Najprostszy, najtańszy, szybki i minimalny obwód ograniczający prąd o niskiej rezystancji w stanie normalnym

9

Mam wyjście cyfrowe, napędzane przez przetwornik wysokonapięciowy o napięciu znamionowym 24 V DC. Prąd obciążenia zwykle wynosi poniżej 100 mA. Wyjście jest monitorowane, więc mogę go szybko wyłączyć, jeśli wykryję zwarcie po stronie obciążenia. Problem polega na tym, że sam sterownik nie jest chroniony, a zwarcie powoduje, że wytwarza on dużo dymu. Potrzebuję więc prostego obwodu na wyjściu sterownika, który:

  • ma niską rezystancję poniżej 10 Ω, jeśli prąd wyjściowy jest mniejszy niż 100 mA
  • gwałtownie zwiększa swoją rezystancję, aby ograniczyć prąd sterownika na poziomie 500 mA lub niższym
  • wytrzymałość na prąd zwarciowy musi wynosić co najmniej 20 ms, aby można było wykryć zwarcie i wyłączyć sterownik
  • ma napięcie robocze 50 V lub wyższe
  • ma minimum komponentów i jest tani (maks. 0,20 $ na kanał)
  • nie jest pojedynczym dostawcą

Próbowałem resetowalnych PTC polyfuse, ale są one zbyt wolne. FP0100 Microchip powinien być dobry, ale jest drogi (potrzebuję co najmniej 60 kanałów na mojej płytce drukowanej). Bourns z serii TBU są również OK, ale także drogie.

Jakieś inne opcje?

UPD1. Mój obecny obwód wyjściowy to MIC2981 / 82 napędzany przez rejestr przesuwny 74HC594. Na każdym wyjściu mam Littelfuse 1206L012 PTC. Na mojej płycie potrzebuję 64 kanałów tego typu, a jest to płytka z niewielkiej serii, więc ważna jest łączna cena za kanał i ślad.

syoma
źródło
Ile napięcia chcesz stracić?
Trevor_G
Czy to dotyczy jednej pracy? lub wysoki poziom głośności?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
1
Wygląda to na typową aplikację przełączania wysokiej strony, znajdującą się w jednostkach ECU i PLC. Tylko twoja ocena 50 V wyklucza prawie wszystkie przełączniki na rynku (oprócz BTS4140N), czy możesz to rozwinąć?
Jeroen3
1
Czy możesz nam pokazać schemat swojego wysokiego obwodu sterownika?
Bruce Abbott
1
Tak, myślę, że to jest problem XY. Naprawdę powinieneś opublikować cały obwód sterownika. Może być lepszy sposób na uzyskanie tego, czego potrzebujesz.
mkeith

Odpowiedzi:

12

Twój typowy ogranicznik prądu z podwójnym tranzystorem może być najlepszym wyborem. Poniżej pokazano wersje górną i dolną.

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Zauważ, że w tym obwodzie występuje kara około spadku napięcia.

Kup podwójne tranzystory w jednym pakiecie 6-stykowym.

Mały rezystor spowoduje, że prąd zwinie się, gdy osiągnie Vbe. Drugi rezystor ustawia prąd podstawowy i należy go obliczyć, aby wytworzyć wystarczający prąd kolektora z uwzględnieniem Hfe.

JEDNAK: Należy pamiętać, że tranzystor musi wytrzymać kilka watów przez czas trwania zwarcia, ponieważ ogranicza on prąd tylko do wartości progowej.

Trevor_G
źródło
1
2. to. Właśnie wprowadzam taką konstrukcję, aby zapewnić ochronę przeciwzwarciową zewnętrznego obwodu RTD. Podanie BJT jest SOT223, a poczucie BJT jest SOT23
JonRB
Inną rzeczą, którą należy wziąć pod uwagę, jest minimalny / maksymalny prąd, jaki oczekiwane obciążenie ma pobierać, i równie minimalne / maksymalne, na jakie możesz sobie pozwolić, aby zatonąć podczas zwarcia / uszkodzenia. Odmiana wersji beta sprawia, że ​​ta topologia jest dość podatna na charakterystykę urządzenia, ALE dopóki znacie obciążenie i części, wszystko jest w porządku.
JonRB
Bardzo klasyczny. OP: Zwróć uwagę na napięcie znamionowe!
Marcus Müller
1
Opublikowałem odpowiedź, która bazuje na twojej opinii i koncentruje się na wykorzystaniu wielu kanałów. Poproszę cię o korektę!
Marcus Müller
Moje obciążenie może być różne - od niektórych diod LED pobierających zaledwie 5ma do przekaźników, pobierających 20-30ma, które mogą być równoległe z odpowiednimi stanami nieustalonymi. Twój obwód wygląda interesująco, dziękuję, ale ma 3 elementy, dzięki czemu ślad jest trochę duży
syoma
7

Spójrz na wysokiej klasy układy scalone sterowników ProFET. Urządzenia te zapewniają przełączany napęd wysokiego poziomu z ochroną przed wszelkiego rodzaju rzeczami, w tym nadprądem wyjściowym.

Możesz znaleźć i wybrać ProFET wystarczająco łatwo od dystrybutorów.

Spójrz na BSP752T, który jest tani, mały i może być sterowany bezpośrednio z logiki 3,3 V lub 5 V.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

TonyM
źródło
Dziękuję Ci. BSP752T kosztuje 0,9 € za kanał. To jest trochę za drogie. Jego prąd wynosi 1,2A, więc też trochę za duży. Czy są jakieś alternatywy o niższym koszcie / niższej ocenie?
syoma
@syoma, nie ma za co :-) Zgodnie z odpowiedzią możesz przeszukiwać strony internetowe dystrybutorów (np. Digikey, Farnell) w poszukiwaniu ProFET i spojrzeć na charakterystykę w stosunku do ceny lokalnej. Tylko Ty znasz swoje koszty i ograniczenia biznesowe.
TonyM
Tak zrobi. Zastanawiające jest dla mnie to, że w przypadku przełączania high-side prawie nie ma dostępnych tablic przełączających, a te dostępne są bardzo drogie.
syoma
@syoma, ceny zwykle wyjaśniają nam zapotrzebowanie. To wymaga wielu pakietów do przenoszenia dużej ilości mocy przy napięciach i zwarciowej mocy, na którą patrzysz, a chcesz mieć małe i bardzo tanie. Jeśli jeden kanał przejdzie poza jego ochronę i wybuchnie, zajmie mu mniej lub nie będzie go wcale, co może być bardzo ważne w innych aplikacjach. Mówisz dużo, ale nie dajesz budżetu ...? W przeciwnym razie wydaj 90c / chan i ciesz się korzyściami z ochrony.
TonyM
Znalazłem tańszą alternatywę od Infineon - ITS41k0S za 0,5 $. Brzmi rozsądnie. Wyeliminowałoby to również potrzebę PTC, więc oszczędzam kilka centów. Aby go prowadzić, będę musiał zmienić na tpic6c595 lub podobny.
syoma
5

Aby wykorzystać doskonałą odpowiedź Trevora :

Istnieją urządzenia półprzewodnikowe, które są stałoprądowymi źródłami (lub odbiornikami); wiele z nich będzie wewnętrznie wyglądać dokładnie tak jak obwód Trevora (może dodać kilka elementów kompensujących temperaturę).

Jednym bardzo uproszczonym urządzeniem (odbiornik prądu stałego z dokładnie dwoma pinami, zaprojektowany dla napięć <= 50 V i maksymalnego / stałego prądu 350 mA) jest NSI50350AD . Nie wiem, co robi wewnętrznie, ale arkusz danych nazywa to „tranzystorem samobieżnym”, więc są szanse, że może to być kombinacja niektórych tranzystorów bipolarnych, JFET i kilku rezystorów wewnętrznie.

Teraz twój limit 50 V naprawdę boli - trudno jest znaleźć zintegrowane źródła prądu, które będą działać przy tym napięciu. W przypadku mniejszych prądów może działać samowystarczalny JFET, ale przy 100 mA będzie to drogie.

Tak więc naprawdę rzuciłbym się na rozwiązanie Trevora, chociaż mógłbym polecić kilka rzeczy:

  • Sprawdź, czy nie możesz po prostu zwiększyć prędkości wykrywania błędów. To rozwiązałoby problem.
  • Ponieważ (o ile wiem - popraw mnie, jeśli się mylę) trudno jest znaleźć tablice tranzystorowe (które wolisz, jeśli potrzebujesz zmniejszyć wysiłek i miejsce na płycie), możesz chcieć wydać trochę więcej na komponent niż tylko NPN na czwarty kwartał, ale oszczędzaj na kosztach pick & place, używając urządzenia z wieloma komparatorami w jednym przypadku. Na szczęście 4x komparatory i 4x opampy kosztują około 13 ct przy zakupie w setkach, więc to około 3 ct w opampie na kanał; użyj opamp / komparatora, aby porównać napięcie na R2 ze stałym napięciem odniesienia (tutaj mógłby zrobić prosty zener) i sterować Q3. Zauważ, że nie potrzebujesz już R3 dla każdego kanału. (to samo dotyczy podejścia wysokiego poziomu z Q5 / Q6)
  • Zamiast pojedynczych rezystorów należy stosować tablice rezystorów, jeśli pozwala na to konstrukcja termiczna.

jaZaładuj

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Tanim kandydatem na transoptor byłby Lite-On CNY17 .

Marcus Müller
źródło
Wygląda interesująco ...
Trevor_G
Zasadniczo moim pomysłem nie była ochrona sterownika we własnym zakresie, ale po prostu utrzymanie go przy życiu, dopóki nie wykryję SC i nie wyłączy wyjścia. Ograniczeniem obecnego sterownika jest to, że nie nasyca się przy wysokich prądach i przerwach. Więc moim drugim głupim pomysłem jest wzięcie czegoś takiego jak tranzystor tpic6c595 i tranzystor PNP dla high-side (na przykład PBSS9110T). Może przetrwać krótko do 3 amperów, wystarczająco długo, aby uruchomić ochronę.
syoma
2

Ten działa na 0.2 USD / port x16 https://ca.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/MCZ33996EKR2?qs=sGAEpiMZZMuCmTIBzycWfKe9ppy40BrEybgj5eCsa3I%3d wprowadź opis zdjęcia tutaj

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
źródło
1
Czy możesz wyjaśnić, w jaki sposób górny obwód ogranicza prąd? Nie
śledzę
Ten przykład pokazuje tylko bardzo niskie wykrywanie prądu Vdrop. Oczywiście nie jest to kompletne rozwiązanie, a nawet praktyczne z 60 kanałami. Usunę to.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Jest to przełącznik niskiego poziomu - dostępnych jest wiele alternatyw. Niestety potrzebuję wysokiej strony.
syoma
OK, a następnie użyj ITS4880R. jest to 3/8 kosztu na port w porównaniu do BSP752T
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
0

Oto podstawowy pomysł na obwód SCR. Może być konieczne dodanie rezystora szeregowo z PTC1, aby uzyskać odpowiednią wartość rezystancji. Całkowita rezystancja równolegle do złącza podstawowego emitera Q1 ustawi prąd wyzwalający. Gdy Q1 zacznie przewodzić, SCR uruchomi się, a następnie ładunek będzie chroniony aż do zadziałania PTC. Q1 może być SOT-23. R3 i R4 to tylko domysły. Są tylko po to, aby zapobiec nadmiernemu przepięciu w Q1. Większość SCR jest dość duża. Pozwolę ci sprawdzić, czy możesz znaleźć taki, który jest wystarczająco mały, aby spełnić Twoje potrzeby.

Uwaga: po uruchomieniu SCR prawdopodobnie będziesz musiał odłączyć zasilanie, zanim przestanie on ciągnąć szynę.

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

mkeith
źródło
-1

Chciałem zasugerować obwód podwójnego tranzystora, ale Trevor_G już to zrobił.

Zamiast tego pomyślałem, że warto ponownie rozważyć opcję bezpiecznika PTC. Mówisz, że były one zbyt wolne, ale to sugeruje, że zamiast tego możesz mieć marginalny projekt zasilacza.

Rozważ Littelfuse RXEF017. Chociaż zadziałanie 8s może zająć 8 sekund przy 500 mA, to z pewnością jest to wystarczająco niski prąd, aby zabezpieczyć Cię przed zwarciem, aby mieć czas na uruchomienie? Przy 2 A czas zadziałania wynosi <0,2 s, co nie stanowi dużej ilości energii w systemie 24 V. W rzeczywistości celem bezpiecznika jest bycie najbardziej podatnym elementem w obwodzie na prąd, więc trochę martw się, że coś innego może rzucić dym przed bezpiecznikiem.

Obawiam się, że postarasz się ograniczyć prąd do wąskiego okna poniżej 500mA, a potem odkryjesz, że inne rzeczy stają się marginalne, ponieważ nie mogą pobierać wystarczającej ilości prądu rozruchowego, aby naładować czapki lub uruchomić impuls lub coś w tym rodzaju.

Heath Raftery
źródło
1
Nie. Jak napisałem w swoim pytaniu, używałem Littelfuse 1206L012 PTC. Kiedy oglądałem za pomocą Oscyloskopu, co dzieje się na wyjściu mojego sterownika, gdy dochodzi do zwarcia, zauważyłem, że na PTC występuje spadek napięcia około 10V, co sugeruje, że mam w tym czasie około 3-4 amperów prądu. Niestety reszta moich 24 woltów przewraca się nad kierowcą, co zbyt mocno go nagrzewa.
syoma
W porządku. Jest to nawet bardziej konserwatywny bezpiecznik niż ten, który oceniłem, więc jeśli nadal nie wystarczy, aby chronić swojego kierowcę, będziesz musiał podjąć bardziej drastyczne działania. Być może sterownik jest słaby, ale może miałeś pecha, a PTC spowodowało częściowe zwarcie, które było wystarczająco wysokie, aby uszkodzić sterownik, ale zbyt niskie, aby szybko przepalić bezpiecznik.
Heath Raftery
Takie bezpieczniki PTC są po prostu zbyt wolne, aby chronić przed zwarciami. Sprawdziłem, czy w pierwszych milisekundach nie zwiększa to znacząco odporności. W moim projekcie PTC działa przede wszystkim jako zabezpieczenie przed przeciążeniem - sterownik ma stały limit prądu 100 mA na kanał.
syoma
@syoma to twój wybór CC jest winny, a nie zwarcie. co to jest? Można go wykonać ze zintegrowanym SCP
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75