует применения радиатора. Но, так как этот предохранитель включается кратковременно на время проверки или настройки защищаемого устройства, то с этим недостатком можно мириться.
При значительном снижении сопротивления нагрузки (например, при коротком замыкании в цепях ремонтируемого устройства), ток через неё будет ограничен заданным безопасным уровнем, а напряжение будет значительно меньше напряжения питания. В результате, падение напряжения на транзисторе VT3 увеличится. Увеличится, соответственно, и выделяемая на нём мощность. В пределе (при коротком замыкании в нагрузке) более 300Вт, что не допустимо. Поэтому, в схему был добавлен ещё один узел на элементах VT1, VD1, R1, R2, C1, превращающий источник тока в предохранитель.
Уровень срабатывания определяется делителем R1, R2 и напряжением стабилизации стабилитрона VD1 равным, примерно, 25В. Стабилитрон VD1 обеспечивает ключевой режим включения транзистора VT3, а конденсатор С1 — задержку времени срабатывания, делая схему нечувствительной к помехам и броскам тока при включении питания или помехах со стороны запитываемого устройства (ИБП). От ёмкости конденсатора зависит время срабатывания “предохранителя”.
Указанная на схеме ёмкость выбрана из условия минимальной задержки, но в то же время, нечувствительности к помехам. Без конденсатора С1, “предохранитель” не включается при подаче питания, или срабатывает самопроизвольно. При ёмкости 0,047мкФ время задержки срабатывания составляет, примерно, 2мс.
Это, именно, время задержки срабатывания, а само срабатывание – закрывание транзистора VT3 происходит лавинообразно (за счёт положительной обратной связи через транзистор VT1), и зависит, в основном, от временных характеристик полевого транзистора.
Пока напряжение на схеме не превышает 25В, она работает как источник тока, в противном случае, транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор полевого транзистора. В результате, тот закрывается и нагрузка обесточивается. Теперь, ток нагрузки ограничивается только резисторами R1, R3 и током утечки VT3 и в худшем случае не превышает 1мА. В таком состоянии схема может находиться, сколь угодно, долго.
При этом на самой схеме будет рассеиваться мощность не более 0.4Вт – примерно, по 0.16Вт на резисторах R1 и R3, и не боле 0.1Вт на транзисторе VT3. Это при напряжении питания 400В, реально же, при напряжении питания 220В переменного тока (или 310В постоянного), потери мощности будут значительно меньше.
Величина напряжения 25В, при которой срабатывает “предохранитель”, выбрана из следующих соображений.
Если ток нагрузки не превышает установленного значения, падение напряжение на “предохранителе” может меняться от 4.5В при малых токах до 6В при больших. При уменьшении сопротивления нагрузки, ток не может увеличиться свыше заданного значения, по этому, напряжение на нагрузке начнёт уменьшаться. Думаю, снижение напряжения на 25В по сравнению с рабочим, однозначно указывает на перегрузку. В то же время, обеспечивается запас по падению напряжения при переходных режимах в нагрузке.
При этом на самом “предохранителе” напряжение будет увеличиваться. Соответственно, будет расти и рассеиваемая на нём мощность, а величина 25В позволит выбрать относительно небольшой радиатор. К тому же, при питании нагрузок от сети, за счёт ёмкости монтажа, инерционности схемы и её высокого внутреннего сопротивления, напряжение на ней оказывается более 10В, даже при переходе синусоиды через ноль. В результате, схема ведёт себя как предохранитель, даже без конденсатора C2. По этому, выбор порога, величиной 25В, обеспечивает автоматическое восстановление “предохранителя” после устранения короткого замыкания или перегрузки в нагрузке.
Элементы R5, C2, VD3-VD6 нужны только при работе предохранителя в цепи переменного тока.
Диоды обеспечивают требуемую полярность напряжения на схеме. Конденсатор С2 – сервисный. Если требуется, что бы после срабатывания, схема сама возвращалась в состояние стабилизации тока, то конденсатор и резистор не нужны. Если же они установлены, то после срабатывания, схема останется выключенной, даже после устранения короткого замыкания (полная имитация предохранителя). Это происходит потому, что после срабатывания схемы, напряжение на конденсаторе остаётся выше уровня срабатывания, что поддерживает транзисторы VT1 в открытом, а VT3 в закрытом состоянии. В этом случае, для восстановления схемы потребуется выключить питание полностью, а затем, снова включить. Постоянная времени цепи разрядки конденсатора С2 равна, примерно, 5-10мс, так что ждать пока он разрядится нет необходимости.
Резистор R5 ограничивает ток нагрузки при включении питания. Так как транзистор VT3 не сразу открывается при подаче питания, то ток нагрузки будет скачком увеличен током зарядки конденсатора С2, а с резистором R5, этого не случится. При этом так же, уменьшаются коммутационные помехи. Величина резистора R5 некритична, и на работу схемы, практически, не влияет. В принципе, его можно не устанавливать вообще. При этом при включении питания, на нагрузке появится короткий импульс полного напряжения питания, после чего оно снизится до величины, определяемой сопротивлением нагрузки и током ограничения “предохранителя”.
Величину резистора R5 можно вычислить по формуле R5=Uп/Iогр, где Uп – напряжение питания, а Iогр – ток ограничения “предохранителя”. В этом случае, на нагрузке не будет ни каких перепадов напряжения.
Стабилитрон VD2 защищает затвор транзистора VT3 от пробоя. Он необходим, несмотря на то, что при анализе работы схемы напряжение на затворе, вроде бы, не увеличивается свыше 5В. При первых экспериментах транзистор VT3 вдруг пробивался (затвор-исток), хотя и не всегда. И происходило это, как бы, случайно и, вроде бы, без причины, но если происходило, то только после срабатывания “предохранителя”.
Дело в том, что сопротивление в цепи затвора транзистора VT3 довольно высокое — R3 на 1МОм, а транзисторы VT1 и VT2 работают в режиме микротоков. Входная ёмкость транзистора VT3 1400пФ, а проходная — 120пФ. Получается ёмкостный делитель с коэффициентом деления, примерно, 1400/120=12. При резком выключении транзистора VT3, когда амплитуда напряжения сети максимальна (например, 300В), на затворе появляется импульс напряжения величиной 300/12=25В. Так как максимальное напряжение затвора транзистора 20В, то затвор пробивается.
Рис. 2.
Существует второй вариант схемы “предохранителя” (рис. 2), в которой транзисторы VT1 и VT2, а так же стабилитроны VD1 и VD2 заменены транзисторами сборки 1НТ251 (рис. 3).
Рис. 3.
В качестве стабилитронов использованы обратно включенные базово-эмиттерные переходы транзисторов. Напряжение стабилизации такого стабилитрона оказывается на уровне, примерно, 7В. Для защиты затвора транзистора VT3 это не существенно, но меняется режим предохранителя. В результате, при одинаковых остальных элементах схемы, пороговое напряжение срабатывания снижается до 10В.
Есть и ещё одно отличие. Дело в том, что по сравнению с обычным стабилитроном, у транзисторного стабилитрона отсутствует порог, и он входит в режим стабилизации при более низких значениях тока. В результате, у схемы появляется гистерезис – “предохранитель” срабатывает при одном напряжении, а восстанавливается при другом, более низком. С обычным стабилитроном “предохранитель” срабатывает и восстанавливается при одном и том же значении порогового напряжения.
При необходимости, устранить гистерезис можно установкой последовательно с транзисторным стабилитроном обычного диода в прямом включении (указан на схеме пунктиром). Но из-за низкого порогового напряжения (10В) “предохранитель” теряет свойство самовосстанавливаться.
Однако это всё не существенно для “предохранителя”, встроенного в конкретное устройство, и работающего в нём в качестве стандартного предохранителя, для чего, собственно, и был придуман второй вариант схемы.
Настройка “предохранителя” заключается в установке тока ограничения и напряжения срабатывания.
Так как это предохранитель, то нет необходимости точно устанавливать значение тока ограничения. Например, при максимальном токе нагрузки 1А, ток ограничения можно выбрать на уровне 1.5А. По этому, ток ограничения можно, просто, рассчитать по приведенной выше формуле для расчёта резистора R4, а полученное значение округлить до ближайшего типового значения. Из-за разброса параметров деталей, реальное значение тока ограничения может сильно отличаться, но в данном случае не важно, будет оно на уровне 1.3А, или 1.6А. Если же потребуется более точная установка тока на уровне, именно, 1.5А, то придётся подбирать резистор R4, изготовив его самостоятельно.
Напряжение срабатывания (выключения) зависит от номиналов делителя R1, R2, VD1. Опять же, можно, просто, впаять детали с указанными номиналами, и проверить, при каком реальном напряжении произойдёт выключение. При настройке какого то конкретного значения, сначала резистором R2 нужно добиться срабатывания схемы при напряжении выше 6В с закороченным стабилитроном VD1, а затем, устанавливая различные стабилитроны, добиться требуемого значения напряжения срабатывания.
При выборе этого значения следует иметь в виду, что при низком значении “предохранитель” не будет сам восстанавливаться, а при высоком, на транзисторе VT3 будет рассеиваться большая мощность.
Детали.
От транзистора VT3 зависит максимальный ток ограничения и допустимое напряжение питания.
Ток ограничения и напряжение срабатывания схемы следует выбирать так, что бы их произведение ни превышало значения допустимой мощности рассеяния транзистора VT3.
Например, для данного случая, при токе 1.4А и напряжении выключения 25В, транзистор VT3 должен выдерживать мощность 1,4*25=35Вт (указанный на схеме транзистор выдерживает до 100Вт). Это максимально возможная мощность (обычно, она меньше), когда схема ограничивает ток на заданном уровне, сопротивление нагрузки пониженное, а напряжение ещё не достигло установленного порогового значения.
По этому, транзистор VT3 открыт, и на нём рассеивается указанная мощность. Если такой режим возможен в течение длительного времени, то радиатор для транзистора VT3 следует рассчитывать, именно, на эту мощность. Минимальная площадь радиатора рассчитывается из условия работы схемы на номинальную нагрузку при токе, равном току ограничения. При этом падение напряжение на схеме (и транзисторе VT3) не превышает 6В, значит, рассеиваемая мощность будет равна 1,4*6=8,4Вт.
В качестве транзисторов VT1 и VT2 могут быть применены любые транзисторы соответствующей проводимости. Они работают при напряжении не выше 5В и токе не более 0.5мА. Коэффициент усиления транзисторов влияет на напряжение выключения (для VT1) и коэффициент стабилизации тока (для VT2).
Для защиты затвора транзистора VT3 подойдёт любой стабилитрон с напряжением стабилизации не менее 5В и не более 18В.
Выпрямительные диоды VD3-VD6 следует выбирать в соответствии с выбранным током ограничения схемы и напряжением питания. Если диоды выбрать импульсные высокочастотные, например, КД226В(Г, Д) или аналогичные, то “предохранитель” можно будет ставить в цепь первичной обмотки выходного трансформатора ИБП, те есть, в высокочастотные цепи.
Если схема будет использоваться только для работы в цепи постоянного тока, то эти диоды и детали R5, С2 можно исключить.
Схема. Электронный предохранитель — Сайт радиолюбителей и радиомастеров. Схемы и сервис мануалы.
Эффективное средство защиты от перегрузки по току источников питания, например аккумуляторов, а также нагрузки — электронные предохранители. В большинстве случаев они должны удовлетворять следующим требованиям: простота, экономичность, малые потери и габариты. Для реализации этих параметров подходящие коммутирующие элементы — мощные полевые переключательные транзисторы [1].
Схема устройства на основе такого транзистора показана на рис.
1. Предохранитель включают между источником питания (выключателем) и нагрузкой. Устройство работоспособно при напряжении от 5 до 20 В и токе нагрузки до 40 А. Полевой транзистор Л»1 выполняет одновременно функции электронного ключа и датчика тока, микросхема ОУ DA1.1 — компаратора напряжения. На микросхеме DA2 собран источник образцового напряжения 2,5 В.
Для запуска устройства служит кнопка SB1, при кратковременном замыкании которой напряжение питания через диод VD2 и резистор R4 поступит на затвор транзистора, вследствие чего он откроется и подключит нагрузку к источнику питания. Выходное напряжение ОУ зависит от соотношения напряжений на его входах. Если ток нагрузки меньше тока срабатывания предохранителя, напряжение на неинвертирующем входе будет больше, чем на инвертирующем, поэтому на выходе ОУ будет напряжение, меньшее напряжения питания примерно на 1,5 В. Транзистор VT1 останется открытым, на неинвертирующем входе ОУ будет стабильное напряжение с резистивного делителя R2R1.
Особенность электронного предохранителя, как уже отмечено выше, — использование сопротивления канала полевого транзистора в качестве датчика тока, что отличает его от аналогичного устройства, описанного в [2]. Основные параметры примененного транзистора: сопротивление канала — 0,027 Ом, максимальный ток стока — 41 А, предельное напряжение сток-исток — 55 В, а максимальная рассеиваемая мощность — 110 Вт. Сопротивление канала открытого транзистора зависит от напряжения на его выводах и температуры корпуса, при напряжении питания более 5…6 В оно изменяется в пределах 20…30 %, что вполне допустимо для таких устройств.
С увеличением потребляемого тока будет расти напряжение и на транзисторе VT1. Когда оно превысит напряжение на резисторе R1, на выходе ОУ напряжение станет уменьшаться, транзистор будет закрываться, а напряжение на нем расти, что приведет к дальнейшему снижению напряжения на выходе ОУ и закрыванию транзистора. Следовательно, когда ток нагрузки достигает определенного значения, устройство скачком закрывает транзистор и обесточивает нагрузку. Светодиод HL1 сигнализирует о том, что устройство выключено. Ток, потребляемый предохранителем в этом состоянии (без учета тока через светодиод), равен несколько миллиампер. Для включения нагрузки необходимо снова кратковременно нажать на кнопку SB 1.
Ток срабатывания предохранителя устанавливают подстроечным резистором R1. Если напряжение питания стабильно, микросхему DA2 и резистор R3 можно исключить, заменив последний проволочной перемычкой. Для устойчивого отключения нагрузки при малом токе срабатывания (менее 1…1.5А) следует увеличить сопротивление датчика тока, включив резистор сопротивлением около 0,1 Ом в цепь стока транзистора VT1 (в разрыв цепи в точке А на рис. 1).
В устройстве можно применить любой ОУ (DA1), работоспособный при нулевом напряжении на обоих входах в условиях однополярного питания. В частности, подойдут отечественные аналоги микросхемы LM358 — КР1040УД1А, К1464УД1Р в корпусе DIP-8 и К1464УД1Т в корпусе SO-8. DA2 — любая микросхема из серии TL431. Транзистор VT1 может быть любым п-канальным из списка, указанного в [1], предпочтительнее выделенный желтым цветом (в этом случае минимальное напряжение питания устройства примерно равно 5 В, иначе оно возрастет до 7 В). Подстроечный резистор — СПЗ-19а, СПЗ-28 или аналогичные импортные. Постоянные резисторы — МЛТ, С2-33, Р1-4, Р1-12. Конденсатор С1 — К10-17В. Кнопка SB1 — любая малогабаритная с самовозвратом. Детали для поверхностного монтажа: DA1 — LM358AM, DA2 — TL431CD (рис. 2), резисторы Р1-12 размещены на печатной плате (рис. 3) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.
Налаживание устройства сводится к установке тока срабатывания подстроечным резистором R1. Интервал изменения этого тока можно установить подбором сопротивления резистора R2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. — Радио, 2001, № 5, с. 45.
2. Нечаев и. Электронный предохранитель. — Радио, 2004, № 3, с. 37.
И. НЕЧАЕВ, г.
Курск
«Радио» №6 2005г.
Похожие статьи:
Электронный регистратор событий
Электронный ‘рубильник’
Электронный уровнемер
Электронный выключатель
Post Views: 2 254
Зачем нужен предохранитель? Часть 1 Часто задаваемые вопросы
Электронный предохранитель — мощный и универсальный инструмент в наборе разработчика, но его создание требует тщательного выбора основного усилителя; Варианты ИС решают проблему.
Традиционный плавкий предохранитель , рис. 1 , представляет собой недорогой, широко используемый, хорошо понятный, высоконадежный и простой в применении компонент защиты цепей. Он доступен в широком диапазоне номиналов, размеров, упаковок и других факторов.Однако проектировщики всегда ищут новые способы достижения целей проектирования — в данном случае защиту от сверхтоков — особенно если новый способ добавляет дополнительные возможности или гибкость. В этом разделе часто задаваемых вопросов будет рассмотрен электронный предохранитель (обычно называемый электронным предохранителем или efuse) и характеристики усилителя с измерением тока (CSA), которые необходимы для его реализации.
Рис.1: Хорошо известный плавкий предохранитель I, доступный в огромном количестве физических размеров и типов корпусов, в зависимости от номинальных значений тока и требований к применению (Источник изображения: ElectricalTechnology.org)В: Расскажите мне, каковы основные принципы работы с традиционными предохранителями с тепловым предохранителем?
A: Просто посмотрите предыдущие FAQS: (см. Ссылки 1 и 2 ниже ) .
В: Похоже, предохранители хорошо изучены, полностью приняты и могут выполнять свою работу; Итак, почему здесь есть какие-то проблемы?
A: Стандартный предохранитель имеет много достоинств, но три из них также могут рассматриваться как ограничения: он негибкий; он реагирует относительно медленно по сравнению с быстродействием и отказоустойчивостью современных схем; и он должен быть физически заменен, когда он активируется и размыкает цепь, которую он защищает.
Кроме того, точность таких предохранителей при малых номинальных токах (в зоне 100 мА) не так высока, как хотелось бы большинству разработчиков. Электронные предохранители теперь используются в автомобилях, картах с возможностью горячей замены и многих плотно упакованных, чувствительных электрических устройствах.
В: Какая альтернатива?
A: Альтернативой является полностью электронный предохранитель, который не зависит от теплового нагрева и последующего обрыва цепи встроенного элемента.
В: Что нужно для изготовления предохранителя?
A: Требуется несколько аналоговых компонентов: прецизионный резистор для измерения тока (см. Ссылка 3 ; усилитель с точными масштабирующими резисторами для захвата и увеличения напряжения на этом резисторе; схема компаратора для «переключения» при заданной значение и полевой транзистор, чтобы разрешить / прервать путь прохождения тока в контролируемой линии, Рисунок 2 .Обратите внимание, что электронный предохранитель имеет много общего с контроллером горячей замены и переключателем нагрузки, см. Ссылки 4 и 5 .
Рис. 2: Напряжение на измерительном резисторе на переднем конце электронного предохранителя измеряется дифференциальным усилителем, которому не нужно связывать ни один из его входов с землей. (Источник изображения: Analog Devices)В: Как работает предохранитель?
A: контролируемый ток проходит через резистор датчика, а напряжение на этом резисторе измеряется и масштабируется усилителем.Поскольку величина резистора известна, можно легко использовать аналоговую схему для установки порога тока, проходящего через нее, используя основной закон Ома: I = V / R, Рисунок 2 .
Если порог превышен, компаратор, который управляет полевым транзистором, отключает полевой транзистор, так что ток прерывается, Рисунок 3 . Время срабатывания составляет порядка микросекунд, что намного быстрее, чем у плавкого предохранителя, время срабатывания которого составляет десятки и сотни миллисекунд.
Кроме того, поскольку отклик не зависит от тепловых постоянных времени, массы элемента и подобных соображений, тонкости секции плавкого предохранителя больше не являются проблемой.
В: Какие соображения по поводу электронных предохранителей?
A: Во-первых, резистор и схема масштабирования должны быть точными и иметь минимальный температурный дрейф. Обратите внимание, что как изменение температуры окружающей среды, так и неизбежный самонагрев резистора могут вызвать значительные ошибки.Кроме того, размер включения / выключения полевого транзистора должен соответствовать ситуации и может потребоваться собственный драйвер затвора, в зависимости от его номинального тока и напряжения.
Во-вторых, цепь, которая «отключается» от перегрузки по току, должна быть правильно спроектирована так, чтобы не было ложных срабатываний или отрицательных сигналов; обычно добавляется некоторый гистерезис для предотвращения дребезга. И, наконец, индикация перегрузки по току может быть через один базовый аналог, или разработчик может решить проявить «фантазию» и использовать АЦП и процессор, чтобы решить, превышен ли текущий порог, или использовать потенциометр с цифровым управлением, чтобы позволить порогу компаратора подняться. быть отрегулированным.
Однако такая сложность снижает простоту и надежность схемы. Поэтому очень важно понимать, предназначена ли максимальная токовая защита только для «улучшения» характеристик схемы и адаптивного поведения, или для критически важных функций, связанных с безопасностью, для защиты других компонентов, источника питания или даже пользователя.
Часть 2 этого FAQ будет посвящена некоторым аспектам CSA, а также электронному предохранителю в форме IC, что избавит от необходимости разрабатывать и создавать свои собственные.
Список литературы
- EEWorld Online, Предохранители для защиты электропитания, часть 1
- EEWorld Online, Предохранители для защиты электропитания, часть 2
- EEWorld Online, Параметры измерения тока, часть 1
- EEWorld Online, Реле нагрузки, Часть 1: Основная роль и принцип
- EEWorld Online, Реле нагрузки, Часть 2: Реализации и преимущества ИС
- EEWorld Online, Программируемый электронный предохранитель, выдерживающий 4 А в диапазоне от 8 до 48 В.
- EEWorld Online, Безопасные предохранители
- Analog Devices, LTC1153 Электронный автоматический выключатель с автосбросом, техническое описание
- ST Microelectronics, STEF01 Универсальный электронный предохранитель от 8 до 48 В, техническое описание
- Texas Instruments, PS25925x, TPS25926x Простые переключатели с предохранителями 5 В / 12 В
E-предохранитель с использованием Mosfet — Обмен электротехнического стека
Необычно видеть предохранитель (или eFuse) на стороне заземления, но это зависит от того, что конкретно ваше приложение, и от того, положительное оно или отрицательное заземление.Здесь это имеет смысл только потому, что ток, используемый схемой, не является частью нагрузки, поэтому я предполагаю, что это то, чего вы хотели бы достичь.
Схема, которую вы показали, НЕ работает как eFuse (отключение питания после достижения порогового значения). Он просто достигает точки, в которой полевой транзистор переводится из включенного состояния в линейную область, где напряжение на нагрузке будет падать для поддержания порогового тока.
Что-то вроде схемы, показанной ниже, может сработать для вас.
Для получения положительной обратной связи при достижении порогового значения требуется нечто большее, чем просто измерение тока.Вам нужна какая-то форма фиксации в выключенном состоянии (для имитации предохранителя).
В схеме ниже SCR используется для включения и выключения переключателя M1 FET.
Нажатие SW1 включает M1.
Нажатие SW2 выключает M1.
Избыточный ток отключает M1.
Если ток через R1 заставляет Q1 проводить, анод SCR понижается, и в конечном итоге он перестает проводить, когда достигает своего удерживающего тока. M1 отключается как из-за выключения SCR, так и из-за падения напряжения на затворе из-за работы Q1.
Это странный аспект этой схемы, но, возможно, это то, чего вы хотите достичь. Несмотря на то, что существует достаточно хорошо определенная точка срабатывания при перегрузке по току, схема не допускает токов, намного превышающих заданное значение (M1 выходит из состояния ВКЛ в линейную область). Таким образом, вы можете увидеть триггер перегрузки по току, скажем, 17 А, но ток будет ограничен, возможно, 18-20 А.
Это может иметь значение, чтобы предотвратить появление синего дыма или акустических шумов во внешней цепи.
смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab
Вы, конечно, можете перевернуть это и использовать полевой транзистор с каналом P для работы на стороне высокого напряжения.Я оставляю это вам в качестве упражнения.
Импульсный источник питания— почему nMOSFET продолжает взорваться?
Чтобы быть абсолютно уверенным, что полевой транзистор не должен проводить ток, вы должны замкнуть затвор полевого транзистора на «источник». Если оставить его плавающим, бог знает, что может случиться — это высокоимпедансный вход.
Если ваш полевой транзистор действительно SPP20N60, он должен быть N-полевым транзистором, и в этом случае он должен работать в вашей схеме. Если вы по ошибке вставили P-FET, вы знаете, что произойдет.
Есть ли вероятность, что ваши полевые транзисторы поддельные?
Проверяли ли вы как-нибудь работу полевого транзистора в «безопасных условиях»? То есть, небольшой Vds и использование резистора или лампочки для ограничения тока (или лабораторный блок питания с постоянным ограничением тока) и подача напряжения на затвор .
.. Вы можете даже попробовать испытание на пробой, если закоротите затвор на «исток» и использовать в «стоке» резистор высокого номинала против полного напряжения шины …
С подключенным к затвору ШИМ-контроллером: действительно ли в схеме присутствует ваш диод D3? (Вы проверили его прямое напряжение? Нет ли холодных стыков?) Включен ли C3 в цепь? Если вы оставите выход контроллера ШИМ отсоединенным от затвора (и закорочите затвор полевого транзистора или отключите полевой транзистор из схемы), генерирует ли ШИМ выходные импульсы? Вы же не хотите, чтобы полевой транзистор постоянно проводил 🙂
Действительно ли L1 — это та ценность, которую вы думаете?
SPP20N60 имеет номинальное напряжение 600 В.Какое напряжение на шине в вашей цепи PFC? Около 400 В? Как правило, в силовой электронике для сети 230 В я привык видеть симисторы на 800 В или другие кремниевые переключатели — и именно здесь топология PFC на 400 В НЕ задействована. Если вы работаете с приложением PFC на 400 В, попробуйте использовать полевой транзистор с еще более высоким номиналом, скажем, 1000–1200 В, чтобы оставаться в безопасности — по крайней мере, в качестве эксперимента, пока вы отлаживаете свою проблему. Изменение модели полевого МОП-транзистора может помочь вам избежать поддельной или плохой партии, а модели кремниевых переключателей с более высоким напряжением (в семействе аналогичных братьев и сестер), как правило, имеют немного более высокую «устойчивую тепловую энергию перед разрушительным расплавлением», что может также быть фактором в вашем прототипе по той или иной причине 🙂
Низкое значение регулируемый электронный предохранитель с ручным сбросом
Прокомментируйте любой из них, если более подробная информация указана заранее:
Достаточно просто электронно, и я бы порекомендовал электронное решение, но реле с как минимум 1 переключающим контактом или 1 замыкающим и 1 размыкающим контактами сделает это.Реле рассчитано на наименьшее значение тока, которое вы хотите. Установите параллельно электролизер подходящего номинала, чтобы снизить его чувствительность путем шунтирования части тока.
Размыкающий контакт реле отключает питание. Замыкающий контакт реле сам фиксируется.
Electronic: ограничитель тока с обратной связью сделает то, что вы хотите. Когда ток превышает точку срабатывания, цепь добавляет сопротивление до тех пор, пока не будет достигнуто меньшее значение. Это может быть защелкивание.
Пример отсюда — внизу страницы.Описание схемы дано на этой странице.
Замерял и рассчитывал производительность (со своего сайта).
Схема, которая полностью отключается при превышении установленного тока, также «достаточно проста».
например, размещение диода последовательно с R4 в приведенной выше схеме так, чтобы диод проводил при низком уровне на выходе LM317, и понижение значения R4 примерно до нескольких сотен Ом, вероятно, приведет к полной фиксации схемы. Может тогда начаться плохо — возможно, потребуется немного подумать, чтобы привести в порядок результат.
Вот схема электронного предохранителя, использующая реле в качестве выходного переключателя и триггер для фиксации сработавшего состояния. Реле можно заменить полевым МОП-транзистором, а защелку можно заменить гистерезисной обратной связью.
Я нарисовал схему до того, как увидел выше, которая делает то же самое, но снимает защелку и использует полевой МОП-транзистор. Он использует операционные усилители 1 х сечение, 1 х МОП-транзистор, 1 опорное напряжение (или стабилитроны с меньшей точностью), 5 или 6 резисторов, диодов и горшок, чтобы установить уровень отключения.Выключение происходит полностью и мгновенно при превышении Itrip, и он выключается. Задержка срабатывания может быть добавлена с помощью одного конденсатора, и работа может быть переключена на ограничение постоянного тока путем размыкания диодной цепи. Могу нарисовать (немного) аккуратнее и при необходимости опубликовать.
Вот их схема.
3-х транзисторный ограничитель тока обратной связи:
Второй контур на странице здесь.
Это тоже можно заставить защелкнуться.
Вот несколько идей для начинающих. Gargoyle «Схема ограничения тока с обратной связью» поиск изображений
Горгулья «Схема электронного предохранителя» поиск изображений
Достаточно просто использовать источник постоянного тока — чтобы ток не превышал некоторый предварительно установленный предел.
% PDF-1.3 % 1 0 объект > поток конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > / Родительский 3 0 R / Содержание [32 0 R] / Тип / Страница / Ресурсы> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Шрифт >>> / MediaBox [0 0 595.27563 841.88977] / BleedBox [0 0 595.27563 841.88977] / Аннотации [36 0 R 37 0 R 38 0 R] >> эндобдж 32 0 объект > поток x} K, 7> E85 |?
Полупроводниковые переключатели для электронных предохранителей — Safe is secure
Предохранители защищают компоненты в электрических цепях. В случае перегрузки или короткого замыкания предохранитель срабатывает и размыкает цепь. Это предотвращает повреждение и снижает стоимость ремонта. В идеале характеристика отключения проектируется таким образом, чтобы ток отключался до того, как будут повреждены другие компоненты, такие как кабели, полупроводники или пассивные компоненты в цепи.
Следовательно, предохранитель правильного размера является самым слабым звеном в цепи. Тепловые характеристики защищаемого объекта имеют решающее значение; например, электрический кабель, жгут проводов или полупроводниковый переключатель в подключенном блоке управления.
Вместо предохранителей или механических контактов с электромагнитным срабатыванием электронные предохранители содержат полупроводниковые переключатели вместе с их логикой управления, включая функции защиты и диагностики.
Характеристики предохранителей
Предохранители — одноразовые.Они проводят, защищают и разделяют в обоих направлениях тока. Эта двунаправленность является преимуществом в цепях с нагрузками, которые — в зависимости от рабочего состояния — приводятся в действие двигателем или генератором. Сюда входят, например, тяговые инверторы, которые также могут тормозить рекуперативно (рекуперативно).
С другой стороны, электронные предохранители могут срабатывать и сбрасываться любое количество раз. Из-за внутреннего диода конструкции с одним МОП-транзистором в качестве переключателя отключаются только в одном направлении тока.Таким образом, для двунаправленного отключения необходимо переключить два антипоследовательных МОП-транзистора, что означает более высокую стоимость. В отличие от предохранителей, электронные эквиваленты имеют собственные требования к мощности. Это необходимо учитывать, в частности, для устройств с батарейным питанием.
Режим отключения
Обычные предохранители характеризуются номинальным током и режимом срабатывания (медленный, маневренный, сверхбыстрый и т. Д.). В случае электронных предохранителей можно установить гибкие критерии отключения.Сюда входят:
- Pt spec (максимальная интегральная нагрузка или интеграл плавления),
- перегрузка по току,
- перегрузка или понижение напряжения на входе предохранителя,
- перегрузка (мощность) и
- перегрузка по току. температура — окружающая или в предохранителе.
Изготовитель предохранителя также может настроить срабатывание электронного предохранителя. Так, например, можно сначала ограничить ток, а затем отключить, или сразу же отключить и дождаться сброса.
Поскольку электронный предохранитель уже содержит переключатель, он также может использоваться для этой функции.Таким образом, любой дополнительный переключатель является излишним, и другие функции, такие как плавный пуск, могут выполняться путем управления переключателем с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Поведение при включении
Предохранители обычно предназначены для одноразового использования. После того, как они выполнили свою функцию, они непригодны для использования и подлежат замене.
С электронным предохранителем плавный пуск может быть выполнен с использованием настраиваемой крутизны кромки на полупроводниковом переключателе или путем управления им с помощью ШИМ. После срабатывания он может снова включаться автоматически и циклически с заранее определенным числом повторных попыток сброса.В качестве альтернативы возможен сброс только по запросу. Здесь выгодно подключение к сети.
В частности, в системах, которые должны соответствовать уровню полноты безопасности (ASIL), важной характеристикой продукта является возможность диагностики. Электронные предохранители также имеют преимущества, поскольку можно напрямую интегрировать диагностику. Более того, измерение постоянного тока может создавать и анализировать профиль нагрузки. Результат может быть использован как раннее предупреждение, а также как средство для принятия превентивных мер, таких как профилактическое обслуживание и замена изношенных деталей.
Прочие характеристики электронных предохранителей
В случае перегрузки электронный предохранитель получает высокие оценки с дополнительными функциями:
- В случае короткого замыкания срабатывание происходит быстрее, что означает падение напряжения на остальной части бортовой системы питания длится более короткое время. Это важно для установленных там электронных схем, которым после продолжительного падения мощности и последующего включения потребуются сброс и перезагрузка, прежде чем они снова заработают.Для критически важных вспомогательных систем, которые могут выйти из строя в случае перезагрузки во время поездки, это может быть чрезвычайно опасно — ключевая фраза — «безопасное электропитание».
- Электронный предохранитель может быть сконструирован таким образом, чтобы ток ограничивался определенным максимумом, прежде чем он отключится. Даже в случае короткого замыкания напряжение бортовой сети не падает настолько сильно, что другие блоки управления переходят в сброс. Кроме того, ограничивается заряд энергии индуктивности рассеяния. Это снижает скачки напряжения при возникновении колебаний.
- При отсутствии искрового разрядника искрение при включении / отключении отсутствует. Это делает электронный предохранитель более подходящим для использования во взрывозащищенных областях.
Примеры продукции
В таблице показан выбор полупроводников для использования в электронных предохранителях. Некоторые компоненты были разработаны для очень специфических приложений, например, интеллектуальный высокотехнологичный драйвер по-прежнему требует дополнительной логики, прежде чем его можно будет использовать в качестве предохранителя на практике. STEF01 от STMicroelectronics везде хорошо известен.Его максимальный ток (OC), повышенное напряжение (OV), пониженное напряжение (UVLO) и скорость нарастания настраиваются с помощью внешнего пассивного компонента (полностью программируемого). Для реализации схемы блокировки обратного тока может быть установлен внешний полевой транзистор.
A Интеллектуальный твердотельный предохранитель отверждает Boost-Conv
Большинство асинхронных повышающих преобразователей на основе индуктивности (повышающие типы переключения) имеют путь постоянного тока между источником питания и нагрузкой (, рис. 1, ). Этот путь может иметь два нежелательных последствия: во-первых, если заземленный выход или другая перегрузка потребляет большой выходной ток в течение более нескольких сотен миллисекунд, улавливающий диод (обычно типа Шоттки) может источать знакомый смешанный аромат расплавленного кремния и заливочного компаунда. всем истинным хакерам.Во-вторых, если действие переключения отключено по какой-либо причине, например, преднамеренное отключение, напряжение нагрузки остается лишь на один диод ниже напряжения питания. Результатом может быть неопределенное поведение схемы, если это остаточное напряжение выходит за пределы ожидаемого установившегося рабочего диапазона цепи нагрузки.
Рис. 1. Проблема прямого пути прохождения тока от источника к нагрузке является неотъемлемой частью топологии повышающего преобразователя.
Обе проблемы аккуратно решены для приложений с относительно низким выходным током (<5A), в которых используются монолитные контроллеры режима тока и измерение тока на стороне высокого напряжения.Эти схемы заменяют задерживающий диод на синхронный переключающий транзистор, который может быть отключен отключением или отключением входного питания. Отключение этого внутреннего транзистора или его выключение во время отключения удаляет путь для протекания постоянного тока. Затем нагрузка обнаруживает необходимое отключение с высоким сопротивлением. Когда цепь не находится в выключенном состоянии, механизм измерения тока цикла за циклом (с использованием внутреннего резистора на стороне высокого напряжения) защищает от катастрофического расплавления из-за внутренних перегрузок по току.Наконец, защита от тепловой перегрузки обеспечивает безопасную зону работы (SAO).
Для приложений с более высоким выходным током, в которых цена делает синхронное переключение непрактичным для монолитных устройств, функция отключения нагрузки требует наличия переключателя на стороне высокого напряжения, внешнего по отношению к кристаллу контроллера. Возможна дискретная топология с режимом тока с использованием резистора для измерения тока на стороне высокого напряжения и транзистора с синхронным переключением, но этот подход страдает от паразитных характеристик печатной платы и зависимости компоновки, особенно на высоких частотах переключения.Результатом является относительно сложная конструкция, особенно когда системные ограничения требуют низкого входного напряжения (<3,6 В).
Синхронный внешний переключатель на стороне высокого напряжения становится возможным при более высоких уровнях пикового тока индуктора (> 5 А), но стоимость и сложность отменяют соображения тепла и эффективности при более умеренных уровнях тока индуктора (от ~ 1,5 А до 5 А), обсуждаемых эта статья. Простой перехватывающий диод снова является наиболее желательным решением. Задача состоит в том, чтобы добиться желаемого отключения нагрузки, сохранив при этом скромный ограничивающий диод и неприукрашенную топологию повышающего напряжения.
Простое и интеллектуальное решение представлено на рис. 2 , где контроллер MAX668 иллюстрирует сложную задачу повышения с низких входных напряжений. Этот повышающий контроллер токового режима управляет n-канальным МОП-транзистором логического уровня в режиме улучшения (сконфигурированным на стороне низкого уровня) последовательно с резистором считывания тока на стороне низкого напряжения; ни один из них не показан на рисунке 2. Вместо этого эта схема и MAX668 представлены в виде блока, чтобы не загромождать функцию подключения / отключения нагрузки. Переключатель верхнего плеча представляет собой улавливающий диод Шоттки, выбранный из-за его низкого падения прямого напряжения (теперь стандартно).Простая топология ускорения остается неизменной. Это приложение повышает напряжение с 3,3 В до 5 В и обеспечивает ток нагрузки до 3 А. MAX668 повышает только с 3 В или выше, но MAX669 может принимать входные сигналы от 1,8 В.
Рис. 2. Этот повышающий преобразователь с отключением нагрузки иллюстрирует конфигурацию с минимальной стоимостью.
Ключевым элементом в реализации интеллектуального отключения нагрузки является полевой МОП-транзистор Q1 с p-каналом расширенного режима. Как показано, система может включить эту цепь повышения (активный низкий уровень ВКЛ) или отключить ее (ВЫКЛ).D1 проводит ток во время выключения, создавая 3,3 В минус одно падение на диоде на клемме питания MAX810L. (Это крошечное устройство сброса при включении питания имеет корпус SOT23-3, потребляет ток покоя около 24 мкА и гарантирует работу при 1 В.) В этом случае выход MAX810L высокий, потому что его номинальный порог сброса составляет 4,65 В, что заставляет Q1 выключается и отключает нагрузку от сети.
Резисторы обратной связи MAX668 настроены на выдачу выходного напряжения 5 В, когда это устройство выходит из режима выключения. Когда возрастающий выходной сигнал превышает входной порог MAX810L, включается внутренний однократный импульс приблизительно на 240 мсек.По истечении этого периода ожидания на выходе MAX810 становится низкий уровень и включается Q1.
Когда Q1 включен, MAX810 постоянно контролирует линию питания на наличие токов перегрузки. Перегрузка вызывает падение выходного напряжения ниже внутреннего порогового напряжения MAX810, в результате чего его выход становится высоким с номинальной задержкой в 20 мксек, выключением Q1 и отключением нагрузки. Вскоре после этого действие повышения MAX668 поднимает входное напряжение MAX810 выше его порогового значения. По истечении времени ожидания MAX810 автоматически подключает нагрузку.Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет снята чрезмерная нагрузка или не будет отключена цепь наддува. Таким образом, Q1 и MAX810 действуют как интеллектуальный твердотельный переключатель.
MAX810 (микромощное устройство) имеет довольно слабый двухтактный выходной каскад. Он напоминает резистор ~ 6 кОм при подаче тока и резистор ~ 125 Ом при отводе тока. Когда устройство выключается или включается, эти сопротивления замедляют работу, воздействуя на емкость Миллера Q1 и связанные с ней Cgs. Соответствующая постоянная времени RC для транзистора с большим проходом составляет ~ 0.6 мкс, если предположить, что общая эффективная емкость 5000 пФ действует против понижающего каскада 125 Ом MAX810. Таким образом, переход полного напряжения может быть приблизительно равен 10RC = 6 мкс.
Для полного выключения того же устройства требуется почти в 48 раз больше времени (6K / 125 при 290 мкс). Это приближение работает, но фактическое отключение происходит, когда V OUT достигает порогового напряжения усиления (V th ), задолго до того, как истекут 10-кратные постоянные. Время выключения вполне приемлемо, поскольку комбинация Q1 / MAX810 действует как твердотельный предохранитель.С другой стороны, время включения может быть проблемой, в зависимости от пусковой нагрузки и отношения проходного транзистора между емкостями байпаса истока и байпаса стока. Если пусковая нагрузка мала, а C1 больше по сравнению с C2, то быстрое включение полевого транзистора вызывает только небольшой провал напряжения на входе MAX810 (меньше, чем требуется для запуска сброса). Для этих условий наименее затратная реализация этой топологии схемы показана на рисунке 2.
Если внешняя нагрузка или зарядка C2 потребляют большой ток при запуске, так что быстрое включение Q1 может вызвать MAX810 для выполнения сброса можно добавить RC-сеть, чтобы замедлить включение (, рис. 3, ).Правильный выбор этих компонентов может обеспечить нагрузку в течение нескольких циклов переключения MAX668, позволяя его выходному напряжению оставаться выше порога сброса. Замедление включения Q1 может быть желательным, но замедление выключения — нет. Соответственно, схема включает диод Шоттки, подключенный параллельно резистору, для быстрого отключения Q1 в ответ на чрезмерную и неожиданную нагрузку.
Рисунок 3. Добавление трех компонентов в схему затвора MOSFET на Рисунке 2 обеспечивает медленное соединение / быстрое отключение, необходимое для выдерживания больших пусковых нагрузок.
Этим схемам требуется p-канальный MOSFET логического уровня, такой как Q1, для полного улучшения канала и получения низкого значения Rds-on. Если сопротивление Q1 в открытом состоянии достаточно велико, чтобы вызвать значительное падение напряжения (особенно в приложениях с низким выходным напряжением или если нагрузка находится относительно далеко), то может быть желательно регулировать сток Q1. При этом вы должны свести к минимуму паразиты и соблюдать правильную технику компоновки схем. Это дистанционное регулирование может быть реализовано с помощью низковольтного аналогового переключателя SPDT в корпусе SOT23 (MAX4544), управляемого выходным состоянием MAX810 (, рис. 4, ).
Рис. 4. Дальнейшие украшения (см. Рис. 3) добавляют к повышающему преобразователю дистанционное регулирование и обнаружение низкого напряжения с отключением нагрузки.
MAX4544 работает в пределах, указанных в паспорте, при напряжении питания до 2,7 В. При входном напряжении 3,3 В и около 0,3 В на диоде Шоттки MAX4544 (и MAX810) остается работоспособным даже при отключении повышающего преобразователя. На выходе MAX810 высокий уровень во время выключения, подключение COM-узла MAX4544 к NO (источнику Q1).Когда повышающий преобразователь включается, резисторы, подключенные к выводу COM MAX4544, обеспечивают обратную связь с MAX668. Максимальное сопротивление MAX4544 во включенном состоянии составляет 60 Ом при напряжении питания 5 В, поэтому значения резистора обратной связи должны быть намного больше, чтобы минимизировать ошибки выходного напряжения. Сопротивление в открытом состоянии составляет всего 120 Ом при 3 В; таким образом, ошибки переключения MAX4544 минимальны даже при более низких выходных напряжениях.
Когда схема повышения включена и по истечении периода тайм-аута, на выходе MAX810 становится низкий уровень, и нагрузка подключается через Q1.Одновременно с этим выход MAX810 также вызывает переключение резисторов обратной связи на сток Q1, что позволяет регулировать выходное напряжение на нагрузке, удаленной от основной схемы повышения напряжения.
Это действие также переключает вход MAX810 на сток Q1, где он может контролировать условия перегрузки на нагрузке. Вышеупомянутая схема особенно полезна, если Rds-on Q1 вызывает падение напряжения более чем на ~ 1% при максимальном токе нагрузки. Это может произойти, если Rds-on > 50 мОм при > на выходе 1 А при питании 5 В.
В ответ на перегрузку по току выход MAX810 переходит в высокий уровень и быстро отключает Q1 через диод Шоттки. Одновременно он переключает себя и резисторы обратной связи обратно на сторону источника (входа) Q1. Предыдущая конфигурация дает выходу повышения мощности возможность вернуться в режим регулирования, после чего MAX810 повторно подключает нагрузку. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет устранена перегрузка.
Переключение MAX4544 «размыкание перед замыканием» происходит довольно быстро (10 нс), поэтому небольшой конденсатор на резисторах обратной связи поддерживает выходное напряжение в течение периода отключения, чтобы избежать разрыва цепи обратной связи MAX668 и обеспечить питание MAX810.Чтобы предотвратить заметное влияние на переходную характеристику MAX668, этот конденсатор должен быть достаточно большим, чтобы избежать значительного разряда во время периода отключения, но достаточно маленьким, чтобы обеспечить небольшую постоянную времени с включенными сопротивлениями MAX4544.
Вход управления переключением MAX4544 не имеет триггера Шмитта, но он может выдерживать медленно движущиеся сигналы логического уровня (однако эти сигналы могут вызывать прохождение тока порядка 10 -4 A во время перехода от узла питания К земле, приземляться).Фактическое действие переключения происходит быстро после достижения порога переключения.
При использовании MAX669 для повышения низкого выходного напряжения 2,5 В и ниже может потребоваться отрицательное напряжение для полного повышения Q1. Например, недорогой дискретный зарядный насос, подключенный к узлу LX, может генерировать -Vout + Vd (, рис. 5, ). Для выхода 2,7 В он выдает -2,0 В со стандартным диодом с pn-переходом или -2,4 В с диодом Шоттки. Это напряжение присутствует всякий раз, когда включен повышающий преобразователь, и оно обеспечивает как отрицательное питание для MAX4544 (которое допускает напряжения питания до 12 В), так и смещение для Q1.
Рис. 5. Чтобы обеспечить отключение нагрузки при низких выходных напряжениях, эта схема обеспечивает соответствующее управление полевым МОП-транзистором, создавая отрицательную шину для ИС управления затвором (MAX810L).
Хотя Q1 включается, когда выход MAX810 становится низким, порог сброса MAX810 не может точно определить основное выходное напряжение с его клеммой заземления, относящейся к выходу отрицательного заряда накачки. Соответственно, клемма заземления MAX810 подключается к земле, и ее выход управляет переключателем уровня, состоящим из Q2 и Q3, так что затвор Q1 подтягивается к отрицательной шине для включения.
MAX668 поддерживает частотно-импульсную модуляцию (PFM) в режиме Idle Mode ™ при малых нагрузках, что позволяет пропускать зарядные импульсы при низком токе нагрузки от основного источника питания. Когда импульсы пропускаются, ток эмиттера Q2 (установленный R1) разряжает C3. Это может привести к недостаточному напряжению питания MAX4544, даже если основное выходное напряжение находится в режиме стабилизации. В свою очередь, этот эффект может вызвать резкое увеличение сопротивления во внутреннем аналоговом переключателе и падение напряжения обратной связи на MAX668 по направлению к земле.
MAX668 затем пытается выполнить компенсацию повышением выходного напряжения, что может привести к возникновению состояния перенапряжения. В качестве противоядия убедитесь, что резисторы обратной связи (минимальная нагрузка постоянного тока для основного выходного напряжения) достаточно малы, чтобы разрядить Vout немного быстрее, чем разряд C3 током эмиттера Q2. Независимо от того, проводит ли Q1 или нет, следующее неравенство позволяет вам размер C3:
C4 может быть маленьким по сравнению с C3, если никакие зарядные импульсы не пропускаются во время нормальной работы ШИМ; но чем больше пропущено импульсов, тем больше должен быть C4.Когда действие наддува возобновляется после пропуска импульса, пока Q2 удерживается, C4 должен быть достаточно большим, чтобы зарядить C3 до того, как C1 станет полностью заряженным.(Vout-Vbe) / (R1 × C3)
Многие компоненты и межсоединения влияют на цепь обратной связи MAX668, показанную на рисунках 3 и 4, и неисправность этих компонентов может вызвать перенапряжение Vout, которое разрушит нагрузку. Для дополнительной безопасности стабилитрон (не показан), подключенный от C1 к выводу MAX668 FB (с его анодом, подключенным к FB), может обеспечить блокировку локальной петли обратной связи, которая ограничивает выход на (Vz + VFB).Чтобы предотвратить большое перенапряжение, установите Vz равным максимальному регулируемому Vout за вычетом максимального VFB.
Если система должна управлять несколькими нагрузками по отдельности, в то время как повышающий преобразователь остается включенным, вы можете заменить MAX810 на MAX812 (в 4-контактном корпусе SOT143). Четвертый вывод MAX812 предназначен для приложений с ручным сбросом, но он может вызвать отключение между локальной нагрузкой и основным усиленным выходом, действуя как сигнал логического уровня, который отменяет каждый интеллектуальный твердотельный предохранитель. Такой подход позволяет вам управлять каждой нагрузкой на основном источнике повышения напряжения независимо.
И последнее, но не менее важное: этот интеллектуальный метод твердотельного предохранителя, который автоматически сбрасывается без включения и выключения питания и не требует замены или устранения неисправностей на месте, не ограничивается выходами повышающего преобразователя. Он может заменить предохранитель на шине питания постоянного тока практически в любой системе, независимо от напряжения. (Напряжения на шине выше 60 В могут потребовать полевых транзисторов без логического уровня и переключателей уровня для выхода MAX810.) Используя всего два прецизионных резистора для установки соответствующего внешнего смещения для более высоких напряжений (, рис. 6, ), вы можете установить твердотельный -состояний предохранитель, срабатывающий при запрограммированном провале напряжения питания шины.
Рис. 6. Распространение идеи отключения нагрузки на схемы без повышающего преобразователя образует твердотельный предохранитель, применимый к любой шине питания постоянного тока.
Предположим, например, что -48 Вольт необходимо защитить от перегрузки по току. Мы прерываем цепь со стороны шины, а не со стороны земли, потому что источник напряжения отрицательный, и мы используем n-канальный полевой транзистор плюс схему сброса MAX809T, полярность выхода сброса которой противоположна полярности выхода сброса MAX810. Напряжение питания может составлять до -36 В при нормальной работе ( Рисунок 7 ).
Рис. 7. Этот твердотельный предохранитель защищает отрицательную шину постоянного тока.
Уравнения проектирования следующие:
Ток покоя MAX809 составляет около 100 мкА максимум по температуре, а ток через Rh и RL должен быть примерно в 100 раз выше, чтобы минимизировать влияние тока покоя на напряжение отключения: 36 / ( Rh + RL) = 10 мА, поэтому
Порог MAX809 намного ниже, чем напряжение отключения питания, поэтому RL меньше, чем Rh, примерно на соотношение Vthreshold / (Vthreshold + Vsupply-trip) = 3 / (36 + 3) = 0.077. Таким образом, MAX809 Iq проходит через ~ 93,3% (Rh + RL), вызывая вклад отключения напряжения ~ 0,336 В. Принимая во внимание этот факт, установите начальное напряжение отключения для расчета Rh и RL на уровне 36 В — 0,336 В = 35,664 В.(Rh + RL) = 3600 Ом.
