Простейшая, дешевая, быстрая и минимальная по размеру схема ограничения тока с низким сопротивлением в нормальном состоянии

У меня есть цифровой выход, управляемый драйвером верхнего плеча с номинальным напряжением 24 В постоянного тока. Ток нагрузки обычно ниже 100 мА. Выход контролируется, поэтому я могу быстро отключить его, если обнаружу короткое замыкание на стороне нагрузки. Проблема в том, что сам драйвер не защищен и при коротком замыкании он сильно дымит. Итак, что мне нужно, это простая схема на выходе драйвера, которая:

  • имеет низкое сопротивление ниже 10 Ом, если выходной ток ниже 100 мА
  • быстро увеличивает свое сопротивление, чтобы ограничить ток драйвера на уровне 500 мА или ниже
  • выдерживающая способность при токе короткого замыкания должна быть не менее 20 мс для обнаружения короткого замыкания и отключения драйвера
  • имеет рабочее напряжение 50В или выше
  • имеет минимум компонентов и дешев (максимум 0,20$ за канал)
  • не является единым поставщиком

Я пробовал переустанавливаемые полифузы PTC, но они слишком медленные. FP0100 от Microchip должен быть хорошим, но он дорогой (мне нужно как минимум 60 каналов на моей печатной плате). Серия Bourns TBU тоже неплохая, но и дорогая.

Любые другие варианты?

ОБНОВЛЕНИЕ1. Моя текущая выходная схема - MIC2981/82, управляемая сдвиговым регистром 74HC594. На каждом выходе у меня Littelfuse 1206L012 PTC. На моей плате мне нужно 64 таких канала, и это плата небольшой серии, поэтому важны общая цена за канал и занимаемая площадь.

Сколько напряжения вы готовы потерять?
Это за одну работу? или большая громкость?
Это похоже на типичное применение переключения на стороне высокого напряжения, встречающееся в блоках ECU и PLC. Только ваш рейтинг 50 В исключает почти все переключатели на рынке (кроме BTS4140N), можете ли вы уточнить это?
Можете ли вы показать нам схему вашей цепи драйвера верхнего плеча?
Какой у вас ток короткого замыкания? Около 140 мА PTC отключается за 8 мс при 8А. Что на самом деле курил? Водитель? Если так, то это решение.
Вы можете сделать отключение PTC очень быстрым, если прикрепите ломик SCR к выходу. Контролируйте ток с помощью шунтирующего резистора и усилителя измерения тока. Если ток превысит порог, сработает SCR. Если падение напряжения на шунте неприемлемо, используйте датчик тока Холла (ACS 711 или аналогичный).
Да, я думаю, что это проблема XY. Вы действительно должны опубликовать всю схему драйвера. Возможно, есть лучший способ получить то, что вам нужно.
Это определенно проблема XY с методом измерения RTD, не имеющим надлежащего ограничения активного тока и использующим вместо этого переключатель напряжения. Вероятно, также используется метод 2 проводов вместо 3 или 4 проводов. Вопрос требует полного раскрытия требований RTD с отсутствующими обязательными и хорошими характеристиками = Y , а не как защитить от короткого замыкания 60 драйверов дымящегося напряжения? = Х

Ответы (6)

Ваш типичный двухтранзисторный ограничитель тока может быть вашим лучшим выбором. Ниже показаны версии с верхней и нижней стороной.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Обратите внимание, что в этой схеме есть штраф в виде падения напряжения.

Купите двойные транзисторы в одном 6-контактном корпусе.

Небольшой резистор заставит ток сворачиваться, когда он достигает Vbe. Другой резистор задает ток базы, и его необходимо рассчитать для обеспечения достаточного тока коллектора с учетом Hfe.

ОДНАКО: Имейте в виду, что транзистор должен выдерживать несколько ватт на время короткого замыкания, поскольку он ограничивает ток только до вашего порогового значения.

2-е это. Я просто включаю такую ​​конструкцию, чтобы обеспечить защиту от короткого замыкания для внешней цепи RTD. Проходной BJT является SOT223, а смысловой BJT является SOT23.
Еще одна вещь, которую следует учитывать при этом, - это минимальный / максимальный ток, который ваша ожидаемая нагрузка должна потреблять, а также минимальный / максимальный ток, который вы можете позволить себе снизить во время короткого замыкания / неисправности. Вариант бета делает эту топологию весьма восприимчивой к характеристикам устройства, НО пока вы знаете нагрузку и компоненты, все в порядке.
Очень классический. ОП: Обратите внимание на номинальное напряжение!
Я опубликовал ответ, основанный на вашем и посвященный многоканальному использованию. Я хотел бы попросить вас вычитать, пожалуйста!
Моя нагрузка может быть различной - от нескольких светодиодов, потребляющих всего 5 мА, до реле, потребляющих 20-30 мА, которые могут быть параллельны соответствующим переходным процессам. Ваша схема выглядит интересно, спасибо, но состоит из 3 компонентов, что делает площадь немного больше.
@syoma вы не найдете намного меньше, чем это, и это всего на один резистор больше, чем часть микрочипа. Схема NPN также может быть модифицирована для управления резистором смещения от вашей схемы управления, поэтому вам не нужен дополнительный переключатель.
Да. Я понимаю. Я надеялся, что есть какое-то дешевое интегрированное решение, которое мне не хватает.
@syoma, к сожалению, маленькие и дешевые - это своего рода противоречивые требования. Это решение, вероятно, лучшее, что вы можете сделать. Но избавление от MIC2981 может быть компромиссом, с которым вы можете справиться.

Взгляните на микросхемы драйвера верхнего плеча ProFET. Эти устройства дают вам переключаемый привод верхнего плеча с защитой от всевозможных вещей, включая перегрузку по выходному току.

Вы можете легко найти и выбрать ProFET у дистрибьюторов.

Взгляните на BSP752T, который дешев, мал и может управляться напрямую от логики 3,3 В или 5 В.

введите описание изображения здесь

Спасибо. BSP752T стоит 0,9 евро за канал. Это слишком дорого. Его ток составляет 1,2 А, так что это слишком много. Есть ли альтернативы с более низкой стоимостью/более низким рейтингом?
@syoma, пожалуйста :-) Согласно ответу, вы можете выполнить поиск на веб-сайтах дистрибьюторов (например, Digikey, Farnell) для ProFET и посмотреть характеристики по сравнению с местной ценой. Только вы знаете свои расходы и ограничения бизнеса.
Да подойдет. Что меня удивляет, так это то, что для коммутации верхнего плеча практически нет доступных коммутационных массивов, а те, что доступны, очень дороги.
@syoma, цены обычно объясняют спрос на нас. От одного пакета требуется много рассеиваемой мощности при напряжениях и мощности короткого замыкания, на которые вы смотрите, и вам нужен маленький и очень дешевый. Если один канал выйдет из-под его защиты и выйдет из строя, он будет потреблять меньше или совсем не будет, что может быть очень важно в других приложениях. Вы говорите дорого, но не указываете бюджет...? В противном случае потратьте 90 центов/чан и наслаждайтесь преимуществами защиты.
Нашел более дешевый аналог от Infineon - ITS41k0S за 0,5$. Это звучит разумной ценой для него. Это также устранило бы необходимость в PTC, так что я сэкономил пару центов. Чтобы управлять им, мне нужно будет перейти на tpic6c595 или аналогичный.
@syoma, отлично, рад, что это привело к решению. Существует широкий спектр этих деталей под маркой ProFET и другими торговыми марками.

Чтобы опираться на отличный ответ Тревора :

Есть полупроводниковые устройства, которые являются источниками (или приемниками) постоянного тока; многие из них будут внутренне выглядеть точно так же, как схема Тревора (возможно, с добавлением нескольких термокомпенсирующих элементов).

Одно очень простое устройство (приемник постоянного тока с ровно двумя контактами, рассчитанное на напряжение <= 50 В и максимальный/постоянный ток 350 мА) — это NSI50350AD . Я не знаю, что он делает внутри, но в техническом описании он называется «транзистор с автоматическим смещением», так что, скорее всего, это может быть комбинация некоторых биполярных транзисторов, JFET и пары внутренних резисторов.

Теперь ваше ограничение в 50 В действительно мешает — трудно найти встроенные источники тока, которые будут работать при таком напряжении. Для меньших токов может работать JFET с автосмещением, но при 100 мА это будет дорого.

Итак, я бы действительно согласился с решением Тревора, хотя я мог бы порекомендовать несколько вещей:

  • Проверьте, нельзя ли просто увеличить скорость обнаружения неисправностей. Это решило бы проблему.
  • Поскольку (насколько я знаю — поправьте меня, если я ошибаюсь) трудно найти транзисторные массивы (которые вы бы предпочли, если вам нужно уменьшить усилия и место на плате), вы можете потратить немного больше на компонент чем просто NPN для Q4, но сэкономьте на затратах на сборку и размещение, используя устройство с несколькими компараторами в одном корпусе. К счастью, 4-кратные компараторы и 4-кратные операционные усилители стоят около 13 центов при покупке сотнями, так что это примерно 3 цента в операционных усилителях на канал; используйте операционный усилитель/компаратор для сравнения напряжения на резисторе R2 с постоянным опорным напряжением (здесь может подойти простой стабилитрон) и для управления Q3. Обратите внимание, что вам больше не нужен R3 для каждого отдельного канала. (то же самое относится к подходу верхней стороны с Q5/Q6)
  • Используйте массивы резисторов вместо отдельных резисторов, если позволяет тепловая конструкция.

Другим относительно безумным подходом было бы использование резистора 8,2 Ом на стороне высокого напряжения перед нагрузкой. После этого вставьте делитель тока между вашей нагрузкой и стороной светодиода оптрона с транзисторным выходом с соответствующим последовательным сопротивлением. Спроектируйте это последовательное сопротивление так, чтобы для 100 мА я Нагрузка Транзистор находится в насыщении, но для 500 мА, вы значительно слабее. Поместите CE выхода оптопары последовательно с вашей нагрузкой:

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Дешёвым кандидатом на оптопару будет Lite-On за 17 юаней .

Выглядит интересно...
По сути, моя идея заключалась в том, чтобы не защищать драйвер сам по себе, а просто поддерживать его в рабочем состоянии, пока я не обнаружу SC и не отключу выход. Ограничение токового драйвера в том, что он не насыщается при больших токах и не ломается. Итак, моя другая глупая идея - взять что-то вроде tpic6c595 и транзистора PNP для верхней стороны (например, PBSS9110T). Он может выдержать ток до 3 ампер в течение короткого времени, достаточно долго, чтобы сработала защита.
Можете ли вы объяснить, как верхняя схема ограничивает ток? я не понимаю
Этот пример просто демонстрирует измерение тока со сверхнизким значением Vdrop. Очевидно, что это не полное решение и даже не практическое решение с 60 каналами. Я удалю это.
Это переключатель нижнего плеча — существует множество доступных альтернатив. К сожалению, мне нужна высокая сторона.
Хорошо, тогда используйте ITS4880R. это 3/8 стоимости порта по сравнению с BSP752T

Вот основная идея схемы SCR. Возможно, придется добавить резистор последовательно с PTC1, чтобы получить правильное значение сопротивления. Суммарное сопротивление, параллельное соединению база-эмиттер транзистора Q1, определяет ток срабатывания. Как только транзистор Q1 начнет проводить ток, сработает SCR, а затем нагрузка будет защищена до тех пор, пока не сработает PTC. Q1 может быть SOT-23. R3 и R4 просто предположения. Они нужны только для того, чтобы предотвратить повреждение Q1 перегрузкой по току. Большинство SCR довольно большие. Я позволю вам посмотреть, сможете ли вы найти достаточно маленький, чтобы удовлетворить ваши потребности.

Примечание. После срабатывания SCR вам, вероятно, придется обесточить источник питания, прежде чем он перестанет тянуть рельс вниз.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Я собирался предложить последовательную схему с двумя транзисторами, но Trevor_G уже отлично с этим справился.

Вместо этого я подумал, что стоит пересмотреть вариант предохранителя PTC. Вы говорите, что они были слишком медленными, но это говорит о том, что вместо этого у вас может быть предельная конструкция блока питания.

Рассмотрим Littelfuse RXEF017. Хотя для отключения при 500 мА может потребоваться 8 секунд, наверняка это достаточно низкий ток, чтобы ваша защита от короткого замыкания успела сработать? При токе 2 А время срабатывания составляет <0,2 с, что не так много энергии в системе 24 В. На самом деле точка плавкого предохранителя должна быть наиболее восприимчивым компонентом в цепи к току, поэтому немного беспокоит то, что что-то еще может испустить дым перед предохранителем.

Я просто боюсь, что вы приложите усилия, чтобы ограничить ток узким окном ниже 500 мА, а затем обнаружите, что другие вещи становятся маргинальными, потому что они не могут потреблять достаточный пусковой ток для зарядки конденсаторов или возбуждения импульса или чего-то еще.

Нет. Как я писал в своем вопросе, я использовал Littelfuse 1206L012 PTC. Когда я наблюдал с помощью осциллографа, что происходит на выходе моего драйвера, когда происходит короткое замыкание, я видел, что на PTC происходит падение напряжения около 10 В, предполагая, что у меня есть ток около 3-4 ампер в это время. К сожалению, остальные мои 24 вольта падают на драйвер, который слишком сильно его нагревает.
Хорошо. Это еще более консервативный предохранитель, чем тот, который я оценил, поэтому, если его все еще недостаточно для защиты вашего водителя, вам придется принять более решительные меры. Возможно, драйвер слаб, но, возможно, вам не повезло, и PTC вызвал частичное короткое замыкание драйвера, которое было достаточно сильным, чтобы повредить драйвер, но слишком слабым, чтобы быстро перегорел предохранитель.
Такие предохранители PTC просто слишком медленные, чтобы защитить от коротких замыканий. Я проверил, что в течение первых миллисекунд он не увеличивает свое сопротивление значительно. В моей конструкции PTC выступает в качестве основной защиты от перегрузки — драйвер имеет ограничение постоянного тока 100 мА на канал.
@syoma, тогда виноват ваш выбор конструкции CC, а не короткое замыкание. что это такое? Это можно сделать со встроенным SCP
Простейшая, дешевая, быстрая и минимальная по размеру схема ограничения тока с низким сопротивлением в нормальном состоянии
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v