Переключатель нагрузки с самовозвращающимся размыкателем цепи
Изображенная на Рисунке 1 простая схема переключателя нагрузки с ограничением тока, вероятно, хорошо знакома многим читателям. В этой схеме высокий уровень сигнала, приложенного к входу, открывает MOSFET Q2, через который получает питание нагрузка. Ток нагрузки ограничивается цепью отрицательной обратной связи, замыкающейся через транзистор Q1.
Рисунок 1.
Простой линейный ограничитель тока.
В большинстве приложений ток, текущий через R2 в базу Q1, по сравнению с током нагрузки IL будет очень небольшим, поэтому напряжение VCS, падающее на токоизмерительном резисторе RCS, примерно равно напряжению VBE между базой и эмиттером Q1. Следовательно
Сопротивление резистора RCS выбрано таким, чтобы ограничить ток нагрузки максимальной величиной, определяемой выражением
где VBE(ON) – напряжение база-эмиттер, необходимое для открывания транзистора Q1. При комнатной температуре VBE(ON) ≈ 650 мВ. Например, взяв RCS = 3.3 Ом, мы установим ток IL(MAX) на уровне порядка 200 мА.
При нормальных, «неаварийных» условиях, когда ток IL находится в допустимых пределах, напряжение VBE слишком мало, чтобы включить Q1, и MOSFET Q2 остается полностью открытым сигналом высокого уровня, приложенным к его затвору через резистор R1. В такой ситуации ток нагрузки определяется в основном сопротивлением нагрузки и напряжением питания VS. Однако если IL приближается к IL(MAX) вследствие нарушения нормальной работы, Q1 начинает проводить ток, уменьшая напряжение затвор-исток транзистора Q2 до уровня, при котором ток нагрузки поддерживается примерно постоянным и равным
Этот линейный ограничитель тока весьма эффективен в приложениях, где IL(MAX) и напряжение питания не очень велики. Но способность схемы ограничивать ток нагрузки на безопасном уровне определяется допустимой мощностью рассеяния Q2. Например, если с помощью соответствующего выбора RCS ток IL(MAX) установлен равным 400 мА, и если VS = 12 В, то при коротком замыкании нагрузки на транзисторе Q2 будет рассеиваться мощность почти 5 Вт. Однако для поддержания температуры перехода на безопасном уровне одного тока выбора Q2 с подходящей мощностью будет недостаточно, и потребуется дополнительный теплоотвод. Выбор бóльших значений IL(MAX) и/или VS только усугубил бы эту проблему.
Между тем, добавив всего пару недорогих компонентов, вы можете превратить схему в эффективный ограничитель тока без каких-либо проблем, связанных с рассеиваемой мощностью. Предлагаемая в статье схема изображена на Рисунке 2 и работает как размыкатель с фиксацией.
Рисунок 2.
Переключатель нагрузки с защитным размыкателем цепи.
Чтобы понять, каким образом работает эта схема, представим себе, что напряжение на выводе ВХОД имеет высокий уровень, транзистор Q2 открыт, и через нагрузку протекает нормальный ток. При таких условиях падение напряжения на RCS меньше, чем VBE(ON), и Q1, соответственно, закрыт. Любой незначительный ток утечки коллектора Q1 отбирается из базы Q3 через резистор R3, вследствие чего напряжение на переходе база-эмиттер PNP транзистора ограничено до нескольких милливольт или меньше, и удерживает Q3 в закрытом состоянии. Величина поступающего в нагрузку тока остается в пределах нормальных границ, оба транзистора Q1 и Q3 закрыты и не оказывают влияния на Q2.
Так же, как и в случае простой схемы ограничителя тока (Рисунок 1), аварийный рост тока нагрузки увеличит падение напряжения на RCS до уровня, превышающего необходимые для открывания Q1 650 мВ. При этом дополнительный транзистор Q3 совместно с Q1 образует структуру, подобную тиристору. Когда Q1 включается, он инжектирует ток в базу транзистора Q3, который, в свою очередь, полностью открывается, отдавая еще больше тока в базу Q1. Такая положительная обратная связь, определяющая взаимодействие Q1 и Q3, гарантирует, что оба транзистора будут открыты быстро и полностью.
Резистор R2 необходим для того, чтобы бóльшая часть тока коллектора Q3 гарантированно текла в базу Q1, эффективно изолируя коллектор Q3 от относительно низкого сопротивления RCS. При полностью открытых транзисторах Q1 и Q3 напряжение на затворе Q2 относительно шины 0 В мало, и в типичном случае составляет 800 мВ или около того. Поскольку для включения большинства N-канальных MOSFET требуется напряжение затвор-исток по крайне мере 2 В, Q2 теперь быстро закроется, и ток нагрузки, а также падение напряжения на RCS, упадут до нуля. Но, так как Q1 и Q3 включены, MOSFET остается выключенным, защищая их от перегрева.
Для сброса размыкателя цепи достаточно просто подать сигнал низкого уровня на вывод ВХОД, вследствие чего входные токи Q1 и Q3 прервутся, и оба транзистора закроются. После повторной подачи высокого уровня на ВХОД нормальная работа схемы восстановится, разумеется, при условии, что причины перегрузки будут устранены. Если же в момент включения аварийный режим нагрузки сохранился, размыкатель цепи немедленно сработает и выключит MOSFET.
Показанные на схеме номиналы резисторов подойдут для большинства приложений. Убедитесь, что сопротивление R1 не слишком мало, в противном случае всякий раз, когда пара Q1 — Q3 защелкивается, через вывод ВХОД будет протекать чрезмерно большой ток. Выбор MOSFET должен основываться в основном на его способности отдавать ток и напряжение, требуемые в конкретной схеме. В качестве Q1 и Q3 можно использовать большинство транзисторов общего назначения, имеющих хороший коэффициент передачи тока.
Характеристики схемы иллюстрирует осциллограмма на Рисунке 3. Сопротивление RCS было выбрано таким, чтобы установить порог срабатывания IL(MAX) = 150 мА, а нагрузка 20 Ом питалась напряжением VS = 5 В. Верхняя осциллограмма показывает сигнал на выводе ВХОД при переходе из 0 в 5 В, на средней показано напряжение на стоке Q2, а внизу – падение напряжения на сопротивлении RCS. Когда уровень сигнала на выводе ВХОД становится высоким, в первый момент происходит включение Q2, и, пока через нагрузку течет ток, напряжение на его стоке начинает опускаться от 5 В к нулю. Однако, поскольку при сопротивлении нагрузки 20 Ом ток нагрузки превышает 150 мА, падение напряжения на RCS быстро преодолевает уровень 650 мВ, и переключатель размыкается.
Рисунок 3.
Осциллограмма, иллюстрирующая поведение схемы: Вверху – ВХОД (5 В/дел.); В середине – сток Q2 (1 В/дел.); Внизу – напряжение на резисторе RCS (500 мВ/дел.).
Схема хорошо работает с такими нагрузками, как реле, светодиоды и подобные им компоненты. Однако, как можно увидеть из Рисунка 3, быстродействие размыкателя цепи очень велико, и для реакции на перегрузку ему требуется всего 150 нс. Вследствие этого электромоторы, лампы накаливания и емкостные нагрузки, создающие повышенные броски «пускового» тока, могут вызывать ложные срабатывания.
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Источник
Электроника для всех
Блог о электронике
Включить-выключить. Схемы управления питанием
С батарейным питанием все замечательно, кроме того, что оно кончается, а энергию надо тщательно экономить. Хорошо когда устройство состоит из одного микроконтроллера — отправил его в спячку и все. Собственное потребление в спящем режиме у современных МК ничтожное, сравнимое с саморазрядом батареи, так что о заряде можно не беспокоиться. Но вот засада, не одним контроллером живо устройство. Часто могут использоваться разные сторонние периферийные модули которые тоже любят кушать, а еще не желают спать. Прям как дети малые. Приходится всем прописывать успокоительное. О нем и поговорим.
▌Механическая кнопка Что может быть проще и надежней сухого контакта, разомкнул и спи спокойно, дорогой друг. Вряд ли батарейку раскачает до того, чтобы пробить миллиметровый воздушный зазор. Урания в них для этого не докладывают. Какой нибудь PSW переключатель то что доктор прописал. Нажал-отжал.
Вот только беда, ток он маленький держит. По паспорту 100мА, а если запараллелить группы, то до 500-800мА без особой потери работоспособности, если конечно не клацать каждые пять секунд на реактивную нагрузку (катушки-кондеры). Но девайс может кушать и поболее и что тогда? Приматывать синей изолентой к своему хипстерскому поделию здоровенный тумблер? Нормальный метод, мой дед всю жизнь так делал и прожил до преклонных лет.
▌Кнопка плюс Но есть способ лучше. Рубильник можно оставить слабеньким, но усилить его полевым транзистором. Например вот так.
Тут переключатель просто берет и поджимает затвор транзистора к земле. И он открывается. А пропускаемый ток у современных транзисторов очень высокий. Так, например, IRLML5203 имея корпус sot23 легко тащит через себя 3А и не потеет. А что-нибудь в DPACK корпусе может и десяток-два ампер рвануть и не вскипеть. Резистор на 100кОм подтягивает затвор к питанию, обеспечивая строго определенный уровень потенциала на нем, что позволяет держать транзистор закрытым и не давать ему открываться от всяких там наводок.
▌Плюс мозги Можно развить тему управляемого самовыключения, таким вот образом. Т.е. устройство включается кнопкой, которая коротит закрытый транзистор, пуская ток в контроллер, он перехватывает управление и, прижав ногой затвор к земле, шунтирует кнопку. А выключится уже тогда, когда сам захочет. Подтяжка затвора тоже лишней не будет. Но тут надо исходить из схемотехники вывода контроллера, чтобы через нее не было утечки в землю через ногу контроллера. Обычно там стоит такой же полевик и подтяжка до питания через защитные диоды, так что утечки не будет, но мало ли бывает…
Или чуть более сложный вариант. Тут нажатие кнопки пускает ток через диод на питание, контроллер заводится и сам себя включает. После чего диод, подпертый сверху, уже не играет никакой роли, а резистор R2 эту линию прижимает к земле. Давая там 0 на порту если кнопка не нажата. Нажатие кнопки дает 1. Т.е. мы можем эту кнопку после включения использовать как нам угодно. Хоть для выключения, хоть как. Правда при выключении девайс обесточится только на отпускании кнопки. А если будет дребезг, то он может и снова включиться. Контроллер штука быстрая. Поэтому я бы делал алгоритм таким — ждем отпускания, выбираем дребезг и после этого выключаемся. Всего один диод на любой кнопке и нам не нужен спящий режим 🙂 Кстати, в контроллер обычно уже встроен этот диод в каждом порту, но он очень слабенький и его можно ненароком убить если вся ваша нагрузка запитается через него. Поэтому и стоит внешний диод. Резистор R2 тоже можно убрать если нога контроллера умеет делать Pull-down режим.
▌Отключая ненужное Можно сделать и по другому. Оставить контроллер на «горячей» стороне, погружая его в спячку, а обесточивать только жрущую периферию.
Выделив для нее отдельную шину питания. Но тут надо учесть, что есть такая вещь как паразитное питание. Т.е. если вы отключите питание, например, у передатчика какого, то по шине SPI или чем он там может управляться пойдет питание, поднимется через защитные диоды и периферия оживет. Причем питания может не хватить для его корректной работы из-за потерь на защитных диодах и вы получите кучу глюков. Или же получите превышение тока через порты, как результат выгоревшие порты на контроллере или периферии. Так что сначала выводы данных в Hi-Z или в Low, а потом обесточивайте.
▌Выкидываем лишнее Что-то мало потребляющее можно запитать прям с порта. Сколько дает одна линия? Десяток миллиампер? А две? Уже двадцать. А три? Параллелим ноги и вперед. Главное дергать их синхронно, лучше за один такт.
Правда тут надо учитывать то, что если нога может отдать 10мА ,то 100 ног не отдадут ампер — домен питания не выдержит. Тут надо справляться в даташите на контроллер и искать сколько он может отдать тока через все выводы суммарно. И от этого плясать. Но до 30мА с порта накормить на раз два.
Главное не забывайте про конденсаторы, точнее про их заряд. В момент заряда кондера он ведет себя как КЗ и если в вашей периферии есть хотя бы пара микрофарад емкостей висящих на питании, то от порта ее питать уже не следует, можно порты пожечь. Не самый красивый метод, но иногда ничего другого не остается.
▌Одна кнопка на все. Без мозгов Ну и, напоследок, разберу одно красивое и простое решение. Его несколько лет назад набросил мне в комменты uSchema это результат коллективного творчества народа на его форуме.
Одна кнопка и включает и выключает питание.
При включении, конденсатор С1 разряжен. Транзистор Т1 закрыт, Т2 тоже закрыт, более того, резистор R1 дополнительно подтягивает затвор Т1 к питанию, чтобы случайно он не открылся.
Конденсатор С1 разряжен. А значит мы в данный момент времени можем считать его как КЗ. И если мы нажмем кнопку, то пока он заряжается через резистор R1 у нас затвор окажется брошен на землю.
Это будет одно мгновение, но этого хватит, чтобы транзистор Т1 распахнулся и на выходе появилось напряжение. Которое тут же попадет на затвор транзистора Т2, он тоже откроется и уже конкретно так придавит затвор Т1 к земле, фиксируясь в это положение. Через нажатую кнопку у нас С1 зарядится только до напряжения которое образует делитель R1 и R2, но его недостаточно для закрытия Т1.
Отпускаем кнопку. Делитель R1 R2 оказывается отрезан и теперь ничто не мешает конденсатору С1 дозарядиться через R3 до полного напряжения питания. Падение на Т1 ничтожно. Так что там будет входное напряжение.
Схема работает, питание подается. Конденсатор заряжен. Заряженный конденсатор это фактически идеальный источник напряжения с очень малым внутренним сопротивлением.
Жмем кнопку еще раз. Теперь уже заряженный на полную конденсатор С1 вбрасывает все свое напряжение (а оно равно напряжению питания) на затвор Т1. Открытый транзистор Т2 тут вообще не отсвечивает, ведь он отделен от этой точки резистором R2 аж на 10кОм. А почти нулевое внутреннее сопротивление конденсатора на пару с его полным зарядом легко перебивает низкий потенциал на затворе Т1. Там кратковременно получается напряжение питания. Транзистор Т1 закрывается.
Тут же теряет питание и затвор транзистора Т2, он тоже закрывается, отрезая возможность затвору Т1 дотянуться до живительного нуля. С1 тем временем даже не разряжается. Транзистор Т2 закрылся, а R1 действует на заряд конденсатора С1, набивая его до питания. Что только закрывает Т1.
Отпускаем кнопку. Конденсатор оказывается отрезан от R1. Но транзисторы все закрыты и заряд с С1 через R3 усосется в нагрузку. С1 разрядится. Схема готова к повторному включению.
Вот такая простая, но прикольная схема. Вот тут еще полно реализаций похожих схем. На сходном принципе действия.
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.
57 thoughts on “Включить-выключить. Схемы управления питанием”
Вопрос новичка. Насколько влияет дребезг контактов на работу этих схем?
Тут все сильно растянуто во времени из-за конденсаторов, так что практически не влияет. Можно просто поставить кондер побольше и все.
«резистор R1 дополнительно подтягивает затвор Т1 к питанию, чтобы случайно он не открылся» Справедливо для любых вышеописанных схем. Особенно, первая, где транзистор усиливает кнопку.
А на первой схеме разве не нужно стянуть затвор на землю? Полевик не будет самопроизвольно переключаться?
Ой, то есть подтянуть к питанию. Там же кнопка замыкает на землю.
Да, там тоже не помешает. Вечером добавлю в картинку резисторы. Не все же обходиться голыми концептами 🙂
Вот статья так статья! Пригодится, спасибо ^^
Традиционное спасибо за сайт =) И нубовский вопрос по питанию: Где можно посмотреть решение, когда устройство по умолчанию работает от батареек (НЕ аккумуляторов), но позволяет подключить себя к внешнему питанию, отрубив при этом батарейное? Просто диод от батареек в сторону потребителя не хочется: и так напруги мало, так еще и диод на себя отъест. А в буферном режиме (вроде так называется, когда аккум параллельно питанию подключен) батарейки вряд ли выживут. Ну и хочется, чтобы схема переключения питания сама не ела батарейки. В принципе напрашивается реле, отключающее батарейки при внешнем питании, но м.б. есть что-то изящнее (и меньше)?
А что переключение в штепселе не достаточно изящное решение? Почти все штекеры имеют контактную группу которая размыкается при втыкании.
Штепсель с переключением — мысль, но.. В разъеме не только питание планируется, а типа 1-wire (т.е. не меньше 3-х линий). Пока не встречал таких доступных с переключением.
Штеккеры для наушников. бывают двух- трех- четырезконтактными. Есть к ним гнезда с размыкаемыми N-1 контактами.(кроме массы).
Думал написать «стаднартное решение», но таки задолбался искать готовую картинку 🙂 Нужен Р-канальный полевик, диод Шоттки и резистор/конденсатор. Ну и внешнее питание должно быть выше, чем у батареек
Спасибо и боюсь, вы меня переоцениваете =) Я правильно понимаю, что речь идет о куске из FET2 и SD4 на схеме по ссылке? Т.е. полевику на затвор подается напруга извне (когда она есть) закрывая его, а диод не дает батарейке питать внешнюю линию (и затвор того самого полевика)?
Да, плюс конденсатор С24. во, красивая картинка из «запасов»: https://yadi.sk/i/A27VeKM33SLsG6
И еще раз спасибо, и на этот раз вопрос по картинке =) DI в http://easyelectronics.ru/upravlenie-moshhnoj-nagruzkoj-postoyannogo-toka-chast-3.html рисовал, что ток идет против защитного диода, а на картинке (и на аналогичных на других ресурсах) везде нарисовано так, как у вас. Как так?
На самом деле полевому транзистору пофигу куда там ток течет через канал. Он двунаправленный. (в отличии от биполярного, где диод образуется на пн переходе). Главное выдержать потенциал Vgs
А кто-нибудь встречал решение на дискретных элементах, реализующие задачу управления питанием одной кнопкой по алгоритму: длинное нажатие — включение, короткое нажатие — отключение? Чтобы точно можно было знать, что отключил условно невидимую нагрузку, а не изменил значение «триггера».
Емкостями и резисторами заряда-разряда можешь менять в некоторых пределах задержки. Диодами их, если что, развязывать.
Ди, ты начал писать? Снова передаешь знания подрастающим поколениям? 🙂
Последняя схема красивая, правда если ею запитывать сильно жрущие цепи, где стоят электролиты по питанию или не дай бог супер пупер конденсаторы, тогда транзистор T2 хрен вырубишь (затвор не сразу потеряет питание), схема не выключится. Можно на выходе диод шоттки влепить, а затвор Т2 прижать к земле через резистор 10кОм.
Есть ещё важная схема силовой автоматики — динисторный включатель так сказать. Часто применяется на мотоциклах с системами зажигания типа CDI и маховичными генераторами. Позволяет осуществлять запуск без АКБ, выделяя всё питание на систему пуска зажигания. Благодаря динистору в затворной цепи главного ключа питания бортовой электроники, оная не включается до запуска двигателя, соответственно оставляет все те крохи электричества, что выдаёт генератор, для зарядки емкостей CDI. Аналогичные схемы видел во многих устройствах с питанием от ненадёжного источника — ветряка, гидрогенератора и т.д.
Там динистор стоит на напряжение питания электроники чтоль?
