Меню

Как транзистор ограничивает ток

Простой способ стабилизации больших токов с малыми потерями на измерительном элементе

В простых схемах стабилизаторов или ограничителей постоянного тока, выполненных полностью на транзисторах без применения операционных усилителей, обычно используются токовые шунты такого сопротивления, что бы при требуемом значении тока на них падало напряжение порядка 0,5 — 0,7 Вольт, достаточное для открывания кремниевого транзистора и начала стабилизации или ограничения протекающего тока. При таких условиях и требуемых токах большой величины на измерительном элементе выделяется довольно большое количество тепла, снижающее конечный КПД устройства и увеличивающее общий нагрев:

Всё это относится к источникам тока импульсного типа, так как на регулирующих элементах устройств, работающих в линейном режиме всегда выделяется значительно большее количество тепла, чем на их измерительных шунтах и погоня за меньшим сопротивлением шунта в таких устройствах не даст большого эффекта. А вот в источниках тока, работающих в ключевом, импульсном режиме, выделение тепла на измерительном элементе превосходит количество энергии, теряющееся на управляющем ключе и составляет основную долю тепловыделения всего устройства, и хотелось бы максимально минимизировать часть энергии, приходящуюся на выделение тепла на токовом шунте.

Единственным способом для этого является использование шунта меньшего сопротивления, но с таким шунтом приходится использовать высококачественные операционные усилители, усложняющие схемотехнику и удорожающие всю конструкцию в целом, ухудшающие температурную стабильность и устойчивость всего устройства, из-за чего часто возникает самовозбуждение и большая зависимость протекающего тока от изменения окружающей температуры:

Предлагается использовать низкоомные токовые шунты с транзисторами для стабилизации больших токов фиксированного значения с применением вольт-добавки определённого значения. Для этого на измерительном транзисторе нужно обеспечить начальное напряжение такого уровня, что бы транзистор оставался закрытым, и начинал открываться при достижении протекающего тока установленного значения. При этом величина начального напряжения вольт-добавки должна быть стабильной и не зависеть от изменения окружающей температуры.

Казалось бы нелёгкая задача обеспечить такие условия простым способом, но эта задача решается очень легко всего одним лишним биполярным транзистором, используя своеобразность вольт-амперной характеристики его p-n перехода БАЗА-ЭМИТТЕР. Нужно соблюсти только два обязательных условия. Этот транзистор должен быть точно таким же, как и измерительный и физически располагаться рядом с ним для максимального равенства температуры их корпусов.

Принципиальная схема предлагаемого узла измерителя протекающего тока на транзисторе с вольт-добавкой изображена на рисунке:

Транзистор T1 является измерительным и определяет превышение протекающего через низкоомный шунт R-shunt тока заданной величины. Цепь на резисторе R3 и переходе БАЗА-ЭМИТТЕР транзистора T2 создаёт стабильную вольт-добавку, включённую для транзистора T1 последовательно с сопротивлением измерительного шунта, и следовательно напряжение этой вольт-добавки суммируется с падением напряжения на шунте. Создаётся именно вольт-добавка, а не смещение, так как измерительный транзистор остаётся полностью закрытым, пока сила тока через шунт, а значит и падение напряжения на нём не достигнет определённого значения, достаточного для открывания транзистора T1. Хотя внешне схема и похожа на токовое зеркало, но здесь используется другой принцип, и не нужно путать и считать это токовым зеркалом.

Температурная стабильность достигается благодаря единству параметров и близостью расположения применённых транзисторов, которые будут находиться в одинаковом тепловом режиме и соответственно падение напряжения на их переходах будет меняться по одному закону и изменение окружающей температуры будет мало влиять на установленный порог измерения тока.

На резисторах R1 и R2 собран делитель суммарного напряжения, обеспечивающий надёжное закрывание транзистора T1 при низком значении протекающего тока через измерительный шунт. Изменением сопротивления резистора R2 в небольших пределах можно подбирать момент выхода измерительного транзистора в рабочую точку и соответственно порог начала ограничения тока нагрузки.

Расчёт элементов схемы следует начинать с сопротивления измерительного шунта, играющего ключевую роль. Задавшись необходимым током нагрузки, будь то светодиод или заряжаемый аккумулятор нужно рассчитать сопротивление шунта так, что бы на нём падало оптимальное напряжение порядка 100 мВ. Чем больше это значение, тем больше будет конечная точность измерения и стабилизации, но при этом увеличивается и выделение тепла:

  • где Rshunt — расчётное сопротивление шунта в миллиомах;
  • Ushunt — подставляемое значение падения напряжения на шунте 100 мВ;
  • а Iload — требуемый ток нагрузки в Амперах.

Для примера будем производить расчёт для тока 5 А. Тогда понадобится шунт с сопротивлением:

Rshunt = 100mV / 5A = 20 mΩ

и на нём будет теряться мощность всего лишь:

P = 100mV * 5A / 1000 = 0,5W

Далее нужно рассчитать сопротивление резисторов R1 — R3 исходя из требуемой нагрузочной способности и минимального коэффициента усиления транзистора T1. Допустим в рабочем режиме активной стабилизации, для нормального функционирования всего устройства, от этого транзистора требуется ток 10 мА, а его коэффициент передачи тока базы равен 100, что типично для большинства транзисторов малой и средней мощности.

Для обеспечивания такого тока через базу транзистора должен протекать ток:

IB = IK / hfe = 10 mA / 100 = 0,1 mA

Из общеизвестных рекомендаций линейного режима работы транзистора, ток через делитель должен превышать необходимый ток базы в 5 — 8 раз, но так как в данном случае в линейной области транзистор работает не всё своё время, то с успехом вполне можно взять наименьшее из этого значения подставив коэффициент 5:

При использовании кремниевого транзистора на его переходе во время начала протекания тока будет падать напряжение 0,5 В. Следовательно сопротивление базового резистора делителя R1 должно быть:

R1 = UB / IR-B = 0,5 V / 0,5 mA = 1 kΩ

Полная формула для расчёта сопротивления данного резистора будет выглядеть следующим образом:

R1 = 0,1 / ( IK / hfe )

  • R1 — сопротивление нижнего плеча делителя (кОм);
  • IK — необходимый ток коллектора (мА);
  • hfe — коэффициент усиления транзистора.

Сопротивление резистора R2 зависит от нескольких параметров и его предварительный расчёт затруднён. Его нужно будет подобрать опытным путём в зависимости от применённых транзисторов, минимального и максимального напряжения питания и протекающего тока. Теоретически на нём должно падать такое напряжение, что бы транзистор T1 начинал открываться только при приближении протекающего тока к требуемому значению, и оставался закрытым при меньшем его значении. Экспериментально было установлено, что приблизительное сопротивление этого резистора должно быть в 10 раз меньше сопротивления резистора R1 и в данном случае составит 100 Ом:

R2 ≈ R1 / 10

Сопротивление резистора R3 зависит от значения минимального уровня напряжения источника питания, обеспечивающее силу тока через этот резистор в два раза большую силы тока, протекающей через делитель из резисторов R1-R2. Именно так будет обеспечиваться приемлемая стабильность напряжения на транзисторе T2.
В Нашем случае этот ток должен составлять 1 мА. Допустив изменение напряжения источника питания от 12 до 24 В при минимальном значении на этом резисторе будет падать напряжение:

и его сопротивление должно быть:

11,5В / 1 мА = 11,5 кОм.

Для обеспечивания заданных условий лучше взять резистор меньшего сопротивления из стандартного ряда, а именно 10 кОм.
Формула для расчёта сопротивления этого резистора выглядит следующим образом:

  • UPmin — минимальное напряжение питания (В);
  • IK — необходимый ток коллектора транзистора T1 (мА);
  • hfe — коэффициент усиления транзистора T1.

Для демонстрации возможностей идеи в программе “Proteus 8 Professional” была собрана схема стабилизатора тока и произведена симуляция работы. Для возможности корректной симуляции была использована простейшая схема с регулирующим элементом линейного типа. В реальном устройстве с дополнительным усилителем и широтно-импульсной модуляцией параметры будут немного лучше:

Схема в программе “Proteus 8 Professional”

Симуляция производилась с изменением питающего напряжения от 12 до 24 В и изменением подключённой нагрузки от 0 (минимальная нагрузка) до 100% (короткое замыкание на выходе). При этом максимальное отклонение тока нагрузки от номинального, наблюдаемое при пониженном напряжении питания, не превышало 26%. Для сравнения в дорогостоящих промышленных образцах высокой точности этот параметр составляет 5 — 7%.

Так же с использованием таблицы «Microsoft Excel» был создан калькулятор, быстро рассчитывающий элементы схемы по исходным параметрам, применяя описанные в статье формулы и принципы. Все эти расчёты являются приблизительными, но их вполне можно использовать для точки отсчёта, и дальнейшим подбором номиналов радиокомпонентов довести работу всего устройства до возможного максимума желаемых параметров и технических характеристик.

По данным симуляции была сделана таблица значений отдаваемого тока при трёх разных сопротивлениях нагрузки и изменении питающего напряжения от 12 до 24В:

Таблица значений отдаваемого тока

По этой таблице были построены графики зависимости Iload от UP при разных значениях Rload :

Графики зависимости Iload от UP

Доработка схемы

Так же, учитывая отзывы читателей, был разработан второй вариант схемы, где резистор токового шунта Rshunt включён не до, а после делителя R1-R2:

Это позволило немного увеличить чувствительность, и соответственно общий коэффициент стабилизации конечного устройства при том же сопротивлении шунта. Но пришлось пересчитать значения всех протекающих токов и немного подправить формулы для вычисления элементов схемы.

Допустим в рабочем режиме активной стабилизации, для нормального функционирования всего устройства, от транзистора T1 требуется ток 1 мА, а его коэффициент передачи тока базы равен 100, что типично для большинства транзисторов малой и средней мощности.

Для обеспечивания такого тока через базу транзистора должен протекать ток:

IB = IK / hfe = 1 mA / 100 = 0,01 mA

Ток делителя в этот раз был выбран в 10 раз превышающий ток базы, и в данном случае составил:

При использовании кремниевого транзистора на его переходе во время начала протекания тока будет падать напряжение 0,5 В. Следовательно сопротивление базового резистора делителя R1 должно быть:

R1 = UB / IR-B = 0,5 V / 0,1 mA = 5 kΩ

Полная формула для расчёта сопротивления данного резистора будет выглядеть следующим образом:

R1 = 0,1 / ( 2 * IK / hfe )

  • R1 — сопротивление нижнего плеча делителя (кОм);
  • IK — необходимый ток коллектора (мА);
  • hfe — коэффициент усиления транзистора.

Так как чувствительность была повышена, то сопротивление второго резистора делителя было подобрано в 5 раз меньше первого резистора:

R2 ≈ R1 / 5

Для максимальной температурной стабильности токи баз обоих транзисторов должны быть одинаковыми или очень близки по значению. Так как ток базы транзистора зависит от тока его коллектора, то ток коллектора транзистора T2 должен быть равен току коллектора транзистора T1, что и учтено в формуле для расчёта токозадающего резистора R3:

R3 = (UPmin – 0,7) / (IK + (10 * IK / hfe))

  • UPmin — минимальное напряжение питания (В);
  • IK — необходимый ток коллектора транзистора T1 (мА);
  • hfe — коэффициент усиления транзистора T1.

Для демонстрации возможностей доработанной схемы в программе “Proteus 8 Professional” была собрана схема стабилизатора тока и произведена симуляция работы. На этот раз в качестве управляющего был выбран P-канальный полевой транзистор, а напряжение цепи питания измерительного узла было стабилизировано стабилитроном:

Вариант доработанной полной схемы устройства

По новым данным симуляции была сделана таблица значений отдаваемого тока при изменении питающего напряжения от 12 до 24В. В новой схеме, из за большого коэффициента усиления, отдаваемый ток никак не зависит от изменения сопротивления нагрузки:

Читайте также:  Ардуино нано потребляемый ток

Таблица значений отдаваемого тока

Был построен график зависимости, где видно что при изменении питающего напряжения, ток стабилизации меняется незначительно:

Графики зависимости Iload от UP

Любой желающий может скачать проекты Proteus-а и калькуляторы для обеих версий, и провести симуляцию самостоятельно, при своих условиях. Это было теоретическое представление идеи простого метода стабилизации или ограничения больших токов, где не нужна высокая точность. Данный метод не встречался и не применялся нигде ранее и его описание здесь можно считать уникальным. Самим автором метод долгое время успешно применяется в нескольких практических конструкциях и готовых устройствах, и описание некоторых из них планируется в дальнейших публикациях.

Проект будет дорабатываться и совершенствоваться, и каждый может внести в это дело свой вклад. Пишите свои предложения и замечания, подписывайтесь на статью и следите за новыми публикациями. Так же спасибо всем за уже оставленные отзывы и рекомендации.

Источник

Максимальный постоянный ток через полевой транзистор

На просторах интернета достаточно много информации о полевых транзисторах (далее ПТ) и их параметрах, но один из довольно простых, на первый взгляд, параметров, а именно – максимальный постоянный ток, который транзистор может через себя пропустить в ключевом режиме, и не сгореть – приводится в даташитах как-то размыто и неочевидно.

В статье будет рассмотрен пример расчёта максимального тока через MOSFET SQM50P03-07 (взял первый попавшийся из своей схемы), работающий в ключевом режиме, или на участке насыщения.

Сначала немного теории, чтобы понять в чём же вообще суть проблемы. Кому просто нужно посчитать ток – переходите сразу к практике.

Теория

Если кратко, то основным параметром, который ограничивает максимальный ток через ПТ, является температура, точнее её рост. Даже при работе в ключевом режиме, когда ток течёт через исток-сток, транзистор имеет некоторое сопротивление, для мощных MOSFET это значение может быть всего несколько мОм (не самое большое и не самое маленькое значение среди ПТ). При прохождении тока через такое сопротивление на нём рассеивается некоторая мощность (переходящая в тепло, транзистор нагревается). Рассеиваемая мощность прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через ПТ.

Проблема в том, что максимальный ток (DC), как и максимальную рассеиваемую мощность, зачастую не указывают в документации напрямую, вот, например, скрин из даташита на SQM50P03-07:

Continuous Drain Current указан 50 ампер, но со сноской, что это ограничение корпуса, т.е. ток, больше чем этот, физически не может пропустить через себя сам корпус без разрушения структуры.

Maximum Power Dissipation для разных температур 150 и 50 Вт, но со сноской, что это при пропускании тока импульсами, где за 1 период 98% времени транзистор «выключен», и остальные 2% он «включен» (напомню, нас интересует постоянный ток).

Так вот, для расчёта максимального тока через ПТ, важным параметром здесь является максимальная температура. Из даташита видно, что она 175 °C (Operating Junction and Storage Temperature Range), от неё и нужно отталкиваться в расчётах. Нужно определить какой ток нагреет полупроводниковый канал транзистора до 175 °C, но дальнейшее увеличение температуры не будет происходить за счёт передачи тепла в окружающую среду (охлаждения), это и будет значение тока, которое нам нужно.

Нагревание транзистора, как и любого другого тела, процесс сложный и зависит от многих параметров. Чтобы максимально упростить связанные с тепловыми расчётами действия, вводится параметр тепловое сопротивление, т.е. способность чего-либо, препятствовать распространению тепла. Чем тепловое сопротивление больше, тем медленнее будет охлаждаться ПТ, и тем быстрее вырастет до критической температура его кристалла. Так же, чем больше разница между максимально допустимой температурой на кристалле и окружающей средой, тем дольше ПТ будет нагреваться, и тем больший ток можно будет через него пропускать.

У каждого материала тепловое сопротивление своё, а транзистор, в свою очередь, состоит из подложки (тела), на которой формируется проводящий канал, изолятора, самого корпуса, который может тоже состоять из нескольких материалов, само собой они ещё и разной толщины, что тоже влияет на передачу тепла.

Кроме того, охлаждать транзистор тоже можно по-разному, на некоторых, есть большая контактная площадка, которая припаивается к плате или крепится к радиатору, в таких случаях тепловое сопротивление минимально. Некоторые транзисторы не имеют таких площадок и контактируют с окружающей средой только через пластиковый корпус, через который отдают тепло гораздо медленнее.

В итоге получается примерно следующая схема:

  • T (Junction) – это температура проводящего канала внутри транзистора (который и нагревается при прохождении тока);
  • T (Ambient) – это температура окружающей среды (куда отводится тепло);
  • RT1-RT4 – это тепловые сопротивления материалов, которые преодолевает тепловая энергия.

С тепловыми сопротивлениями, как и в электротехнике, работает правило: «общее сопротивление равно сумме последовательных сопротивлений».

Как было отмечено ранее, ПТ можно охлаждать по-разному, и все возможные варианты в даташите предусмотреть просто невозможно, однако, обычно приводятся самые распространённые:

  • ПТ установлен на плате без радиатора и без всяких теплоотводящих контактных площадок (сопротивление Junction-to-Ambient);
  • даётся сопротивление до подложки, Junction-to-Case (или до определённой точки на корпусе, с которой отводится тепло), а дальше, в зависимости от применения, например, к подложке крепится радиатор, тогда надо его сопротивление добавлять в систему, и сопротивление прокладки между ним и корпусом ПТ (теплоотвод может быть очень большим и принимать на себя всё тепло с транзистора, в этом случае температурой окружающей среды будет считаться температура этого радиатора).

Не всегда тепловые сопротивления указываются прямо на странице с максимальными параметрами ПТ, вот, например, скрин из документации на Si4477DY:

Хотя там есть параметр Junction-to-Foot, допустим, нам интересно именно тепловое сопротивление Junction-to-Ambient, а оно приведено только для времени менее 10 секунд. В таком случае, можно порыться на сайте производителя и найти модели тепловых сопротивлений. В таких документах есть график зависимости разности температур Junction-Ambient от времени:

Из графика видно, что после 1000 секунд, значительный рост изменения температуры прекращается. В этом режиме разность температур численно равна тепловому сопротивлению. Следовательно, для постоянного тока можно ориентироваться на значение 80 °C/Вт – тепловое сопротивление Junction-to-Ambient.
(немного подробнее в комментарии)

Может не у всех фирм есть эта информация, но корпуса ПТ у всех в основном стандартные, достаточно найти данные по сопротивлениям для интересующего нас корпуса другой фирмы.
Когда разработчиком определено как именно будет охлаждаться ПТ, температура окружающей среды, в которой будет работать устройство, после этого, можно, наконец, приступить к расчёту.

Практика

Рассмотрим пример определения максимального постоянного тока через MOSFET SQM50P03-07 в ключевом режиме, который припаян к плате размером 300х300 мм (без радиатора). Плата будет работать в воздухе, при максимальной температуре 45 °C. Управлять ПТ будем, подавая на его затвор, напряжение в 5 вольт.

1. TJMAX

MOSFET греется в области сформированного проводящего канала (на подложке под изолятором и затвором), это и есть температура Tjunction (температура в месте соединения). Из даташита Operating Junction and Storage Temperature Range -55… +175, т.к. нас интересует максимальный ток, то и берём максимальную температуру, т.е. TJMAX=175°C (если не хочется, чтобы канал транзистора так грелся, то можно взять меньшее значение).

Температура окружающей среды. Берём максимально возможную температуру, в которую транзистору придётся отдавать тепло, по начальным условиям TA=45°C.

3. RΘJA

В даташите находим тепловое сопротивление проводящего канала транзистора к окружающей среде, притом ниже есть пометка, что это сопротивление актуально, если ПТ припаян к плате размерами больше 1 дюйма квадратного (в этом случае часть тепла уходит на плату, и при таких её размерах, с транзистора осуществляется необходимый теплоотвод):

Таким образом, RΘJA= 40 °C/Вт.

4. RDS(ON)

Максимальное сопротивление drain-source (сток-исток), при определённом управляющем напряжении на затворе. Информацию можно взять из таблицы, но там приводятся значения сопротивления канала только при напряжениях затвора в 10В и 4.5В, а у нас по плану 5 вольт. Разница, конечно, небольшая, можно взять и 4.5В:

Лучше всё-так найти в даташите график зависимости сопротивления канала от приложенного к затвору напряжения:

Нужно обратить внимание на то, что в случае с таблицей, данные приводятся для TC = 25 °C (температура подложки), а в случае с графиком есть 2 варианта: TJ = 25 °C и TJ = 150 °C (температура канала). В выбранном примере канал будет греться до 175°C (как было определено в первом пункте расчёта). Получается, что в данный момент лучше пользоваться не таблицей, а графиком, для определения сопротивления канала, т.к. данное в таблице значение при TC = 25 °C – это не то, что нам сейчас интересно.

Итак, 8 мОм (0,008 Ом) – это сопротивление канала при его температуре 25 °C. Чтобы определить сопротивление при температуре TJMAX=175°C ищем график зависимости нормализованного сопротивления канала от его температуры:

По горизонтальной оси здесь температура соединения, а по вертикальной коэффициент приращения к сопротивлению. Можно заметить, что при 25 °C он равен 1 (величина безразмерная), т.е. то значение, которое ранее было определено (8 мОм), находится на этом уровне. При температуре 175 °C, коэффициент равен примерно 1,69.

Чтобы найти сопротивление канала при TJ=175°C, нужно умножить сопротивление при 25 °C на коэффициент при 175°C. Получаем 0,008 * 1,69 = 13,52 мОм. RDS(ON)=13,52 мОм (0,01352 Ом).

5. IDMAX

Теперь можно по формуле ниже, определить максимальный ток (DC), который может пропустить транзистор:

Получаем 15,504 ампера.

Однако расчёты с использованием тепловых моделей, основанных на тепловых сопротивлениях, имеют погрешность, которая возникает вследствие упрощения тех самых моделей. Поэтому рекомендуется делать запас по току хотя бы 20 %. Делаем последний расчёт и получаем 12,403 ампера. Это и есть то значение тока, которое SQM50P03-07 может через себя пропустить в режиме насыщения и не сгореть, при заданных выше начальных условиях.

Обратите внимание, как значение в 12 А, отличается от того, что обозначено на первых страницах даташита (50 А, 150 А), такие цифры поначалу сбивают с толку, если не разобраться со всеми нюансами.

В заключении пару слов о Safe Operating Area, это диаграмма, показывающая зоны нормальной работы транзистора в разных режимах. Для того же SQM50P03-07 в даташите есть SOA, однако, как можно заметить, она приведена для температуры канала в 25 °C (не наш случай)

К тому же, далеко не во всех даташитах есть прямая, ограничивающая зону работы по DC, хотя, для грубой оценки, можно использовать и эти данные.

Читайте также:  Ток часового режима тягового двигателя нб 418к6

Источник



Ограничитель тока в электрических и электронных сетях

Понятие ограничитель тока

Ограничитель тока (ОТ) — устройство, которое применяется в электрических или электронных схемах для снижения верхнего предела постоянного (DC) или переменного (АС) тока, поступающего к нагрузке. Этим обеспечивается своевременная надёжная защита схем генерации или электронных систем от вредных воздействий из-за короткого замыкания в сети или других негативных процессов, приводящих к резкому росту АС/DC.

  • Типы ограничивающих устройств
  • Ограничитель тока нагрузки в электросетях
  • Применение токозащиты в электронных схемах
  • Типы токоограничивающих диодов
  • Схема ограничения постоянного тока
  • Ограничитель с обратной связью
  • Области применения токоограничивающих диодов

Методы ограничения используются для контроля количества тока, протекающего в постоянной или переменной цепи. Устройство гарантирует, что в случае превышения его граничного размера защита надёжно и своевременно сработает. Токоограничивающие устройства могут применяться в различных модификациях в зависимости от чувствительности, нормативной токовой нагрузки, времени отклика и возможных причин возникновения короткого замыкания в сети.

Избыточный АС/DC может возникать во внутренней цепи из-за короткозамкнутых компонентов, таких как диоды, транзисторы, конденсаторы или трансформаторы, а также проблем внешнего характера при перегрузке сетевых объектов, в замыкающей цепи или перенапряжение на входных клеммах питания.

Типы ограничивающих устройств

Выбор защитных устройств зависит от нескольких факторов. Приборы бывают пассивные и активные, могут использоваться индивидуально или в виде комбинации. Обычно ограничитель соединяют последовательно с нагрузкой.

Виды ограничивающих устройств:

Схема тока

  1. Предохранители и резисторы. Они используются для простого ограничения тока. Предохранитель обычно срабатывает, если его АС/DC превышает номинальный размер. Резисторы интегрированы в конструкцию схемы. Правильное значение сопротивления можно рассчитать и с использованием закона Ома I = V / R (где I — ток, V — напряжение и R — сопротивление). На рынке электротоваров имеется большое количество различных предохранителей, которые могут удовлетворить любые потребности для рассеивания мощности.
  2. Автоматические выключатели. Они используются для отключения питания, как и предохранитель, но их реакция медленнее и может не срабатывать для особо чувствительных цепей дорогостоящего оборудования.
  3. Термисторы. Термисторы отрицательных температурных коэффициентов (NTC) используются для ограничения начальных импульсных токов, которые протекают, когда устройство подключено к электросети. Термисторы имеют значительное сопротивление в холодном состоянии и низкое сопротивление при значительных температурах. NTC ограничивает пусковой ток мгновенно.
  4. Транзисторы и диоды. Регулируемые блоки питания используют схемы ограничения, такие как интегральные схемы, транзисторы и диоды. Активные схемы подходят для чувствительных сетей и срабатывают, уменьшая нагрузку или выключают питание, на повреждённую короткозамкнутую цепь или на всю сеть.
  5. Токоограничивающие диоды используются для ограничения или регулировки в широком диапазоне напряжений. Двухконтактное устройство ОТ состоит из затвора, закороченного на источник. Он поддерживает DC независимо от изменений напряжения.

Ограничитель тока нагрузки в электросетях

Ограничитель тока в электросети

Системы распределения энергии имеют автоматические выключатели для выключения питания в случае неисправности. Они имеют определённые недостатки в обеспечении необходимой надёжности, так как не всегда могут отключать минимально необходимый аварийный участок сети для ремонта. Проблема возникает при реконструкции электроснабжения путём добавления новой мощности или перекрёстных соединений, которые должны иметь свои шины и выключатели, модернизированные для более высоких пределов тока короткого замыкания (ТКЗ).

Улучшение качества электроэнергии в сетях напрямую зависит от надёжности режима работы сетевого оборудования. Среди различных типов помех, влияющих на качество напряжения в сети (скачки, искажения гармоник и т. д. ), наиболее серьёзным препятствием являются падения напряжения, так как связанные с ним скачки фазового угла могут привести к поломке оборудования, к полной остановке производства, объектов ЖКХ, что со скоростью цепной реакции создаст угрозу жизнеобеспечения населения.

Общей причиной падения напряжения является ток короткого замыкания. При возникновении неисправности в распределительной сети на всех повреждённых шинах резко падает напряжение. Уровень зависит от точки подключения и электрического расстояния шины до места аварии.

Для снижения негативных процессов и отключения неисправных участков сети применяются следующие ограничители:

Снижение нагрузки

  • Распределительный статический компенсатор;
  • рекуператор динамического напряжения;
  • конденсатор с контролируемым тиристором;
  • полупроводниковый коммутатор статического переноса;
  • твердотельный ограничитель тока неисправности.

Такие защитные устройства не всегда совершенны. Некоторые из них имеют недостаток из-за высокой стоимости, а другие могут ограничить ток повреждения менее чем в 5 раз от нормального тока, что недостаточно при перегрузках.

Точки применения токовых ограничителей в электросиловом оборудовании:

  • До места срабатывания головного выключателя на аварийном фидере нагрузок потребителей с недопустимостью перерывов в электроснабжении;
  • на оборудовании, рабочие характеристики которого перестают соответствовать предельному току короткого замыкания, возросшему в связи с аварийной ситуацией в системах электроснабжения.

Простым решением ОТ в электросетевом оборудовании является добавление сопротивления в схему. Это ограничивает скорость, с которой может увеличиваться ТКЗ до того, как выключатель разомкнут, но также ограничивает способность схемы удовлетворять быстроменяющийся потребительский спрос, поэтому добавление или удаление больших нагрузок вызывает нестабильную мощность.

Применение токозащиты в электронных схемах

Пусковой ток возникает в момент подачи выключателем напряжения. Это происходит потому, что разница эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и сопротивление линии составляет всего несколько милидолей и приводит к большому пусковому току. Четыре фактора, которые могут влиять на этот процесс:

Как снизить нагрузку

  1. Значение входного переменного тока.
  2. Минимальное сопротивление, требуемое термистором NTC (при t = 0).
  3. Постоянный DC.
  4. Температура окружающей среды.

Ограничитель тока представляет собой устройство или группу устройств, используемых для защиты элементов схемы от пусковой нагрузки. Термисторы и резисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) — это 2 простых варианта защиты. Их основными недостатками являются длительное время охлаждения и большая рассеиваемая мощность. Токоограничивающий диод регулирует или ограничивает ток в широком диапазоне. Они состоят из JFET с затвором, закороченным на источник и функционирующим как двухконтактный ограничитель тока.

Они позволяют проходящему через них току подниматься до определённого значения и сравниться с заданной величиной. В отличие от диодов Зенера, они сохраняют постоянный ток, а не напряжение. Токоограничивающие диоды удерживают ток, протекающий через них, неизменным при любом изменении нагрузки.

Типы токоограничивающих диодов

Существует множество различных типов токоограничивающих диодов, классифицирующихся по:

  • номинальному току регулятора;
  • максимальному предельному напряжению;
  • рабочему напряжению;
  • потребляемой мощности.

Наиболее распространёнными значениями максимального используемого напряжения являются 1, 7 В, 2, 8 В, 3, 1 В, 3, 5 В и 3, 7 В и 4, 5 В. Номинальный ток регулятора может иметь диапазон от 0,31 мА до 10 мА, причём обычно используемый ток регулятора составляет 10 мА .

Схема ограничения постоянного тока

Ограничение тока

Большинство источников питания имеют отдельные контуры регулирования DC и напряжения для регулирования своих выходов либо в режиме постоянного напряжения (CV), либо в режиме постоянного тока (CC), которые включаются в управление зависимо от того, как сопротивление нагрузки соответствует выходному напряжению и текущим настройкам.

Таким образом, защита выполняется в основном путём ограничения токового значения. При этом можно применять простую схему для ограничителя источника с использованием двух диодов и резистора. В любом источнике питания всегда существует риск того, что на выходе произойдёт короткое замыкание. Соответственно, в этих условиях необходимо защитить его от повреждений. Существует ряд схем, которые можно применить для предохранения электропитания.

Одна из простейших схем включает в себя только два диода и дополнительный резистор. Схема использует резистор для измерения помех, размещённый последовательно с выходным транзистором. Два диода, расположенные между выходом схемы и базой транзистора, обеспечивают защиту. Когда цепь работает в нормальном рабочем диапазоне, на резисторе имеется небольшое напряжение. Это напряжение плюс базовое излучательное транзистора гораздо меньше, чем падение диодного перехода, необходимого для включения двух диодов. Однако по мере увеличения DC растёт напряжение на резисторе. Когда оно равно напряжению, необходимому для работы, они включаются, напряжение транзистора падает, тем самым ограничивая ток.

Цепь этого диодного ограничителя тока для источника питания проста. Значение последовательного резистора может быть рассчитано таким образом, чтобы напряжение на нём возрастало до 0, 6 вольта (напряжение включения для кремниевого диода) при достижении максимального тока. Однако всегда лучше убедиться, что есть некоторый запас защиты, и лучше ограничить его до достижения необходимого уровня.

Ограничитель с обратной связью

Ограничитель постоянного тока

Такая же простая диодная форма ограничения тока может быть включена в цепи питания, которые используют обратную связь для определения фактического выходного напряжения и обеспечивают более точно регулируемый выход. Если точка измерения выходного напряжения принимается после последовательного токового резистора, то падение напряжения может быть исправлено на выходе.

Эта схема обеспечивает гораздо лучшее регулирование, чем регулятор прямого эмиттера, также может учитывать падение напряжения в резисторе с токовым пределом, если имеется достаточное падение напряжения на транзисторе в цепи источника питания. Выходное напряжение можно также отрегулировать, чтобы получить требуемое значение с помощью переменного резистора. Диодная форма ограничения тока может быть легко интегрирована в схему питания. Кроме того, это дешёво и удобно.

Области применения токоограничивающих диодов

Токоограничивающие диоды обеспечивают высокую производительность и простоту эксплуатации по сравнению с биполярными транзисторами в системах защиты. Они универсальны, имеют превосходную производительность в отношении динамического температурного дрейфа. Устройств, использующих диоды:

Стабилизатор тока.

  • схемы генератора сигналов;
  • схемы синхронизации;
  • зарядные устройства;
  • управления светодиодами;
  • замены удерживающих катушек в устройствах телефонной связи.

Токовые ограничивающие диоды выпускаются многими мировыми производителями полупроводников, такими как Calogic, Central Semiconductor, Diodes Inc., O. N. Semiconductor или Zetex. Рынок электроники имеет очень широкий выбор диодов, используемых диодных цепей или любых других устройств, которым может потребоваться ограничение предельного токового значения.

Фотография Андрея Алексеевича

Порошин Андрей

Источник

Простые электронные ограничители тока

Infineon IRF9540N

В. И. Иволгин, г. Тамбов

Любое электронное устройство имеет источник питания, за счет энергии которого оно выполняет свои функции. И неудивительно, что в печати значительное место отводится их описаниям, рекомендациям по конструированию, рассмотрению работы отдельных узлов, предложениям по их улучшению.

Следует отметить, что современные источники питания, как правило, обладают довольно низким выходным сопротивлением. И по этой причине в нештатных ситуациях, даже при низких напряжениях на их выходе, не исключены значительные токовые перегрузки, приводящие к повреждению источника или самого устройства. В связи с этим источники питания, как правило, снабжаются системами защиты. Они достаточно разнообразны, обладают большей или меньшей автономностью относительно конструкции самого источника.

Один из вариантов такого устройства, которое можно использовать в виде самостоятельного узла, предлагается в [1]. Его принцип действия основан на ограничении потребляемого тока, в качестве датчика которого применяется низкоомный резистор, включенный последовательно в один из проводов между источником питания и нагрузкой. Напряжение с датчика, пропорциональное потребляемому току, после усиления используется для управления проходным транзистором. Изменением в нужный момент режима его работы и выполняется непосредственная защита от перегрузки.

Читайте также:  Автомат тип с ток отсечки

В указанной статье в качестве прототипа приводится хорошо известная структура на двух биполярных транзисторах (Рисунок 1). Основной недостаток устройства – значительное падение напряжения на нем, которое достигает максимального значения при предельном рабочем токе. По данным автора, оно составляет примерно 1.6 В, причем на проходном транзисторе VT1 падает около 1 В, а на токовом датчике Rs – остальные 0.6 В. В связи с чем автором предлагается другая схема, которая позволяет снизить падение напряжения на нем до 0.235 В при токе ограничения в 1.3 А. Это значение достаточно мало, правда достигается оно использованием более сложной схемы, содержащей около 20 элементов [1].

Рисунок 1. Принципиальная схема прототипа
ограничителя тока.

С другой стороны, эта конструкция, по сравнению с предложенной автором, привлекает своей простотой. И в связи с этим возникает вопрос: а можно ли, оставаясь в рамках такой простой структуры, добиться снижения падения напряжения на подобном предохранителе без ее заметного усложнения? И каким образом?

Как следует из приведенных числовых данных по прототипу, наибольшее падение напряжения приходится на проходной биполярный транзистор VT1. Анализ показывает, что при подобном включении добиться его насыщения, и тем самым достичь малых значений падения напряжения, невозможно без дополнительного источника питания. Но его введение только для этой цели было бы накладным. И хотя можно было бы, наверное, предложить и какие-то другие способы уменьшения этих потерь на VT1, будет рациональнее сразу произвести замену биполярного транзистора на полевой с низким значением сопротивления канала. Это позволит уменьшить как падение напряжения на регулирующем транзисторе, так и собственное потребление ограничителя за счет снижения токов управления. Кроме того, целесообразно изменить связи между транзисторами так, чтобы преобразовать ограничитель в систему двух усилительных каскадов, вместо лишь одного в исходной структуре. В конечном итоге принципиальная схема исследуемого ограничителя будет выглядеть уже так (Рисунок 2), которую можно рассматривать и как упрощенный вариант устройства, приведенного в [2].

Рисунок 2. Принципиальная схема преобразованного
ограничителя тока.

Проверка работоспособности предлагаемого ограничителя, а также выполнение измерений, проводились на макете, в котором использовались в качестве VT1 полевой транзистор IRF9540, установленный на радиаторе, VT2 – транзистор SS8550 с β ≈ 300, RS – резистор 1.2 Ом, R1 – 4.2 кОм, а нагрузкой являлся набор переменных проволочных резисторов необходимой мощности. Напряжение на входе ограничителя составляло 12 В. Результаты измерений приведены на Рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость падений напряжения на датчике
тока RS и проходном транзисторе VT1 на
начальной стадии ограничения.

Испытание ограничителя коротким замыканием показало, что при выполнении этой манипуляции ток через проходной транзистор устанавливается на уровне 0.5 А при напряжении на токовом датчике 0.60 В. И, таким образом, подобный ограничитель тока вполне работоспособен. Можно также отметить его довольно высокое выходное сопротивление в режиме ограничения тока – при изменении напряжения на его выходе в интервале 0…11.3 В ток через нагрузку практически остается равным 0.5 А. Кроме того, в связи с известной зависимостью параметров транзисторов от температуры, была проконтролирована зависимость значения ограничения тока от нагрева VT2. Как оказалось, ее величина составила всего около –0.2% относительной погрешности на градус.

Из анализа графиков следует, что падение напряжения на проходном транзисторе этой конструкции уже достаточно мало и даже на краю токового диапазона не превышает 0.1 В. Можно так же отметить, что на графике зависимости падения напряжения на VT1 визуально можно выделить два интервала. На первом из них, при токах от 0 до 0.45 А, рост падения напряжения является его линейной функцией, что указывает на насыщение транзистора в этой части диапазона. И действительно, вычисленное по этим данным сопротивление канала транзистора составляет приблизительно 0.125 Ом, что практически совпадает с паспортными данными используемого транзистора VT1. При бóльших же токах, в интервале 0.45 – 0.5 А, происходит сначала медленный, а затем резкий нелинейный рост этой величины, связанный уже с включением механизма ограничения тока.

Таким образом, из приведенных выше данных следует, что общее падение напряжения на ограничителе заметно снизилось, и уже определяется в основном не падением напряжения на VT1, а напряжением датчика RS. Каким же образом можно уменьшить последнюю величину?

Ответ напрашивается сам собой – нужно уменьшить значение RS, как это и сделано в [1], а для компенсации снижения уровня сигнала датчика использовать дополнительный усилитель. Но с другой стороны, и в рассмотренной выше схеме (Рисунок 2) такой усилитель, выполненный на транзисторе VT2, уже есть. Тем не менее, его параметры не позволяют снизить падение напряжения RS до меньших значений, хотя он и обладает достаточно высоким коэффициентом усиления. В связи с этой проблемой рассмотрим подробнее особенности работы VT2 в роли предварительного усилителя сигнала с датчика тока.

Как следует из принципиальной схемы (Рисунок 2), ограничение тока через VT1 происходит за счет изменения напряжения на его затворе, возникающего при изменении коллекторного тока транзистора VT2. Управление же его режимом осуществляется напряжением с резистора датчика тока RS. И, как следует из данных последних измерений (Рисунок 3), выход устройства на полное ограничение тока происходит только при напряжениях около 0.6 В на его базе относительно эмиттера. Этим обстоятельством и определяется величина сопротивления резистора RS.

Но характерно, что часть напряжения на датчике в диапазоне от 0 до 0.55 В можно считать «лишней», поскольку в этом интервале VT2 практически не «чувствует» его, а по настоящему «рабочим» для него будет только интервал 0.55 — 0.6 В. Сдвинув же нижнюю границу чувствительности усилителя, визуально составляющую 0.55 В, к нулю, можно будет решить проблему снижения значения RS.

Технически этого результата можно достичь, например, вводом в цепь между базой VT2 и правым выводом RS отдельного вспомогательного источника напряжением 0.55 В. Но удобнее сформировать его применением делителя из двух резисторов, включенных между общим проводом и эмиттером транзистора VT1 (резисторы R2, R3, Рисунок 4). И его параметры должны обеспечивать падение напряжения на R2, равное 0.55 В. Для меньшей зависимости этой величины от входного тока транзистора ток этого делителя желательно выдерживать в пределах 0.5 — 1 мА. При этих условиях уже незначительное напряжение на RS переведет транзистор VT2 в активный режим начала ограничения, а полное ограничение тока произойдет при падения напряжения на RS всего лишь немногим более 0.05 В. Понятно, что изменением этих резисторов можно будет изменять порог ограничения тока. И это будет удобнее, чем подбирать величину RS.

Рисунок 4. Принципиальная схема ограничителя
тока со сниженным падением напряжения
на резистивном датчике.

Новая редакция принципиальной схемы ограничителя, уже с учетом изложенных соображений, представлена на Рисунке 4. Его макет для испытаний был выполнен с сохранением деталей устройства предыдущей версии с изменением сопротивления RS на 0.2 Ом, а установленные дополнительные резисторы R2 и R3 имеют значения, соответственно, 680 Ом и 15 кОм. Условия проведения испытаний и измерений сохранены теми же, что и ранее.

Основные результаты испытаний, как следует из представленных графиков (Рисунок 5), сводятся к следующему. Как и ранее, ток короткого замыкания устройства составляет 0.5 А. Точнее, реально при указанных значениях резисторов R2, R3, он составил 0.48 А, но это значение было скорректировано включением последовательно с R3 дополнительного переменного резистора. Что касается максимального значения падения напряжения на датчике RS, то оно упало пропорционально уменьшению величины установленного RS и составило всего около 0.1 В. График падения напряжения на регулирующем транзисторе, по сравнению с аналогичным параметром предыдущей схемы, в общем, сохранил свои черты, хотя и несколько изменился. Так, например, следует обратить внимание на то, что в этот раз область резко нелинейного роста падения напряжения на проходном транзисторе сместилась в диапазон 0.4 — 0.5 А, а в остальной – растет практически линейно. Из этого следует, что определенный резерв по снижению падения напряжения на датчике тока RS еще есть.

Рисунок 5. Зависимость падения напряжения на RS и
проходном транзисторе VT1.

Как уже отмечалось, незначительная коррекция тока ограничения в этой конструкции была проведена изменением сопротивления R3, но когда требуется его значительное изменение, удобнее пользоваться R2. При расчете его величины целесообразно предварительно задаться величиной максимального падения напряжения VSM на датчике тока RS в режиме ограничения. В принципе, это значение может быть любым из интервала от 0 до 0.6 В. Но нужно иметь в виду, что с его уменьшением ухудшается температурная стабильность предложенного решения. Так при VSM = 0.6 В температурный коэффициент зависимости изменения предела ограничения тока в области комнатных температур не превышает значения 0.2% на градус, а при VSM = 0.1 В этот показатель возрастает уже до 1.5% . Эта величина в ряде случаев может оказаться еще приемлемой, и ее условно можно принять за нижнюю границу интервала допустимых значений VSM, верхняя же будет обусловлена максимальным падением напряжения на базе транзистора VT2 в режиме ограничения тока. Если для расчета выбрать VSM равным 0.15 В, то из этого условия при заданном токе ограничения IM, например, 1.5 А, определится величина

Далее, допустив, что в режиме ограничения сумма падений напряжения на RS и R2 будет равняться 0.6 В, как это следует из результатов предшествующих измерений (Рисунок 3), получим уравнение:

из которого следует, что

При VВХ = 12 В и R3 = 15 кОм получаем, что R2 = 0.58 кОм.

При необходимости этим резистором, если его заменить на переменный, можно будет оперативно менять ток ограничения в значительных пределах, что, правда, будет сопровождаться изменением величины максимального падения напряжения VSM и соответствующего ему изменения температурного коэффициента нестабильности.

Подводя итог обсуждению вопроса о конструкции простого ограничителя тока (Рисунок 4), можно сделать вывод о том, что изменения, внесенные в структуру прототипа (Рисунок 1), в конечном итоге, позволили снизить потери напряжения на нем до десятых долей вольта. Следует также добавить, что его работа выборочно была проверена и в других режимах, не отраженных в статье. В частности, при токах ограничения в диапазоне от 10 мА до 5 А и входных напряжениях 7, 12 и 20 В. Для адаптации к этим условиям изменялись лишь значения RS ( 0.05, 0.2 и 1.2 Ом), а для задания тока ограничения в качестве R2 использовался переменный резистор на 1 кОм, сопротивление которого устанавливалось в соответствии с расчетом по (2). Все остальные элементы, включая и транзисторы, оставались прежними.

Источник