Модуль ограничения тока с дополнительной функцией, для защиты электронных цепей от превышения допустимого тока предохранители часто оказываются недостаточно быстродействующими. В таких случаях также необходим ограничитель тока с малым временем срабатывания. В данной статье описывается модуль для токов в диапазоне нескольких ампер, который также обеспечивает быстрое переключение подключенной нагрузки.
Электронные ограничители тока обычно основаны на шунтирующем резисторе, через который протекает ток нагрузки. Если падение напряжения на этом резисторе, пропорциональное току, достигает значения, достаточного для открытия транзистора (приблизительно 0,7 В) или равного напряжению опорного элемента с зоной (1,25 В), схема ограничения активируется. Последовательный транзистор обычно регулирует выходное напряжение, надежно предотвращая дальнейшее увеличение тока нагрузки.
Примеры таких схем можно найти в интернет или соответствующей литературе. Недостатком является относительно высокое падение напряжения на шунтирующем резисторе, возникающее при токах чуть ниже максимального значения. Это падение напряжения становится незначительным при низком рабочем напряжении, например, 12 В или даже 5 В, а также возникающие при этом рассеиваемая мощность и тепловыделение. Для универсального модуля ограничения тока, который можно легко подключить практически к любой нагрузке постоянного тока, желательно падение напряжения, близкое к нулю.
В схеме, представленной на рисунке, в качестве последовательного транзистора VT1 используется p-канальный МОП-транзистор. Этот тип транзистора практически полностью открыт даже при напряжении затвор-исток UGS = -4 В. Микросхема IC2, выполняющая функцию компаратора, имеет характеристики, близкие к напряжению питания, что обеспечивает очень простую схему включения. Она также работает при напряжении 4 вольта. Её низкое сопротивление источнику питания обеспечивается источником опорного напряжения IC1, который обеспечивает стабильное напряжение 4,1 В при токе шунта 100 мкА. Для микросхемы IC2 также требуется рабочий ток 100 мкА, поэтому вся схема потребляет не менее 200 мкА.
Таким образом, при R1 = 2,2 кОм модуль работает при UE ≥ 4,5 В. Максимально допустимое напряжение UE = 30 В ограничено напряжением сток-исток транзистора VT1. При UE = 30 В и R1 = 2,2 кОм через источник опорного напряжения IC1 будет протекать ток 11,7 мА, что значительно больше, чем необходимо для работы. Поэтому рекомендуется увеличить номинал резистора R1 или включить последовательно резистор при входных напряжениях, значительно превышающих 4,5 В. При UE = 12 В достаточно резистора сопротивлением 10–20 кОм.
Принцип работы модуль ограничения тока с дополнительной функцией достаточно прост, делитель напряжения R2, R3 делит напряжение 4,1 В, снимаемое с микросхемы IC1, в соответствии с R3/(R2 + R3), то есть до 16 мВ при R3 = 3,9 кОм. При токах нагрузки менее 1,6 А падение напряжения на шунте R4 сопротивлением 10 мОм составляет менее 16 мВ, и напряжение на выходе микросхемы IC2 (вывод 1) снижается, после чего транзистор VT1 управляется напряжением UGS ≈ -4,1 В. Его сток-исток теперь имеет низкоомное сопротивление со значением RDS On ≈ 14 мОм.
Вместе с резистором R4 модуль имеет вносимое сопротивление около 24 мОм, поэтому неизбежное падение напряжения остаётся минимальным – при ILoad = 1 А оно составляет всего 24 мВ. Если ток нагрузки превышает значение Imax ≈ 4,1 В · R3/(R2 · R4), вывод 1 микросхемы IC2 переходит в состояние высокого логического уровня, и транзистор VT1 блокируется. Если нагрузка на выходе схемы слишком мала, или короткое замыкание, устанавливается стабильный ток Imax. На модели модуля с резистором R3 = 3,9 кОм был измерен Imax = 1,6 А. Тогда рассеиваемая мощность на резисторе R4 составляет 26 мВт в соответствии с PVR4 = R4 · Imax2.
Увеличение R3, например, до 27 кОм установит ограничение тока Imax = 10,8 А при PVR4 = 1,16 Вт на R4. Чтобы уменьшить падение напряжения на R4 и, следовательно, PV R4, можно выбрать меньшее значение для R4 в качестве альтернативы увеличению R3. Напротив, при очень низких значениях Imax целесообразно увеличить сопротивление R4, чтобы падение напряжения, служащее измеряемой величиной, оставалось большим по сравнению с входным напряжением смещения IC2 (максимум 1,5 мВ).
Рассеиваемая мощность на транзисторе VT1 обычно пренебрежимо мала при 14 мОм Iload2 в нормальном режиме работы (ILoad <Imax), но достигает значений рассеиваемой мощности VT1 = UE · Imax в случае перегрузки или короткого замыкания. Монтаж транзистора VT1, а следовательно, и всего модуля, на металлической стенке корпуса или на радиаторе крайне важен. Однако, поскольку крепеж транзистора VT1 находится под потенциалом стока, монтаж должен быть изолирован слюдяной прокладкой с изолирующей втулкой.
При работе в качестве ограничителя тока вывод заземления модуля должна быть постоянно подключена к отрицательному проводу, что соответствует замкнутому выключателю S1 на схеме. Как уже выше говорилось, R3 и, при необходимости, R4 должны быть выбраны в соответствии с требуемым током Imax. Конденсатор CE, например, используемый в качестве сглаживающего электролитического конденсатора после выпрямителя, может быть достаточно большим (≥1000 мкФ), поскольку накопленный в нём заряд не представляют угрозы для нагрузки в случае неисправности.
Для конденсатора CA (смотрим схему)предпочтительны меньшие значения, например, 47 мкФ, включенный параллельно с керамическим C1. Заряд, содержащийся в конденсаторе CA, всё ещё больше, чем тот, который может пройти через модуль при коротком замыкании, нагрузочный резистор сопротивлением 1 Ом, кратковременно подключённый к выходу при входном напряжении 25 В с помощью ключевого транзистора для испытаний, допускал протекание тока 22 А в течение приблизительно 4 мкс, прежде чем был достигнут ток Imax = 1,6 А, установленный резистором R3. Такой модуль ограничения тока с дополнительной функцией можно использовать для самодельных конструкций. Конечно, это не последняя инстанция и есть много других подобных, но как вариант имеет право использоваться в любительских конструкциях.