Транзисторный ключ с защитой по току, коммутация "-" Опции

[alux]

Для разрабатываемого датчика необходима схема коммутации нагрузки. Причем нужно коммутировать как "+", так и "-" питания.
Также нужно обеспечить защиту от короткого замыкания в нагрузке на уровне 0.5А. И, естественно, это должно быть простое и дешевое решение.

Нашел два оптимальных решения:
1) электронный предохранитель с использованием ОУ
http://www.computerbooks.ru/books/CAD/Book...%205/Index0.htm

2) статья Л. И. Ридико "Транзисторный ключ с защитой по току".
http://digit-el.com/files/circuits/highsw/highsw.html

Первое проблематично с точки зрения ограничения входного синфазного напряжения (может подскажите недорогой ОУ с напряжением питания +36В, который подходит под эту задачу, наподобие LM353 ?).

Второе, то, что надо.
Вопрос. Будет ли эта схема (Ридико) работоспособной при изменении полярности элементов для коммутации "-" питания?
Схему прикладываю.

В схеме присутствует защита от перенапряжения и переполюсовки питания.
Сигнал включения нагрузки выдает микроконтроллер. В качестве сигнализации срабатывания защиты будет использоваться оптрон.
Есть ли какие замечания по схеме?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Herz]

1) Напряжение затвор-исток включенного P-канального VT6 будет равно примерно 1/3 напряжения питания, т.е. около 12 В. А напряжение затвор-исток включенного P-канального VT6 будет равно примерно 1/2 напряжения питания, т.е. около 17 В.

Здесь нет опечатки?

С учетом замечаний =AK= схема выглядит следующим образом:

Не тот резистор увеличили.

Сообщение отредактировал Herz - May 2 2010, 13:45

[=AK=]

Здесь нет опечатки?

Есть. Должно быть:
1) Напряжение затвор-исток включенного P-канального VT6 будет равно примерно 1/3 напряжения питания, т.е. около 12 В. А напряжение затвор-исток включенного N-канального VT9 будет равно примерно 1/2 напряжения питания, т.е. около 17 В.

Где вы видите 1/3 напряжения питания на затворе?
В обеих случаях при открытом транзисторе на затворе будет 1/2 питания.

Для P-канального Uзи=Vcc*(R8||R14)/(R16+(R8||R14))

Индикацию срабатывания защиты в оригинальной статье предлагалось сделать по-другому, даже проще. Непонятно, зачем Вы попытались пойти другим путём.

Это как раз понятно. В статье использовались полевики с пороговым не менее 2 В, поэтому они надежно закрывались даже со светодиодом в коллекторе транзистора защиты. А топикстартер использовал полевики с пороговым 1 В, в силу чего светодиод там ставить уже нельзя

[alux]

Для P-канального Uзи=Vcc*(R8||R14)/(R16+(R8||R14))

Где вы видите параллельное соединение R8, R14 ? R14 ограничивает ток базы VT8.
Повторяю, при открытом VT12 на затворах будет приблизительно половина питания.

По большому счёту - нет, как и в транзисторах VT7, VT14. Они вряд ли когда-нибудь откроются.

Но они все же открываются при срабатывании защиты . =AK= правильно заметил, что у меня полевики с Ugs min = 1 V. Поэтому, если включить светодиоды оптрона как в оригинальной статье, то это не позволит при срабатывании защиты обеспечить надежное закрывание полевых транзисторов.

[Herz]

Но они все же открываются при срабатывании защиты .

Это очень ненадёжно - думаю, Вы сами понимаете - почему.
А что Вам мешало применить полевики с большим пороговым? Запаса по питанию хватает многократно. А так - не только индикацию защиты пришлось делать через... , так и надёжное закрытие полевиков под вопросом. Ведь при срабатывании триггера общее падение напряжения на нём (состоящее из Uбэ = 0.6-0.7В + Uкэ нас ~= 0.4В) легко может превысить 1В.

[=AK=]

Это очень ненадёжно

А по-моему, вполне надежно, особенно если R7 увеличить раз в 10.

Но если уж всерьез озаботиться этим вопросом, то все проблемы решаются включением резисторов (сопротивлением , скажем, по 33 Ома) в эмиттеры VT13, VT14, VT7, VT3. Резисторы R25, R11 при этом можно будет выбросить. Полезно также использовать сдвоенные транзисторы (BC847BS, BC857BS) в парах (VT13, VT14) и (VT7, VT3).

[Herz]

А по-моему, вполне надежно, особенно если R7 увеличить раз в 10.

Номинал этого резистора на режимы работы транзисторов VT14, VT7 влияния не оказывает. Теоретически, эти транзисторы в таком включении открываться вообще не должны, ведь напряжение на резисторах R25, R11 близко к нулю. Сейчас они работают в линейном режиме, но имеют полное право отказаться, если разброс Uбэ нас у конкретных экземпляров окажется не их пользу или при изменениях температуры.

Но если уж всерьез озаботиться этим вопросом, то все проблемы решаются включением резисторов (сопротивлением , скажем, по 33 Ома) в эмиттеры VT13, VT14, VT7, VT3. Резисторы R25, R11 при этом можно будет выбросить. Полезно также использовать сдвоенные транзисторы (BC847BS, BC857BS) в парах (VT13, VT14) и (VT7, VT3).

Сомневаюсь, чтобы такого номинала было достаточно для кардинального изменения ситуации. Разве что со сдвоенными транзисторами. (Это сборки или один кристалл?) А больший приведёт к ухудшению условий закрытия мосфетов. Которые (условия) и так, имхо, не ахти.

[=AK=]

Теоретически, эти транзисторы в таком включении открываться вообще не должны, ведь напряжение на резисторах R25, R11 близко к нулю.

Уж зачем вы сюда это падение приплели - уму непостижимо. Да хоть совсем уберите эти резисторы, схема только лучше будет работать без них.

Сейчас они работают в линейном режиме, но имеют полное право отказаться, если разброс Uбэ нас у конкретных экземпляров окажется не их пользу или при изменениях температуры.

Нет ничего плохого в том, что они работают в линейном режиме. Главное - чтобы схема выполняла свою функцию.

Рассмотрим, каковы режимы транзисторов после срабатывания защиты. Для простоты рассмотрим только нижний узел, VT13-VT10
После срабатывания защиты транзисторы VT13, VT10 открыты. На затворе VT9 напряжение примерно 0.6...0.7 В. Ток через R15 равен примерно 10 мА. Этот ток примерно в равной пропорции протекает по двум путям:
- эмиттер-коллектор VT10 -- база-эмиттер VT13
- эмиттер-база VT10 -- коллектор-эмиттер VT13
Если не учитывать разброса параметров VT10, VT13, эти токи равны, по 5 мА. Если же учитывать, то могут быть несколько неравны. Насколько? После изучения даташитов можно найти более точный ответ, а пока, "на глазок", примем, что они будут отличаться в худшем случае не более чем, скажем, в 5 раз, то есть, ток коллектора VT13 будет не менеe 1.7 мА.

Поскольку база VT14 подключена (через R25) к базе VT13, то через коллектор VT14 тоже будет течь ток. Гарантированно. Только величина этого тока не обязательно будет равна току коллектора VT13 - как за счет небольшого падения на R25 (которое, тем не менее, не играет никакой существенной роли), так и за счет разброса параметров VT13, VT14. Опять примем для простоты, что токи могут отличаться раз в 5, следовательно, минимальный ток коллектора VT14 составит не менее 0.3 мА.

Tока 0.3 мА вполне достаточно для работы оптрона. Конечно, его CTR при малых токах будет маленьким, не 100%, а порядка 20%. Тем не менее, даже если ток коллектор VT11 составит 0.3мА*20% = 60 мкА, этого будет достаточно для правильной работы схемы, если R7 увеличить до 100 к.

Номинал этого резистора на режимы работы транзисторов VT14, VT7 влияния не оказывает.

Ага. И не должен.
Он оказывает влияние на то, появится ли на выходе оптронов активный низкий уровень после срабатывания защиты.

И тогда VT7, VT14 не откроются совсем...

С чего бы это?
Введение резисторов в эмиттеры выравняет токи через транзисторы в парах (VT13, VT14) и (VT7, VT3). 33 Ома в эмиттерах всех перечисленных транзисторов (а не одних только VT7,VT14) даст весьма радикальное выравнивание токов. Даже 22 Ома будет вполне достаточно для надежной работы.

О распределении тока между транзисторами псевдотиристоров можно особо не заботиться. При использoвании комплeментарных транзисторов oни хорошо выравниваются даже без принятия дополнительных мер. Приведенное мною в качестве примера соотношение токов в 5 раз - это много, на практике будет меньше. Но если уж совсем паранойей страдать, то достаточно уменьшить номинал R9, R17 до 330 Ом. Это гарантирует, что после срабатывания защиты ток коллекторов VT3, VT13 будет не менее ~2 мА.

[Herz]

Уж зачем вы сюда это падение приплели - уму непостижимо.

Следите за языком, уважаемый. Вы опять стремитесь выйти за рамки приличий. Не пойму - зачем...
А падение было "приплетено" сюда для того, чтобы показать, что если нет указанного падения (вследствии равности база-эмиттерных напряжений), то нет и базового тока. Точнее, может быть мизерным, а может и не быть вовсе. А поскольку транзистор VT14 - биполярный, то коллекторного тока без базового не будет. Не думал, что Вам нужно это напоминать.

=AK=, я не собираюсь с Вами спорить, это не доставляет мне никакого удовольствия. Даже наоборот. Увольте меня от Ваших выпадов. Я лишь замечу, с чем не согласен. А выводы делать автору. Или не делать.

Поскольку база VT14 подключена (через R25) к базе VT13, то через коллектор VT14 тоже будет течь ток. Гарантированно. Только величина этого тока не обязательно будет равна току коллектора VT13 - как за счет небольшого падения на R25 (которое, тем не менее, не играет никакой существенной роли), так и за счет разброса параметров VT13, VT14. Опять примем для простоты, что токи могут отличаться раз в 5, следовательно, минимальный ток коллектора VT14 составит не менее 0.3 мА.

Мне не понятно, на чём строится это убеждение. И даже количественная оценка. Оставляю Ваши "расчёты" на Вашей совести. Пока ничем, кроме жирного шрифта выделенное не гарантируется. Или этого достаточно?
Я же считаю, что вследствие разброса параметров рассматриваемых транзисторов падение напряжения на база-эмиттерном переходе VT13 может оказаться слишком низким для достаточного базового тока VT14 и коллекторный ток последнего не определён практически ничем. И увеличение номинала R7 (кстати, почему именно до 100к?) для спасения ситуации выглядит партизанщиной.
Сейчас положение несколько спасает тот факт, что Uкб нас несколько выше, чем это падение у транзистора в активном режиме и разброс у этих экземпляров оказался небольшим, так что какой-то базовый ток у VT14 всё-таки есть. В реальности разброс может оказатся существенно выше. Кроме того, вполне вероятно, что VT13 конструктивно окажется в более нагреваемом месте, чем VT14. С ростом температуры его (VT13) Uбэ будет падать быстрее и, соответственно, будет падать и так небольшой базовый ток VT14.
Если же резистор R25 убрать совсем и соединить база-эмиттерные переходы этих транзисторов параллельно, то куда потечёт больший базовый ток - неизвестно. Вполне может получиться, что транзистор VT14 войдёт в насыщение, а VT13 так и не откроется.

alux, а Вы покажите Вашу модификацию схемы автору той, что была взята за основу. На Сахаре. Пусть он выскажет свои соображения. Думаю, ему будет приятно Вам помочь разобраться.

С чего бы это?
Введение резисторов в эмиттеры выравняет токи через транзисторы в парах (VT13, VT14) и (VT7, VT3). 33 Ома в эмиттерах всех перечисленных транзисторов (а не одних только VT7,VT14) даст весьма радикальное выравнивание токов. Даже 22 Ома будет вполне достаточно для надежной работы.

Опять. Торопясь спорить, Вы даже не особо обратили внимание, что автор намеревался поставить дополнительные резисторы лишь в эмиттерные цепи транзисторов VT7,VT14 и моё замечание относилось именно к этому случаю.

[=AK=]

Мне не понятно, на чём строится это убеждение. И даже количественная оценка.

Я не поленился погонять Spice симуляцию для этого узла, задавая транзисторы с разбросом основных параметров, превышающим указанные в даташите границы.

Я же считаю, что вследствие разброса параметров рассматриваемых транзисторов падение напряжения на база-эмиттерном переходе VT13 может оказаться слишком низким для достаточного базового тока VT14 и коллекторный ток последнего не определён практически ничем.

А на чем ваши высказывания основаны? Хоть бы какой-нибудь расчет от вас увидеть, а то все слова, слова...

увеличение номинала R7 (кстати, почему именно до 100к?)

Закон Ома. Если ток фототранзистора равен 60 мкА, то при напряжении питания 5 В сопротивление резистора нагрузки должно быть более 83.3 к. Тогда фототранзистор войдет в насыщение, а на выходе будет полный размах. Вам даже такие вещи надо разжевывать?

Это была его идея (Л.И.) - включить оптроны в коллекторные цепи отдельных транзисторов

Я вам другую идею подкину. Включите свои оптроны так, как показано на рисунке:



Теперь включенный оптрон говорит о том, что ключ включен, а выключенный - что или ключ выключен, или сработала защита.

[alux]

Интересно. А зачем диоды последовательно со светодиодами оптрона?

[=AK=]

зачем диоды последовательно со светодиодами оптрона?

Если без них, то при выключенном ключе на светодиоды будет приложено обратное напряжение, а они этого не терпят (по-хорошему, их надо бы резисториками зашунтировать, чтобы ток утечки диодов прошел мимо светодиодов).

Еще один вариант - включить светодиоды оптронов последовательно с резисторами R8 и R21. Тогда и диоды не нужны. Однако затворы надо будет все-таки притянуть к земле и питанию:

По поводу защиты от дурака...
Как правило на объекте монтаж датчиков делают методом тыка.
При этом если на выводLOAD_1 подать "-", а на вывод GND подать "+35В" , то сгорает VD5 (или источник питания +35В).
Если на вывод LOAD_2 подать "+35В", а на вывод +35V подать "-", то сгорает VD6 (или источник питания +35В).

Надо полагать, вы имели ввиду VD4 вместо VD5. А также VD5 вместо VD6.

Решений этой проблемы я вижу два:
1) выбросить эти диоды.
2) для защиты от переполюсовки вместо диода VD2 в шине питания +35 В включить P-канальный транзистор, так как я рисовал в первой схеме, только с большим допустимым напряжением ЗИ. А в шине GND включить такой же N-канальный транзистор. При этом диоды VD5, VD6 включить к истокам соответствующих транзисторов.
Кстати, если применить такой же транзистор IRF7343, у которого напряжение ЗИ +/-20 В, затвор можно подключить через резистивный делитель 100к + 100к : один резистор между ЗИ, второй - между З и GND (для P-канального).

Еще варианты?

Правильный вариант - использовать источник питания +35 с защитой по току. А диоды VD4, VD5 должны иметь макс. ток, намного больший, чем ток защиты БП.