只需少量器件的廉价自动复位断路器

2009年07月31日 21:07    贾延安
关键词: 断路器 , 复位
大多数读者都熟悉图1中的限流电路。在这个电路中,负载电流IL的值被限定为IL≈VBE/RS,VBE为基极到发射极电压,RS为灵敏电阻。在正常情况下,基极到发射极电压太小以至于不能将Q1偏置打开,P通道MOSFET Q2的栅极电阻RG将Q2完全偏置打开,只有负载电阻RL和负载电压VL决定负载电流。然而,如果负载电流上升到基极到发射极电压约为0.7V时的值,Q1开始导电并且将Q2的栅极到源极电压VGS降到负载电流基本上与从ILMAXIMUM≈0.7V/RS获取的值持平的电平。




  该线性限流器在最大负载电流或电源电压或两者都相对较小的应用中有效。然而,该电路的传输晶体管耗散的功率限制了该电路的可用性。例如,如果最大负载电流为200mA,电源电压VS为24V,负载短路将耗散大约5W功率到Q2。Q2必须适当地处理该功率,并且可能会需要额外的吸热器将结温保持在一个安全水平。使用最大负载电流或电源电压或两者的更大值会加重这个问题。在许多应用中,处理短路功率耗散的器件的成本、尺寸和重量可能会难以承受。

  然而,通过添加一些廉价器件,可以使电路提供有效限流,而无须担忧功率耗散问题。这样的电路起一个自动复位断路器的作用(图 2a)。同样,在灵敏电压VSENSE=IL×RS的情况下,Q1和RS提供电流监视功能。在这个电路中,Q2既不完全打开也不完全关闭,永远不会偏置到它的线性区。因为Q1的基极电流在正常情况下很小,基极电阻RB的压降也很小,这样基极到发射极电压约等于灵敏电压。



  要想了解电路如何作业,可以假设负载电压起初很低,基极到发射极电压低于0.7V。在这些情况下,Q1是关闭的,计时电容器C1仍没有充电,而施密特逆变器IC1的输入电压VIN为0V。这样,IC1的输出电压约为5V,将Q3偏置打开,因此这也通过R4为Q2提供了栅极偏置,允许电流从电源电压通过灵敏电阻和Q2的导通电阻流入负载。

  如果现在负载电流因故障上升到基极到发射极电压约为0.7V时的水平,Q1打开并且它的集电极电流迅速向C1充电。输入电压快速上升至施密特逆变器的上限电压VTU,这时IC1的输出下降,导致Q3和Q2关闭。现在,负载电流降至 0A,基极到发射极电压降至0V,导致Q1被关闭。现在,C1开始通过R1和R2放电,输入电压缓慢降至施密特逆变器的下限电压值VTL。这时,IC1的输出再次上升,Q3和Q2打开,断路器自动复位。该程序将不断重复,直至解决该故障。

  电路的波形显示输入电压和负载电压之间的关系(图2b)。因为只在Q2打开的时候,负载电流才流入Q2,Q2耗散的平均功率与占空度成正比:PAVG∝tON/(tON+tOFF),PAVG为平均功率,单位为W,tON为打开时间,tOFF为关闭时间。假设C1、R1和R2设置了足够大的时间常数,正常情况下,关闭时间比打开时间要大得多,Q2的功耗则会很低。和线性限流器一样,灵敏电阻设置断路器的电流限制:ILMAXIMUM≈0.7V/RS (A)。

  R1和R2组成一个分压器。该分压器保证输入电压永远不超过IC1的最大输入电压。当Q1为完全打开时,选择输入电压值为5V或更低,C1的电压大致和电源电压相等。并且选择大到可以提供一个大时间常数的值,而无须一个非常大的C1值。晶体管Q1的选择并不关键,但应该选择一个有良好电流增益的器件,并确保它的最大集电极到发射极电压比电源电压高。在为Q2选择P通道MOSFET时,请记住当将它偏置关闭时,所选MOSFET必须能承受全部电源电压。所以,请确保最大漏极到源极电压比电源电压高。当为灵敏电阻选择值时,请确保基极到发射极电压在负载电流的最大正常值时低于0.5V。

  呈现大冲击电流的负载(如白炽灯、电容负载和电机)会导致断路器跳闸。可以通过添加电容器CX、二极管DX和电阻RX来避免这些问题。在通电情况下,CX起初未充电,并通过DX将输入电压降为0V。这一行为避免了断路器跳闸,直到冲击电流减弱。CX和RX决定延迟,这之后CX的电压最终升到电源电压,DX变为反向偏置,断路器可以自由地向瞬间过流故障做出回应。请准备用CX和RX的值做试验,以便得到正确的延迟时间。10mF和1 MΩ分别是良好的起点。
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