Bezpiecznik elektroniczny - do czego służy, jak działa i jak go zmontować?

Do czego służy bezpiecznik elektroniczny?

Ryzyko uszkodzeń związanych z uruchamianiem urządzeń elektronicznych może być znacznie zmniejszone, jeśli stosuje się układy odłączające napięcie zasilania w przypadku stwierdzenia nadmiernego poboru prądu lub wzrostu napięcia zasilania. Układ prototypu szybkiego bezpiecznika pokazano na fotografii tytułowej. Opisany układ może być zastosowany jako samodzielne urządzenie albo może wchodzić w skład zasilacza stabilizowanego.

Jak to działa? - bezpiecznik elektroniczny

Schemat ideowy układu pokazany jest na rysunku 1. Sercem urządzenia jest układ scalony INA200 firmy Texas Instrument, który zawiera w swojej strukturze wzmacniacz pomiarowy, komparator z wyjściem typu otwarty dren z funkcją pamięci i skompensowane termicznie źródło napięcia odniesienia 0,6V. Napięcie zasilania układu scalonego może wynosić minimalnie 2,7V i maksymalnie 18V. Pomiar prądu dokonywany jest poprzez określenie spadku napięcia na oporniku pomiarowym.

Rys.1 Schemat ideowy układu - bezpiecznik elektroniczny

Cechą wyróżniającą układu scalonego INA200 jest możliwość wzmacniania napięć w zakresie od –16V do +80V względem masy kostki (wyprowadzenie GND), co powoduje, że układ nadaje się do wszelkich zasilaczy stabilizowanych, nawet o napięciu wyjściowym sięgającym kilkadziesiąt woltów. Tak szeroki zakres pomiarowy uzyskano dzięki połączeniu dwóch układów wzmacniających (op amp front ends). Pierwszy wzmacnia sygnały poniżej, a drugi powyżej potencjału masy. Wyjścia obu wzmacniaczy są połączone równolegle.

Układ występuje w kilku wykonaniach, różniących się wzmocnieniem i pasmem przenoszenia. Wzmocnienie układu INA200 wynosi 20, INA201 – 50, zaś INA202 – 50. Pasmo przenoszenia wymienionych układów przy obciążeniu pojemnościowym wyjścia wzmacniacza 5pF wynosi odpowiednio 500, 300 i 200 kHz. Znając wzmocnienie układu i wartość opornika pomiarowego, można bardzo łatwo zmierzyć prąd pobierany przez zasilany układ.

Wartość zastosowanego rezystora pomiarowego jest kompromisem między dokładnością pomiarową a mocą traconą w rezystorze pomiarowym. Większe wartości rezystancji zwiększają wartość sygnału pomiarowego, zmniejszając wpływ napięcia offsetu na wyjściu wzmacniacza, ale zwiększają moc wydzielaną na oporniku pomiarowym, co powoduje większe jego nagrzewanie.

Wskutek bardzo specyficznej budowy układu scalonego bardzo specyficzne, a wręcz dziwne są też zalecenia projektowe zawarte w karcie katalogowej. W celu uzyskania jak najlepszej precyzji pomiaru, spadek napięcia na oporniku pomiarowym powinien mieścić się w zakresie pomiędzy 20 a 500 mV, natomiast napięcie mierzone powinno być wyższe od napięcia zasilającego kostkę.

Nieco gorszą precyzję pomiaru uzyskuje się, gdy spadek napięcia jest większy niż 20mV, a napięcie mierzone jest niższe od ujemnego napięcia zasilającego. Jednak błędy są nadal niewielkie – jest to zalecany tryb pracy układu scalonego. Większe błędy występują, gdy napięcie mierzone jest wyższe od napięcia zasilającego lub niższe od potencjału masy, a spadek napięcia na oporniku znajduje się w przedziale od 0 do 20 mV.

Błąd pomiaru jest tym większy, im spadek napięcia na rezystorze pomiarowym jest mniejszy. W tym zakresie prawdopodobnie można jednak zapewnić liniowość układu, linearyzując charakterystykę wzmocnienia za pomocą równania nieliniowego, przy użyciu mikroprocesora, który można też bezpośrednio wykorzystać do realizacji zabezpieczenia nadprądowego. Najgorszy przypadek występuje, gdy układ mierzy napięcia poniżej 20mV, a napięcie mierzone znajduje się w zakresie między potencjałem masy GND a napięciem Vs.

W tym wypadku pomiar bardzo silnie zależy od napięcia mierzonego, zaś błąd jest tym mniejszy, im spadek napięcia jest większy. Więcej szczegółów (ale bez dokładnego wyjaśnienia) zainteresowani znajdą, analizując kartę katalogową układu INA200.

Konstruując układ, założono, że bezpiecznik będzie konstrukcją uniwersalną i będzie mógł działać od napięć bardzo bliskich 0V do ponad 50V oraz będzie współpracować z zasilaczami impulsowymi. Spowodowało to konieczność zastosowania ujemnego napięcia zasilającego i wykonania układu zasilania z „plusem” na masie. Dzięki takiemu zasilaniu układu uzyskano nie tylko najmniejszy z możliwych błąd pomiaru (napięcie mierzone jest zawsze wyższe od napięcia zasilającego), ale i niską moc wydzielaną w tranzystorze MOSFET.

Jest to bezpośrednio związane z możliwością zapewnienia wysokiego ujemnego napięcia, załączającego bramkę tranzystora MOSFET, a tym samym niskiej rezystancji załączonego tranzystora. Układ w takiej konfiguracji sprawdza się bardzo dobrze ze wszystkimi zasilaczami, również impulsowymi. W przypadku stabilizatorów impulsowych prąd pobierany przez stabilizator zależy nie tylko od prądu czerpanego z wyjścia zasilacza, ale i od napięcia wyjściowego stabilizatora.

Górna wartość napięcia wyjściowego wzmacniacza ograniczona jest wartością napięcia zasilającego układu i wprost wynika z iloczynu wzmocnienia układu oraz spadku napięcia na oporniku pomiarowym. Na przykład dla spadku napięcia na oporniku pomiarowym 20mV i wzmocnienia 20 otrzymamy sygnał 0,4V, a dla spadku napięcia na oporniku pomiarowym równego 500mV napięcie zasilające powinno wynieść co najmniej 10V (500mV *20).

W przypadku, gdy chcemy wykorzystać układ tylko do pomiaru prądu i jednocześnie uzyskać szeroki zakres pomiarowy, a część wykonawczą (zabezpieczenie nadprądowe) miałby realizować procesor – niezbędne jest wykonanie dzielnika rezystancyjnego, dzielącego napięcie wyjściowe z wyjścia wzmacniacza tak, aby nie dopuścić do przekroczenia maksymalnego napięcia wejściowego przetworników analogowo-cyfrowych procesora.

Jeśli chcemy wykorzystać układ jako samodzielne zabezpieczenie, to napięcie wyjściowe ze wzmacniacza należy podać na potencjometr. Wtedy próg zadziałania zabezpieczenia ustawia się położeniem suwaka potencjometru P1. Ponieważ napięcie odniesienia komparatora wynosi 0,6V, minimalny spadek napięcia na oporniku pomiarowym, powodujący zadziałanie zabezpieczenia, wynosi 30mV (dla układu INA200). W dolnym odcinku pomiarowym na próg zadziałania układu bezpiecznika wpływa tak zwane napięcie offsetu na wyjściu układu INA20x. W praktyce to specyficzne napięcie offsetu wpływa na próg zadziałania zabezpieczenia szczególnie w dolnym zakresie prądów.

Przy zastosowaniu elementów o podanych wartościach i napięciu zasilającym, jak na schemacie ideowym, zabezpieczenie działa w zakresie od 0,2A do 4A. Elementy R3, R4, C1 tworzą filtr dolnoprzepustowy, ograniczający wpływ zakłóceń na komparator. Nie należy stosować wartości rezystorów R3, R4 większych niż 100 omów, ze względu na stosunkową niską rezystancję wejścia pomiarowego. Pasmo filtra na poziomie –3dB zostało dobrane na około 70kHz.

Gdy komparator nie wykrywa przeciążenia, to tranzystor wyjściowy komparatora (z wyjściem typu otwarty dren) jest załączony, a emiter tranzystora T2 znajduje się na potencjale masy. Przez opornik R6 płynie prąd polaryzujący bazę tranzystora T1, zaś na kolektorze tranzystora T2 występuje ujemne napięcie i tranzystor T1 przewodzi. Gdy tranzystor wyjściowy komparatora nie przewodzi, to na kolektorze tranzystora T2 występuje napięcie zasilające, tranzystor T2 nie przewodzi, a tranzystor T1 odcina zasilany układ.

Jeśli układ wykryje zwarcie, to układ zatrzaskuje tranzystor T1 w pozycji wyłączonej. Dzielnik rezystorowy R2, R5 ogranicza napięcie bramka-źródło tranzystora T1. Większość tranzystorów MOSFET dopuszcza wartość tego napięcia na poziomie od 20 do 30V. Bez tego dzielnika, przy wyższych napięciach zasilających układ, tranzystor uległ by uszkodzeniu (nie wspomniano o tym ważnym szczególe w karcie katalogowej układu INA200).

Jako T2 zastosowano specjalnie tranzystor typu BC846 ze względu na wysokie dopuszczalne napięcię CE. Tranzystor ponownie zacznie przewodzić prąd, gdy usuniemy zwarcie i skasujemy pamięć przyciskiem S1. Elementy R8, C3 służą jako elementy opóźniające oraz eliminują wpływ drgań styków na stan pamięci zatrzaskowej (latch). W przypadku niezamontowania elementów R7, R8, C3 (podłączonych do wejścia RESET) lub zwarcia wejścia RESET do masy układ będzie działał jak klasyczne zabezpieczenie nadprądowe i po usunięciu przeciążenia lub zwarcia samoczynnie powróci do normalnej pracy.

Opóźnienie zadziałania zabezpieczenia nadprądowego można uzyskać, montując między ujemne napięcie zasilające a wyprowadzenie CMPin układu INA200 kondensator C5 o odpowiednio dobranej pojemności. Bez tego kondensatora układ wykrywa ładowanie kondensatorów zasilanego układu jako przeciążenie, szczególnie przy dużej ich pojemności. Rezystor R9 ogranicza wpływ położenia suwaka na zwłokę zadziałania opóźnienia nadprądowego w przypadku, gdy stosujemy kondensator C5.

Montaż i uruchomienie bezpiecznika elektronicznego

Układ zmontowano na płytce drukowanej z laminatu jednostronnego, używając zarówno montażu przewlekanego, jak i SMD. Schemat montażowy pokazano na rysunkach 2 i 3. W układzie można wykorzystać układy scalone serii INA20x w obudowie VSSOP. Układy w tej obudowie są znacznie łatwiej dostępne niż w obudowie SOIC.

Rys.2. Schemat montażowy - bezpiecznik elektroniczny

Rys.3 Schemat montażowy - bezpiecznik elektroniczny

Układ zmontowany ze sprawnych elementów działa od pierwszego włączenia. Prąd zadziałania i pasmo przenoszenia zależą od wartości elementów zamontowanych w układzie. W celu ułatwienia ich doboru, aby uzyskać żądany zakres działania zabezpieczenia, w załącznikach do artykułu umieszczonych na Elportalu dodano arkusz kalkulacyjny, pozwalający w szybki sposób wyliczyć potrzebne wartości elementów oraz moce strat.

Rezystancję strat tranzystora T1 można ograniczyć, dobierając dzielnik napięciowy R2, R5 tak, aby nigdy nie przekroczyć dopuszczalnego napięcia V_GS tranzystora MOSFET, a jednocześnie zapewnić jak najwyższe napięcie V_GS. W prototypie użyto tranzystora IRPF9530 o napięciu V_GS 20V, lepszym wyborem będzie jednak stosunkowo łatwo dostępny tranzystor FQA36P15 o dopuszczalnym napięciu V_GS 30V.

Wartość dzielnika napięciowego zależna jest od ujemnego napięcia zasilającego układ i napięcia na wejściu układu. W wielu wypadkach rezystor R5 można pominąć i zastąpić go zworą. W układzie należy stosować tranzystory MOSFET o możliwie niskiej rezystancji dren-źródło, wysokim dopuszczalnym napięciu bramka-źródło oraz wysokim napięciu pracy dren-źródło.

Bezpiecznik elektroniczny bez obudowy

Tranzystor należy wyposażyć w mały radiator. W przypadku współpracy ze stabilizatorami impulsowymi układ trzeba umieścić między wyjściem stabilizatora a zasilanym układem. W przypadku współpracy układu bezpiecznika z zasilaczem ze stabilizacją ciągłą (stabilizator liniowy) układ można zasilić z napięcia dodatniego. Ujemne napięcia zasilania staje się masą układu, a masa podłączona jest wprost do dodatniego napięcia zasilającego. Układ jest wtedy zasilany klasycznie – z minusem na masie.

W przypadku zasilania z dodatniego napięcia zasilającego należy jednak wziąć pod uwagę ewentualne, wcześniej opisane błędy pomiarowe. Układ bezpiecznika przy współpracy z zasilaczami liniowymi najlepiej zamontować pomiędzy wyjściem filtru na wyjściu prostownika a tranzystorem regulacyjnym stabilizatora. Taki sposób podłączenia zabezpieczenia pozwala usunąć wpływ spadku napięcia na rezystancji dren-źródło tranzystora na napięcie wyjściowe stabilizatora.

Gdy chcemy wykorzystać układ do współpracy z mikroprocesorem, należy użyć dodatniego napięcia zasilającego oraz zapewnić, by napięcie na wyjściu wzmacniacza nie przekraczało dopuszczalnego napięcia na wejściu przetworników analogowo-cyfrowych. Strefę martwą potencjometru można ograniczyć, umieszczając pomiędzy wyjściem potencjometru a ujemnym napięciem zasilającym odpowiednio dobrany opornik tak, aby minimalne napięcie panujące na suwaku potencjometru zawsze było zbliżone do 0,5V. Potencjometr trzeba odpowiednio wyskalować, najlepiej podłączając obciążenie regulowane, deaktywując pracę zabezpieczenia nadprądowego i ustalając moment zadziałania zabezpieczenia.

W Elportalu umieszczono materiały dodatkowe do tego projektu (dokumentację płytki drukowanej) oraz wspomniany wcześniej arkusz kalkulacyjny. Na zakończenie autor chciałby podziękować Waldkowi 3Z6AEF za uwagi do tego tekstu.