Überstromschutz eines Single-Ended-Solid-State-Schalters

Eine frühere Schaltung verwendete ein Darlington-Paar ULN2003 als unsymmetrischen (N-Seite) Halbleiterschalter mit einer maximalen Stromkapazität von etwa 500 mA.

http://www.st.com/resource/en/datasheet/uln2001.pdf

Es hat jedoch keinen Überstromschutz, daher suche ich entweder nach einem Ersatz oder einer umgebenden Schaltung, um dies zu tun. Der Schutz würde idealerweise für die Kanäle einzeln gelten, aber eine einfache Lösung für die gesamte Schaltung würde auch ausreichen. Ich habe diese Optionen gefunden:

  1. Fügen Sie am Ausgang jedes Kanals eine selbstrückstellende PPTC-Sicherung hinzu. Billig, einfach, aber ich bin nicht begeistert von der Aussicht, > 2 Sekunden darauf zu warten, dass es auslöst. Der Schalter kann in dieser Zeit leicht zerstört werden - zumal das ULN200x-Datenblatt keine maximale Zeit für den Spitzenstrom angibt, sondern nur eine Einschaltdauer, und die Einschaltdauer in dieser Anwendung 100 % beträgt.
  2. Fügen Sie den Ausgangskanälen ein 1R res hinzu und dann entweder einen ADC oder einen Komparator mit weiterer Abschaltschaltung. Komplexer und teurer, aber schneller und präziser.
  3. Verlassen Sie sich auf die VcesatParameter des ULN2003. Wenn Vceetwa 1,4 V überschritten werden, schlussfolgern Sie, dass der Strom 500 mA überschreitet, und fügen Sie dann die gleiche Schaltung wie Nr. 2 hinzu.
  4. Durch einen Schalter mit eingebautem Stromschutz ersetzen. Ich konnte nichts annähernd so Erschwingliches wie das ULN200x finden.

Ich tendiere zu #3. Etwas wie:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Fragen:

  • Ist die obige Schaltung sicher, stabil und ein geeigneter Weg, um einen Stromschutz zu implementieren?
  • Gibt es unter meinen anderen aufgelisteten Alternativen (oder nicht) einen besseren Weg? Normalerweise tendiere ich zur Einfachheit.
Wenn Sie bereit sind, einen LM339 pro Ausgang des ULN2003 zu verwenden, sind Sie bereit, diskret vorzugehen? Wie viele Ausgänge des ULN2003 verwenden Sie tatsächlich? Sie haben auch vergessen, in Ihrem Q zu vermerken, dass das SO-Paket ist 120 ∘ C W ! Ich denke, was mich an der Frage stört, ist die unbekümmerte Haltung in Bezug auf die Dissipation, die durch das Werfen gezeigt wird 500 mA mit solcher Leichtigkeit.. besonders wenn ein Darlington involviert ist. Bei allem, was Sie dort zeigen, würde ich einfach diskret vorgehen und damit fertig sein.
@jonk Ich bin bereit, diskret zu werden, wenn die Schaltung nicht sehr komplex ist. Ich verwende alle Ausgänge des ULN2003. Ich bin mir nicht sicher, was Sie mit "Werfen" von 500 mA meinen, und ich behandle es auch nicht auf unbekümmerte Weise - es handelt sich um eine ernsthafte Schaltungsbedingung, die wahrscheinlich zu Schäden führen wird, weshalb ich in erster Linie über einen Schutz nachdenke.
Ich erwäge, einige Gedanken über eine diskrete Option anzubieten. Mehr Kontrolle über Ausgleichskompromisse, geringere Kosten, bessere Verfügbarkeit usw.
@jonk schön - bitte tun.

Antworten (3)

Das ist keine unglaublich schlechte Schaltung, aber sie hat ein paar Probleme.

1) Am offensichtlichsten benötigt der LM339 einen Pullup-Widerstand an seinem Ausgang.

2) Ein ULN2003 hat eine Einschaltverzögerung von bis zu 1 us. Während dieser Zeit sieht der Komparator einen hohen Eingang und erzeugt eine Fehleranzeige. Wenn der Verzögerungskondensator nicht groß genug ist, verhindert dies, dass die Last jemals eingeschaltet wird.

3) Sobald ein Fehler erkannt wird, führt dessen Beseitigung nicht dazu, dass der Schaltkreis den Betrieb zulässt. Es ist notwendig, Sw für die Erholungszeit Ihrer Ausgangsverzögerung RC auf niedrig zu setzen und es erst dann anzuwenden, um die Last zu treiben.

4) Dies ist als grober Fehlerdetektor in Ordnung, aber beachten Sie, dass die ULN2003-Ausgangsspannung Vce(sat) nicht genau definiert ist. Bei 350 mA ist der typische Wert 1,2, aber das Maximum ist 1,7, und es ist kein Minimum definiert. Solange Ihre gewünschten Lasten viel niedriger als Ihr nomineller Auslösepunkt sind, sind Sie in Ordnung, aber wenn Sie irgendwo in der Nähe der ULN-Grenzen fahren möchten, laufen Sie Gefahr, einen ULN2003 mit schwacher Leistung zu bekommen, der unter normaler Last auslöst .

5) Wenn Sie kein 74HC132 für Ihr Eingangstor verwenden, ist der Betrieb möglicherweise nicht sauber. Wenn sich die Kondensatorspannung in der Nähe des Auslösepunkts ändert, erhält das Gate keinen scharfen Übergang, und es besteht die Möglichkeit, dass (zum Beispiel) die Schleife oszilliert. Dies hängt von allen möglichen peripheren Effekten ab, einschließlich der Entkopplung. Es mag in diesem Fall kein Problem sein, aber wann immer Sie diese Art von begrenzender Hysterese machen, ist Ihr Freund.

Je nachdem, welche Art von Fehlern Sie erwarten, kann die einfache Strombegrenzung ausreichen. Ich habe kein Modell für UNL2003, aber Sie werden die Idee bekommen. Würde das für Sie funktionieren?

Einfache Strombegrenzung

Wenn Sie den Strom zurückklappen müssen, wird alles komplizierter.

Die Impulsquelle dient hier nur als einfache Möglichkeit, zwei Ströme zu testen. Einer unter der Grenze, einer darüber.

Ich nehme an, Q1 ist der ULN2003. Welche Rolle spielt hier U1A?
Ja, Q1 sollte ULN2003 sein. Wenn einer der Fehler, vor denen Sie schützen möchten, ein Kurzschluss zu VCC ist, ist dies möglicherweise nicht der beste. Die Verlustleistung würde 2,5 W betragen.
Verlustleistung von welcher Komponente? Und ich bin immer noch neugierig - was macht U1A?
Diese Strombegrenzung hält den maximalen Strom unter 0,5 A. Bei einem Kurzschluss von Vcc = 5 V zum Kollektor würde der UNL2003 5 V * 0,5 A = 2,5 W verbrauchen. U1A ist nur eine Signalquelle, die ich aus Ihrem Schaltplan kopiert habe. Es ist nicht Teil der aktuellen Grenze.

Der Trick bei der Verwendung eines PTC besteht darin, einen mit einer viel geringeren thermischen Masse als das zu schützende Gerät einschließlich Kühlkörper zu wählen.

Somit reicht ein SMD PTC als Schutz für diesen Zweck aus. Einige radiale Teile erreichen eine Temperatur von etwa 85 °C im schlimmsten Fall für die meisten Geräte, wenn sie kurzgeschlossen und innerhalb festgelegter Grenzen betrieben werden. Dies bedeutet, dass der PPTC 85 ° C erreicht, bevor das Teil dies tut. Einige SMD-Teile stolpern von 50 °C bis 120 °C, abhängig vom optionalen Curie-Punkt (CP) des Teils. Siehe Referenz unten.

Die Ausnahme könnte sein, wenn ein sehr großer Kurzschlussstrom von einer Hochspannungslast und der Impulsstrom * Zeit die SOA-Nennwerte überschreitet.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ref

- Rev. 2 Antwort

  • mit neuem Designeingang ... Schutz vor abruptem Kurzschluss zu Vcc oder Gnd.
  • Verwendet High-Enable-Ausgang von der Logik. Vout anpassen oder fest (opt.)

schematisch

Oder verwenden Sie einfach einen vollständig geschützten Low-Side-Smart-Switch wie **VNN3NV04P-E **

Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie sich ein Design aus schlecht definierten Eingaben für Fehlerbedingungen drastisch entwickeln kann.

Schlechte Nachrichten. Ich habe versucht, einige relativ schnelle (8 ms) PPTC-Sicherungen, 507-1755-1-ND, zu verwenden, aber sie waren nicht annähernd schnell genug gegen einen Kurzschluss auf 24 V. Ihre Einfachheit ist großartig, aber ich denke, ich werde eine "aktive" Lösung anstelle einer thermischen Lösung brauchen.
wo hast du kurzschlussfest angegeben. Ich dachte, es wäre nur für den Stromschutz, nicht für den Isc-Beweis. OCP und SCP sind zwei unterschiedliche Fehlerbedingungen. OCP ist ein angemessenes thermisches Ansprechverhalten, SCP benötigt ein Übergangsgeschwindigkeits-Ansprechverhalten. Der Kollektorkurzschluss zu V+ kann mit einem aktiven Strombegrenzer wie LM317 gezähmt werden, um die Last mit konstantem Strom zu treiben. mit 2,5 V Abfall. oder verwenden Sie ein besseres Design
Es ist kein Problem - ich war wahrscheinlich nicht spezifisch genug; aber trotzdem - wie würde der LM317 in diesem Fall angeschlossen werden? Im Einklang mit der Last?
Ihr Vorschlag, einen vollständig geschützten Switch zu verwenden, ist großartig - ich habe im selben Bereich wie dieser VNN * -Teil gesucht und Folgendes gefunden: Diodes Inc ZXMS-Serie. Sie sind immer noch erschwinglich genug und sollten für das, was ich brauche, viel haltbarer sein. Vielen Dank.
Um Kurzschlüsse am Treiber zur Versorgung (gegen Masse) für das Low-Side-Schalten zu begrenzen, ist im Allgemeinen ein High-Side-Strombegrenzer erforderlich, also eine Quelle wie ein Regler mit 3 Anschlüssen und einem Low-Side-Schalter. Der TPS7xxxx hat einen viel geringeren Dropout.
Überstromschutz eines Single-Ended-Solid-State-Schalters
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