У більшості поширених обмежувачів струму падіння напруги занадто велике для сучасних низьковольтних систем. У статті пропонується схема з дуже незначним падінням напруги, більшою мірою відповідає сьогоднішнім вимогам.
Дуже часто виникає необхідність обмеження струму джерела живлення, для чого, як правило, використовуються пристрої, що складаються з датчика струму, схеми управління і прохідного транзистора. Датчиком струму може служити простий низькоомним резистор. Оскільки падаюче на ньому напруга пропорційно току навантаження, це напруга можна використовувати для управління струмом, що йде через прохідний транзистор.
Приклад такої схеми обмежувача з низькоомним резистором RSENSE в якості датчика струму показаний на рисунку 1 [1]. До тих пір, поки падіння напруги на резисторі менше приблизно 0.6 В, відкритий тільки транзистор T1. Як тільки струм навантаження досягає значення, при якому напруга на RSENSE перевищує 0.6 В, відкривається транзистор T2. Струм бази T1, керований транзистором T2, зменшується і, як наслідок, струм емітера T1 падає.
Простий, повсюдно використовується обмежувач струму
складається з струмовимірювальні резистори (як правило,
низкоомного), схеми управління і прохідного транзистора.
Однак ця проста схема має серйозний недолік, обумовлений падінням напруги на елементах пристрою. В активному режимі обмежувача напруга насичення транзистора T1 становить близько 1 В, а на резисторі RSENSE падає приблизно 0.6 В. Сумарне падіння напруги дорівнює приблизно 1.6 В. Тому, якщо обмежувач підключений до джерела живлення +5 В, навантаженні дістанеться лише близько 3.4 В, що в низьковольтних схемах абсолютно неприйнятно.
Альтернативна схема заснована на регуляторі напруги LM317. використовуваному в режимі обмеження струму. Однак і в цьому випадку на схемі падає близько 2 В. Ще в одній схемі, описаній в [2], в якості прохідного пристрою використовується P-канальний MOSFET, затвор якого управляється посиленим падінням напруги на RSENSE. На цій схемі падає всього 0.6 В.
Обмежувач струму, схема якого показана на рисунку 2, відрізняється дуже низьким падінням напруги і не заважає роботі низьковольтних схем. Схема розрахована на мінімальне вхідна напруга 5 В, а максимальне значення залежить від вибору декількох компонентів. Падіння напруга на струмовимірювальні резистори 0.1 Ом диференційно посилюється мікросхемою IC1. Напруга живлення +5 В подається на мікросхему з регулятора на стабілітроні D1.
Перевагою цієї більш складної схеми обмежувача струму перед
попередньої є набагато більш низьке падіння напруги, що
дуже важливо при роботі з низьковольтними джерелами живлення.
Для можливості зміни порога обмеження струму коефіцієнт посилення мікросхеми регулюється підлаштування резистором R5. Вихід мікросхеми IC1 управляє опором стік-витік низькопорогових MOSFET Q2, а струм стоку Q2 управляє струмом світлодіода оптоізолірованного драйвера MOSFET VOM1271.
При невеликому струмі навантаження падіння напруги на RSENSE мало, і вихідна напруга IC1 залишається нижчим, ніж поріг включення транзистора Q2. В результаті через світлодіод драйвера MOSFET протікає струм, що створює на його виході напруга близько 8 В - досить висока для того, щоб повністю відкрити транзистор Q1. Коли струм навантаження досягає значення, при якому відкривається транзистор Q2, напруга затвор-витік транзистора Q1 падає, і струм навантаження зменшується.
Схема випробовувалася з джерелом живлення +12 В і потужним 100-омним змінним резистором в якості навантаження. За допомогою підлаштування резистора R5 поріг обмеження струму був встановлений на рівні трохи вище 1 А. В процесі плавного зменшення опору навантаження від максимального значення вимірювалися напруги на Q1, RSENSE і навантаженні (Малюнок 3). Для струмів навантаження від 0.25 А до 1.3 А падіння напруги на транзисторі Q1 і на Q1 + RSENSE становили 0.09 В і 0.235 В, відповідно.
Зміни падіння напруги на навантаженні, на транзисторі Q1 і
на Q1 + RSENSE в залежності від струму навантаження мають
щодо плоский характер.
При максимальному струмі навантаження 1.3 А на резисторі RSENSE падає 0.145 В, що вносить істотний внесок в загальне падіння напруги. Щоб знизити падіння напруги ще більше, потрібно зменшити опір резистора RSENSE. Збільшений по вертикалі масштаб дозволяє побачити характер залежності падіння напруги на транзисторі Q1 і на Q1 + RSENSE від струму навантаження (Малюнок 4). Коли струм навантаження перевищує встановлений поріг, схема перемикається в режим прогресуючого обмеження струму.
Збільшений по вертикалі масштаб напруг на транзисторі Q1 і
на Q1 + RSENSE дозволяє більш чітко побачити дію
прогресуючого обмеження струму, що відбувається, коли струм
навантаження перевищує встановлений поріг.
Цей обмежувач струму призначений для використання в низьковольтних додатках починаючи з +5 В. Для розширення діапазону вхідних напруг резистор R6, що обмежує струм через стабілітрон, можна замінити стабілізатором постійного струму і вибрати транзистор Q1 з бóльшим значеннями допустимої напруги і струму. Повністю зібраний обмежувач можна помістити в корпус і використовувати його як трехвиводное пристрій (Малюнок 5).
Незважаючи на внутрішню складність, повну схему обмежувача
можна розглядати як трехвиводное пристрій.