Защита от КЗ на полевом транзисторе
Электронный предохранитель на полевом транзисторе
Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.
Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² •R; P = 10 • 10 • 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы. Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье «Защита для зарядных устройств автоаккумуляторов». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1. Она рассчитывалась на ток до 4А.
Схема электронного предохранителя
В данной схеме в качестве ключа использован полевой транзистор с р каналом IRF4905, имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,02 Ом, при напряжении на затворе = 10В.
В принципе этой величиной ограничивается и минимальное напряжение питания данной схемы. При токе стока, равном 10А, на нем будет выделяться мощность 2 Вт, что повлечет за собой необходимость установки небольшого теплоотвода. Максимальное напряжение затвор-исток у этого транзистора равно 20В, поэтому для предотвращения пробоя структуры затвор-исток, в схему введен стабилитрон VD1, в качестве которого можно применить любой стабилитрон с напряжение стабилизации 12 вольт. Если напряжение на входе схемы будет менее 20В, то стабилитрон из схемы можно удалить. В случае установки стабилитрона, возможно, потребуется коррекция величины резистора R8. R8 = (Uпит — Uст)/Iст; Где Uпит – напряжение на входе схемы, Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Iст – ток стабилитрона. Например, Uпит = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ом.
Преобразователь ток — напряжения
В качестве датчика тока в схеме применен резистор R2, чтобы уменьшить мощность, выделяющуюся на этом резисторе, его номинал выбран всего в одну сотую Ома. При использовании SMD элементов его можно составить из 10 резисторов по 0,1 Ом типоразмера 1206, имеющих мощность 0,25Вт. Применение датчика тока с таким малым сопротивление повлекло за собой применение усилителя сигнала с этого датчика. В качестве усилителя применен ОУ DA1.1 микросхемы LM358N.
Коэффициент усиления этого усилителя равен (R3 + R4)/R1 = 100. Таким образом, с датчиком тока, имеющим сопротивление 0,01 Ом, коэффициент преобразования данного преобразователя ток – напряжения равен единице, т.е. одному амперу тока нагрузки равно напряжение величиной 1В на выходе 7 DA1.1. Корректировать Кус можно резистором R3. При указанных номиналах резисторов R5 и R6, максимальный ток защиты можно установить в пределах… . Сейчас посчитаем. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Найдем ток, протекающий через этот делитель: I = U/R = 5А/11000Ом = 0,00045А. Отсюда, максимальное напряжение, которое можно выставить на выводе 2 DA1, будет равно U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B. Таким образом, максимальный ток защиты будет равен примерно 4,5А.
Компаратор напряжения
На втором ОУ, входящем в состав данной МС, собран компаратор напряжения. На инвертирующий вход этого компаратора подано регулируемое резистором R6 опорное напряжение со стабилизатора DA2. На неинвертирующий вход 3 DA1.2 подается усиленное напряжение с датчика тока. Нагрузкой компаратора служит последовательная цепь, светодиод оптрона и гасящий регулировочный резистор R7. Резистором R7 выставляют ток, проходящий через эту цепь, порядка 15 мА.
Работа схемы
Работает схема следующим образом. Например, при токе нагрузки в 3А, на датчике тока выделится напряжение 0,01 х 3 = 0,03В. На выходе усилителя DA1.1 будет напряжение, равное 0,03В х 100 = 3В. Если в данном случае на входе 2 DA1.2 присутствует опорное напряжение выставленное резистором R6, меньше трех вольт, то на выходе компаратора 1 появится напряжение близкое к напряжению питания ОУ, т.е. пять вольт. В результате засветятся светодиод оптрона. Откроется тиристор оптрона и зашунтирует затвор полевого транзистора с его истоком. Транзистор закроется и отключит нагрузку. Вернуть схему в исходное состояние можно кнопкой SB1 или выключением и повторным включением БП.
Недостатком схемы является однополярное питание операционного усилителя, в связи с этим при малых значениях падения напряжения на датчике тока, возникает большая нелинейность коэффициента усиления ОУ DA1.1.
15 комментариев к “Защита от КЗ на полевом транзисторе”
Здравствуйте, Валерий Юрьевич.
Очень толково и доходчиво Вы разъяснили работу компаратора в схеме, методика расчета понятна. Мне требуется реализовать защиту на ток 8,5А, для простоты допустим 9А, при входном напряжении 15В. Просто хочу проверить насколько правильно я понялпорядок расчета єлементов обвязки. Я планирую установить R3 4,7k (3,3k) и R4 47k, чтобы коэффициент усиления составил 50 и коэффициент преобразования получился 0,5. Все остальные элементы схемы останутся прежними. Либо в качестве DA2 установить LM7812 и R5 2,2k, R6 22k. Будет ли работать Ваша схема при такиъ изменениях?
И еще несколько вопросов. Можно ли, в случае реализации схемы на LM7812, заменить делитель R5-R6 источником опорного напряжения на прецизионном стабилитроне Д818?
Можно ли в качестве U1 использовать оптопару PC817 или TLP627? MOC3021?
Заранее благодарен.
Здравствуй, Валерий. "Будет ли работать Ваша схема при таких изменениях? " — ДА будет, а вот оптроны должны быть с тиристорами — тиристоры в данном случае являются защелками. Симисторы тоже должны работать.
Большое спасибо за ответ! Со стабилитроном осталось неясно — почему резисторный делитель предпочтительнее термостабильного стабилитрона? Во всех виденных мной схемах с компараторами в качестве источника опорного напряжения использованы делители. Я не нашел ответа в нескольких статьях и дискуссиях о компараторах, там просто об этом не говорится. Может быть Вы сможете прояснить вопрос?
Заранее благодарен.
Привет, теска. Дело в том, что этот делитель запитан уже от стабилизированного источника на DA2. А коэффициент стабилизации такой микросхемы выше, чем у стабилитрона. Если бы ОУ питался не стаб. напряжением, то в этом случае пришлось применить стабилитрон или иной ИОН.
Спасибо, была такая мысль. Смущает только термостабильность резисторов: зарядные устройства используют, как правило, в гараже, где температура изменяется в очень широких пределах.Соответственно, сильно меняются и номиналы сопротивлений. В одной из Ваших статей есть пример изменения сопротивления рамки измерительного прибора в зависимости от температуры. Меня впечатлило! А у Д818 очень малый коэффициент температурной зависимости напряжения стабилизации. Ну, ладно. Спасибо за разъяснения.
Привет, Валерий. Ну!!! Нельзя сравнивать материалы, из которых изготавливаются резисторы и рамки измерительных приборов. Материалы для резисторов имею очень малый температурный коэффициент сопротивления, иначе, что бы мы не делали, то получали бы термореле.
Здравствуйте, Валерий Юрьевич.
Спасибо, убедили. И куда мне теперь девать мешок Д818?
Привет, Валерий. Из корпусов получаются прекрасные герметичные вводы. Спили часть корпуса — попробуй сделать солнечную батарею, спаяй цепочку и води кота по улице, отдай в кружок. Ты, что не россиянин, что ли, придумай.
Ну да, придумаю что-нибудь. Насчет герметичных вводов — хорошая мысль.
Недостатком схемы ещё являются хрен знает куда подключенные массы DA2 и C2.
Привет, Юрий, не серчай, извиняюсь, схему исправил.
Добрый день. Собрал, данную защиту. Она имеет большое быстродействие срабатывания. Можно ли немного замедлить скорость ее срабатывания, чтобы было как у плавкого предохранителя? Я хочу поставить эту защиту перед импульсным стабилизатором, выходной ток будет до 4А. Но у стабилизатора при включении наблюдается довольно сильный бросок тока и защита от КЗ срабатывает при старте стабилизатора. Может попробовать увеличить ёмкость С3 с 0.1 до 1 мкф? Не хочется делать софтстарт.
Привет,Дмитрий. Можно увеличить и С3, но тогда потребуется введение резистора между выходом DA1.1 вывод 7 и вхадом DA1.2 вывод 3. Но можно увеличить и С1, резистор уже стоит — R1.
Добрый вечер, уважаемый Валерий Юрьевич!
Заинтересовала Ваша схема защиты от КЗ. У меня регулируемый блок питания 1,25 — 30 вольт. Вопрос: будет ли работать данная защита в указанном мной диапазоне напряжений, если я сделаю отдельный источник питания 12 вольт для питания схемы (компараторов). А общие провода этого источника питания 12 вольт и своего лабораторного источника питания соединю?
И какие оптопары лучше применить сточки зрения их экономичности, так как мой источник питания 12 вольт будет ограничен током в 80 мА?
Заранее благодарен за ответ. С уважением, Геннадий Евгеньевич
Привет, Геннадий Евгеньевич. К сожалению данная схема защиты для Вашей схемы не подойдет. Если хотите совета, то загрузите Вашу схему на яндекс диск и дайте мне ссылку. Может что нибудь придумаем. Хотя есть вариант, поставить устройство перед Вашим стабилизатором, тогда отпадает необходимость в использовании еще одного источника питания.