Einfachste, billigste, schnellste und minimalste Strombegrenzungsschaltung mit geringem Widerstand im Normalzustand

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Ich habe einen digitalen Ausgang, der vom High-Side-Treiber mit einer Nennspannung von 24 V DC angesteuert wird. Der Laststrom liegt normalerweise unter 100 mA. Der Ausgang wird überwacht, sodass ich ihn schnell ausschalten kann, wenn ich auf der Lastseite einen Kurzschluss feststelle. Das Problem ist, dass der Treiber selbst nicht geschützt ist und durch Kurzschluss viel Rauch erzeugt. Was ich also brauche, ist eine einfache Schaltung am Ausgang des Treibers, die:

  • hat einen niedrigen Widerstand von unter 10 Ω, wenn der Ausgangsstrom unter 100 mA liegt
  • Erhöht schnell den Widerstand, um den Treiberstrom auf 500 mA oder weniger zu begrenzen
  • Die Widerstandsfähigkeit bei Kurzschlussstrom muss mindestens 20 ms betragen, damit ein Kurzschluss erkannt und der Treiber ausgeschaltet werden kann
  • hat eine Arbeitsspannung von 50V oder höher
  • hat minimale Komponenten und billig (0,20 $ pro Kanal max)
  • ist kein Lieferant aus einer Hand

Ich habe PTC-rücksetzbare Polyfuses ausprobiert, aber sie sind zu langsam. Der FP0100 von Microchip sollte gut sein, ist aber teuer (ich benötige mindestens 60 Kanäle auf meiner Platine). Bourns TBU-Serien sind ebenfalls in Ordnung, aber auch teuer.

Irgendwelche anderen Optionen?

UPD1. Meine aktuelle Ausgangsschaltung ist MIC2981 / 82, die von einem 74HC594-Schieberegister angesteuert wird. An jedem Ausgang habe ich Littelfuse 1206L012 PTC. Auf meinem Board benötige ich 64 Kanäle wie diesen, und dies ist ein Board mit kleinen Serien, daher sind der Gesamtpreis pro Kanal und der Platzbedarf wichtig.

Syoma
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Wie viel Spannung sind Sie bereit zu verlieren?
Trevor_G
Ist das für einen einzelnen Job? oder hohe Lautstärke?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Dies sieht aus wie eine typische High-Side-Schaltanwendung in Steuergeräte- und SPS-Einheiten. Nur Ihre 50-V-Nennleistung schließt fast alle Schalter auf dem Markt aus (außer BTS4140N). Können Sie dies näher erläutern?
Jeroen3
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Können Sie uns eine schematische Darstellung Ihrer High-Side-Treiberschaltung zeigen?
Bruce Abbott
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Ja, ich denke das ist ein XY Problem. Sie sollten wirklich Ihre gesamte Treiberschaltung posten. Möglicherweise gibt es einen besseren Weg, um das zu bekommen, was Sie brauchen.
Mkeith

Antworten:

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Ihr typischer Doppeltransistor-Strombegrenzer ist möglicherweise die beste Wahl. Unten sind die Versionen auf der Ober- und Unterseite dargestellt.

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Beachten Sie, dass bei dieser Schaltung eine Strafe von etwa einem Spannungsabfall auftritt.

Kaufen Sie zwei Transistoren in einem einzigen 6-poligen Gehäuse.

Der kleine Widerstand bewirkt, dass sich der Strom zurückfaltet, wenn er Vbe erreicht. Der andere Widerstand stellt den Basisstrom ein und muss berechnet werden, um unter Berücksichtigung von Hfe einen ausreichenden Kollektorstrom zu erzeugen.

JEDOCH: Beachten Sie, dass der Transistor für die Dauer des Kurzschlusses einige Watt verarbeiten muss, da er den Strom nur auf Ihren Schwellenwert begrenzt.

Trevor_G
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2. dies. Ich habe gerade ein solches Design eingebaut, um einen Kurzschlussschutz für einen externen Widerstandsthermometer zu bieten. Der Pass BJT ist ein SOT223 und der Sinn BJT ist ein SOT23
JonRB
Die andere Sache, die Sie dabei berücksichtigen sollten, ist der minimale / maximale Strom, den Ihre erwartete Last ziehen soll, und ebenso der minimale / maximale Strom, den Sie sich leisten können, um während eines Kurzschlusses / Fehlers zu sinken. Die Variation der Beta macht diese Topologie sehr anfällig für Geräteeigenschaften, ABER solange Sie die Last und die Teile kennen, ist alles in Ordnung.
JonRB
Sehr klassisch. OP: Achten Sie auf die Nennspannung!
Marcus Müller
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Ich habe eine Antwort veröffentlicht, die auf Ihrer aufbaut und sich auf die Mehrkanalnutzung konzentriert. Ich möchte Sie bitten, Korrektur zu lesen, bitte!
Marcus Müller
Meine Last kann unterschiedlich sein - von nur einigen LEDs mit einer Dauer von nur 5 mA bis zu Relais mit einer Dauer von 20 bis 30 mA, die möglicherweise mit geeigneten Transienten parallel sind. Ihre Schaltung sieht interessant aus, danke, hat aber 3 Komponenten, was den Platzbedarf etwas
vergrößert
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Schauen Sie sich die ProFET-High-Side-Treiber-ICs an. Diese Geräte bieten Ihnen ein schaltbares High-Side-Laufwerk mit Schutz vor allen möglichen Dingen, einschließlich Ausgangsüberstrom.

Sie können ProFETs leicht genug von Händlern finden und auswählen.

Schauen Sie sich den BSP752T an, der billig und klein ist und direkt mit 3,3 V oder 5 V betrieben werden kann.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

TonyM
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Danke. BSP752T kostet 0,9 € pro Kanal. Das ist etwas zu teuer. Der Strom ist 1,2 A, also auch ein bisschen zu groß. Gibt es kostengünstigere Alternativen?
Syoma
@syoma, du bist willkommen :-) Gemäß der Antwort kannst du Händler-Websites (z. B. Digikey, Farnell) nach ProFET durchsuchen und die Eigenschaften und den Preis in deiner Nähe betrachten. Nur Sie kennen Ihre Kosten und geschäftlichen Einschränkungen.
TonyM
Ja wird reichen. Was mich wundert, ist, dass für High-Side-Switching fast keine Switching-Arrays verfügbar sind und die verfügbaren sehr teuer sind.
Syoma
@syoma, die Preisgestaltung erklärt uns normalerweise die Nachfrage. Es wird viel von einem Paket verlangt, um viel Verlustleistung bei den Spannungen und Kurzschlussleistungen zu transportieren, die Sie betrachten, und Sie möchten klein und sehr billig. Wenn ein Kanal über seinen Schutz hinausgenommen wird und knallt, nimmt er weniger oder gar keinen mit, was in anderen Anwendungen sehr wichtig sein kann. Sie sagen viel teuer, geben aber kein Budget ...? Andernfalls geben Sie die 90c / Chan aus und genießen Sie die Schutzvorteile.
TonyM
Ich habe eine günstigere Alternative von Infineon gefunden - ITS41k0S für 0,5 $. Das klingt nach einem vernünftigen Preis. Dies würde auch die Notwendigkeit für PTC beseitigen, so dass ich ein paar Cent spare. Um es zu fahren, muss ich zu tpic6c595 oder ähnlichem wechseln.
Syoma
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Um auf Trevors hervorragender Antwort aufzubauen :

Es gibt Halbleiterbauelemente, die Konstantstromquellen (oder -senken) sind. Viele davon sehen intern genauso aus wie Trevors Schaltung (möglicherweise werden einige temperaturkompensierende Elemente hinzugefügt).

Ein sehr vereinfachtes Gerät (Konstantstromsenke mit genau zwei Pins, ausgelegt für Spannungen <= 50 V und einen maximalen / konstanten Strom von 350 mA) ist der NSI50350AD . Ich weiß nicht, was es intern tut, aber das Datenblatt nennt es "selbst vorgespannten Transistor", so dass es wahrscheinlich eine Kombination aus einigen Bipolartransistoren, einem JFET und einigen internen Widerständen ist.

Jetzt tut Ihre 50-V-Grenze wirklich weh - es ist schwierig, integrierte Stromquellen zu finden, die bei dieser Spannung funktionieren. Bei kleineren Strömen funktioniert möglicherweise ein selbst vorgespannter JFET, bei 100 mA ist dies jedoch teuer.

Also würde ich wirklich mit Trevors Lösung rollen, obwohl ich ein paar Dinge empfehlen könnte:

  • Überprüfen Sie, ob Sie die Geschwindigkeit Ihrer Fehlererkennung nicht einfach erhöhen können. Das würde das Problem lösen.
  • Da es (soweit ich weiß - korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege) schwierig ist, an Transistor-Arrays zu kommen (was Sie bevorzugen, wenn Sie weniger Aufwand und Platz auf der Platine benötigen), möchten Sie möglicherweise etwas mehr für die Komponente ausgeben als nur ein NPN für Q4, aber sparen Sie Pick & Place-Kosten, indem Sie ein Gerät mit mehreren Komparatoren in einem Fall verwenden. Glücklicherweise kosten 4x Komparatoren und 4x Opamps etwa 13 ct, wenn sie zu Hunderten gekauft werden. Das sind also ca. 3 ct Opamp pro Kanal. Verwenden Sie den Operationsverstärker / Komparator, um die Spannung über R2 mit einer konstanten Referenzspannung zu vergleichen (hier könnte ein einfacher Zener ausreichen) und um Q3 anzusteuern. Beachten Sie, dass Sie nicht mehr für jeden einzelnen Kanal einen R3 benötigen. (Gleiches gilt für den High-Side-Ansatz mit Q5 / Q6)
  • Verwenden Sie Widerstandsarrays anstelle einzelner Widerstände, sofern das thermische Design dies zulässt.

ILoad

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Ein billiger Kandidat für den Optokoppler wäre Lite-On CNY17 .

Marcus Müller
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Sieht interessant aus ...
Trevor_G
Grundsätzlich war meine Idee, den Treiber nicht alleine zu schützen, sondern ihn nur am Leben zu halten, bis ich den SC erkenne und den Ausgang ausschalte. Die Einschränkung des Stromtreibers besteht darin, dass er bei hohen Strömen und Unterbrechungen nicht gesättigt ist. Meine andere dumme Idee ist es, so etwas wie tpic6c595 und PNP-Transistor für High-Side (zum Beispiel PBSS9110T) zu nehmen. Es kann mit bis zu 3 Ampere kurz überleben, lange genug, um den Schutz auszulösen.
Syoma
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Dieser Wert beträgt $ 0,2 / Port x16 https://ca.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/MCZ33996EKR2?qs=sGAEpiMZZMuCmTIBzycWfKe9ppy40BrEybgj5eCsa3I%3d Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Können Sie erklären, wie der obere Stromkreis den Strom begrenzt? Ich folge nicht
Scott Seidman
Dieses Beispiel zeigt nur die Erfassung des extrem niedrigen Vdrop-Stroms. Offensichtlich keine vollständige Lösung oder sogar praktisch mit 60 Kanälen. Ich werde es löschen.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Dies ist ein Low-Side-Schalter - es gibt viele Alternativen. Leider brauche ich High-Side.
Syoma
OK, dann verwenden Sie einen ITS4880R. Es ist 3/8 der Kosten pro Port im Vergleich zu BSP752T
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Hier ist die Grundidee für die SCR-Schaltung. Möglicherweise muss ein Widerstand in Reihe mit PTC1 geschaltet werden, um den richtigen Widerstandswert zu erhalten. Der Gesamtwiderstand parallel zum Basisemitterübergang von Q1 stellt den Auslösestrom ein. Sobald Q1 zu leiten beginnt, wird der SCR ausgelöst und die Last wird geschützt, bis der PTC auslöst. Q1 kann ein SOT-23 sein. R3 und R4 sind nur Vermutungen. Sie sind nur dazu da, eine Überstromschädigung von Q1 zu verhindern. Die meisten SCRs sind ziemlich groß. Ich werde Sie schauen lassen, um zu sehen, ob Sie eine finden können, die klein genug ist, um Ihren Bedürfnissen zu entsprechen.

Hinweis: Sobald der SCR ausgelöst wird, müssen Sie wahrscheinlich die Stromversorgung abschalten, bevor die Schiene nicht mehr heruntergezogen werden kann.

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Mkeith
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Ich wollte die Serien-Doppeltransistorschaltung vorschlagen, aber Trevor_G hat dies bereits hervorragend getan.

Stattdessen hielt ich es für sinnvoll, die PTC-Sicherungsoption erneut zu prüfen. Sie sagen, sie waren zu langsam, aber das deutet darauf hin, dass Sie stattdessen möglicherweise ein marginales Netzteildesign haben.

Betrachten Sie die Littelfuse RXEF017. Während die Auslösung bei 500 mA 8 Sekunden dauern kann, ist der Strom doch so niedrig, dass Ihr Kurzschlussschutz Zeit hat, um einzuschalten? Bei 2A beträgt die Auslösezeit <0,2 s, was in einem 24-V-System nicht viel Energie bedeutet. Tatsächlich soll der Punkt einer Sicherung die anfälligste Komponente im Stromkreis sein, daher ist es ein bisschen besorgniserregend, dass etwas anderes seinen Rauch vor der Sicherung abgeben kann.

Ich befürchte nur, dass Sie sich die Mühe machen, den Strom auf ein enges Fenster unter 500 mA zu beschränken, und dann feststellen, dass andere Dinge marginal werden, weil sie nicht genug Einschaltstrom ziehen können, um Kappen aufzuladen oder einen Impuls oder etwas anderes anzutreiben.

Heath Raftery
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Nein. Wie ich in meiner Frage schrieb, habe ich Littelfuse 1206L012 PTC verwendet. Als ich mit dem Oszilloskop beobachtete, was an meinem Treiberausgang passiert, wenn ein Kurzschluss auftritt, habe ich gesehen, dass am PTC ein Spannungsabfall von etwa 10 V auftritt, was darauf hindeutet, dass ich während dieser Zeit etwa 3-4 Ampere Strom habe. Leider fallen die restlichen 24 Volt über den Fahrer, was ihn zu stark erwärmt.
Syoma
In Ordnung. Das ist eine noch konservativere Sicherung als die, die ich bewertet habe. Wenn es also immer noch nicht ausreicht, Ihren Fahrer zu schützen, müssen Sie drastischere Maßnahmen ergreifen. Vielleicht ist der Fahrer schwach, aber vielleicht hatten Sie Pech und der PTC versetzte den Fahrer in einen Teilkurzschluss, der hoch genug war, um den Fahrer zu beschädigen, aber zu niedrig, um die Sicherung schnell durchzubrennen.
Heath Raftery
Solche PTC-Sicherungen sind einfach zu langsam, um vor Kurzschlüssen zu schützen. Ich habe überprüft, dass es in den ersten Millisekunden den Widerstand nicht wesentlich erhöht. In meinem Design fungiert der PTC primär als Überlastschutz - der Treiber hat eine konstante Strombegrenzung von 100 mA pro Kanal.
Syoma
@syoma dann ist deine Wahl des CC-Designs schuld, nicht der Kurzschluss. Was ist es? Es kann ich mit integriertem SCP
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75