Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к защитной коммутационной аппаратуре, и может применяться для защиты от перегрузок и коротких замыканий.
Из уровня техники известен транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания (RU 2167492, опубл. 20.05.2001 Бюл. № 14), который содержит первый и второй транзисторы разного типа проводимости. База первого транзистора через первый резистор соединена с коллектором второго транзистора, а через второй резистор утечки - с эмиттером первого транзистора и шиной питания. Коллектор первого транзистора через нагрузку подключен к общей шине. База второго транзистора через третий резистор утечки соединена с общей шиной, а через базовый четвертый резистор - с шиной управления. База третьего транзистора через седьмой резистор соединена с коллектором первого транзистора и через восьмой резистор утечки с общей шиной и с эмиттером третьего транзистора, коллектор которого через пятый резистор соединен с эмиттером второго транзистора. Эмиттер транзистора через шестой резистор и через конденсатор соединен с общей шиной. Недостатком данной схемы является использование в качестве силового ключа биполярного транзистора с высоким падением напряжения на переходе коллектор-эмиттер от 0,3 до 0,75 вольт. При высоких токах нагрузки выделяется большое количество тепла на транзисторе. Устройство использует в качестве информации о состоянии нагрузки саму нагрузку. При изменении параметров нагрузки необходимо корректировать схему ключа. Таким образом, теряется универсальность схемы.
Наиболее близким по технической сущности является стабилизатор постоянного напряжения (RU 209200, опубл. 07.02.2022 Бюл. № 4), который содержит регулирующий транзистор p-n-p - типа; управляющий МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа; операционный усилитель сигнала рассогласования; резистор смещения; первый и второй делители напряжения; стабилитрон; блокировочный конденсатор; нагрузку. Первый делитель напряжения содержит два резистора и стабилитрон. Второй делитель напряжения содержит резистор и два стабилитрона. Недостатком данного технического решения является сложность схемы. Недостатком данной схемы является использование в качестве силового ключа биполярного транзистора с высоким падением напряжения на переходе коллектор-эмиттер от 0,3 до 0,75 вольт. Недостатком является линейный режим работы транзистора. При высоких токах нагрузки выделяется большое количество тепла на транзисторе. Недостатком является низкие рабочие токи модели. При мощности нагрузки выше 50 Вт, так как транзистор не находится в режиме насыщения, на нем выделяется большое количество тепла и КПД данной схемы сильно уменьшается.
Задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является разработка защищённой силовой цепи управления нагрузкой.
Данная задача решается тем, что транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания включает резисторы, транзисторы, конденсаторы и компаратор, первый резистор подключен к базе первого транзистора, эмиттер которого подключен к массе, а к коллектору первого транзистора подключены пятый резистор, к которому подключен затвор второго транзистора и запирающий его шестой резистор и через седьмой резистор база третьего транзистора, эмиттер третьего транзистора подключен к плюсу питания, а коллектор к верхнему плечу первого делителя, образованного восьмым и девятым резисторами, средняя точка которого подключена к компаратору на плюсовой вход, нижнее плечо первого делителя подключено к массе, второй делитель, образованный десятым и одиннадцатым резисторами, средней точкой подключен к компаратору на минусовой вход, нижним плечом подключен на массу и верхним плечом на исток второго транзистора, сток второго транзистора подключен к плюсу питания, первый конденсатор подключен на массу и на плюсовой вход компаратора, двенадцатый резистор подключен к плюсу питания и минусовому входу компаратора, выход компаратора через тринадцатый резистор подключен на массу, а через четырнадцатый резистор подключен к третьему резистору, второму конденсатору, базе четвертого транзистора, коллектору пятого транзистора, эмиттер пятого транзистора, третий конденсатор и четвёртый резистор подключены к плюсу питания, база пятого транзистора подключена к третьему конденсатору, четвёртому резистору и коллектору четвёртого транзистора, база четвертого транзистора подключена к третьему резистору, второму конденсатору и пятому резистору, тринадцатый и четырнадцатый резисторы на четвертом и пятом транзисторах, включенные по схеме эквивалента тиристора, образуют третий делитель.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышенная надежность, экономичность, безопасность, доступность компонентной базы.
В заявленной полезной модели в качестве управляющего ключа используется полевой транзистор. Защита транзистора основана на падении напряжения на переходе сток-исток. Используются полевые транзисторы P channel с сопротивлением перехода сток-исток 10-14 мОм.
Падение напряжения замеряется скоростными компараторами и в случае превышения допустимых пределов происходит отключение управляющего сигнала на затворе транзистора. Компараторы построены на операционном усилителе LM2902.
При помощи делителей напряжения на резисторах, компаратор сравнивает напряжение на стоке и истоке транзистора. При падении напряжения на переходе сток-исток более чем на 1В компаратор срабатывает и подает запирающее напряжение на затвор и транзистор закрывается.
Тестовая скорость срабатывания защиты составляет 50 мкс.
Заявленная схема позволяет минимальным количеством комплектующих управлять мощной нагрузкой (более 100 Вт) и защитить полевой транзистор в случае короткого замыкания на выходе.
Заявленное техническое решение поясняется общей схемой, изображенной на фиг.1.
Первый резистор 1 подключен к базе первого транзистора 2, эмиттер первого транзистора подключен к массе, к коллектору первого транзистора подключен пятый резистор 3, к которому подключен затвор второго транзистора 4 и запирающий его шестой резистор 5. Так же к коллектору первого транзистора 2 подключен через седьмой резистор 6 база третьего транзистора 8. Эмиттер третьего транзистора 8 подключен к плюсу питания, коллектор к верхнему плечу делителя на восьмом 9 и девятом 10 резисторах. Средняя точка делителя подключена к операционному усилителю 11 в режиме компаратора на вход (+). Нижнее плечо делителя подключено к массе. Делитель на десятом 2 и одиннадцатом 13 резисторах средней точкой подключен к операционному усилителю 11 на вход (-). Нижнее плечо делителя на массу, верхнее плечо на исток второго транзистора 4. Сток второго транзистора 4 подключен к плюсу питания. Первый конденсатор 14 подключен на массу и на вход (+) операционного усилителя 11. Двенадцатый резистор 15 подключен к плюсу питания и входу операционного усилителя (-). Выход операционного усилителя через нагрузочный резистор 16 подключен на массу, через четырнадцатый резистор 17 подключен к третьему резистору 18, второму конденсатору 19, базе четвертого транзистора 20, коллектору пятого транзистора 21. Эмиттер пятого транзистора 21, третий конденсатор 22, четвёртый резистор 23 подключены к плюсу питания. База пятого транзистора 21 подключена к третьему конденсатору 22, четвёртому резистору 23 и коллектору четвёртого транзистора 20. База четвертого транзистора 20 подключена к третьему резистору 18, второму конденсатору 19 и пятому резистору 3.
Устройство работает следующим образом.
При подаче положительного управляющего сигнала на резистор 1 открывается транзистор 2 и подает через резистор 3 управляющую массу на транзистор 4. Транзистор 4 открывается и подает питающее напряжение в цепь нагрузки 24. Одновременно с этим через резистор 6 открывается транзистор 8 и подключает первый делитель напряжения 25, включающий восьмой 9 и девятый резисторы 10, к компаратору операционного усилителя 11. При помощи первого делителя напряжения на восьмом и девятом резисторах компаратор сравнивает напряжение на стоке второго транзистора 4. При помощи второго делителя напряжения 26, включающий десятый 12 и одиннадцатый 13 резисторы, компаратор сравнивает напряжение на истоке второго транзистора 4. При падении напряжения на переходе сток-исток более чем на 1В компаратор (операционный усилитель) 11 срабатывает и подает управляющее напряжение через третий делитель 27, включающий тринадцатый 16 и четырнадцатый 17 резисторы на четвертом 20 и пятом 21 транзисторах, включенные по схеме эквивалента тиристора. Четвертый 20 и пятый 21 транзисторы лавинообразно переключаются и подают положительное напряжение на затвор второго транзистора 4, транзистор закрывается и обесточивает цепь нагрузки. Скорость защиты задается конденсаторам 14, 19 и 22. Сброс защиты происходит только после снятия положительного управляющего сигнала с резистора 1.
Таким образом, заявленное техническое решение (электросхема (схематехника)), имеет преимущества:
- высокая степень защиты электроцепей автомобиля от скачков напряжения и короткого замыкания,
- стабильность работы (высокий срок службы при данной схеме),
- универсальность (содержит два режима работы, что позволяет использовать данный продукт на широком спектре марок автомобилей,
- отсутствие нагрева платы, высокий КПД,
- полное отключение прибора при коротком замыкании на одном из каналов,
- отсутствие шумов при работе.