Zabezpieczenie przetężeniowe nie musi opierać się tylko na bezpieczniku

Tabela 1. Zalety i wady układów monitorowania przetężeń

Powszechnym sposobem zabezpieczania jest stosowanie bezpiecznika topikowego, którego zadaniem jest przerwanie obwodu w razie przetężenia. Jest to sposób najprostszy i skuteczny w przypadkach gwałtownego wzrostu natężenia prądu. Warto jednak rozważyć jego wady i zalety.

Bezpiecznik topikowy stanowi zabezpieczenie jednorazowe, ponieważ jego działanie jest jednoznaczne z jego zniszczeniem. Przywrócenie układu do działania wymaga wtedy interwencji z zewnątrz i zastąpienia zużytego bezpiecznika nowym.

Istotną wadą bezpiecznika topikowego jest także fakt, że warunkiem jego szybkiego zadziałania jest co najmniej czterokrotne przekroczenie nominalnego prądu. Stopień przetężenia, warunkujący zadziałanie bezpiecznika, jest bardzo trudno przewidywalny. Poza tym użycie takiego bezpiecznika nie umożliwia uzyskania informacji o przyczynie wzrostu natężenia prądu w układzie.

Zwykły wzmacniacz operacyjny i komparator

Rys. 1. Układ zabezpieczający z komparatorem

Detekcję przetężenia można łatwo zrealizować za pomocą zwykłego taniego wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji różnicowej z rezystorami ustalającymi jego wzmocnienie, połączonego z komparatorem (rys. 1). Sygnał wejściowy jest zbierany z szeregowego rezystora w obwodzie zasilania, co pozwala na wykrywanie w chronionym układzie zwarć do masy.

Sygnał wyjściowy wzmacniacza, wprost proporcjonalny do natężenia prądu pobieranego przez obciążenie, jest kierowany do komparatora. Poziom odniesienia komparatora definiuje się obliczeniem, uwzględniającym wzmocnienie wzmacniacza i spadek napięcia na rezystorze szeregowym, odpowiadający dopuszczalnemu natężeniu prądu obciążenia.

Tabela 2. Porównanie powierzchni układów monitorowania przetężeń na płytce drukowanej

Istnieje kilka wersji układu zabezpieczającego o różnej, zależnie od aplikacji i potrzeby, dokładności i stabilności. Napięcie odniesienia komparatora może być brane z prostego dzielnika rezystorowego, najprościej i najtaniej (rys. 1) lub z niskodryftowego wzorca napięcia - najdokładniej i najdrożej.

Sygnał wyjściowy komparatora jest zwykle kierowany do wejścia GPIO mikrokontrolera, który przetwarza go na przerwanie wprowadzające algorytm ochrony systemu, skutkujący prostym włączeniem chłodzącego wentylatora albo całkowitym wyłączeniem systemu. Alternatywnie może to być uruchomienie przekaźnika, odłączającego podobnie jak bezpiecznik zasilanie, mogącego jednak je z powrotem włączyć, gdy natężenie prądu powróci do dopuszczalnego poziomu.

Czułoprądowy wzmacniacz i komparator

Rys. 2. Rozwiązanie ze specjalnym wzmacniaczem operacyjnym

Ochronę systemu usprawnia zastąpienie wzmacniacza operacyjnego specjalnym wzmacniaczem czułoprądowy, zwanym także monitorem rezystora szeregowego (rys. 2).

Jest to wyspecjalizowany wzmacniacz operacyjny z rezystorami ustalającymi jego wzmocnienie, zapewniający dokładniejszy pomiar i zajmujący mniej miejsca na płytce drukowanej. Pozostałe elementy układu i jego działanie nie różnią się od układu z rysunku 1.

Specjalny detektor przetężeń

Rys. 3. Zabezpieczenie z układem INA300

Trzecie rozwiązanie polega na zintegrowaniu wszystkich elementów układu detekcyjnego w jednym układzie scalonym, na przykład INA300 firmy Texas Instruments. Jest to zoptymalizowany komparator zawierający dokładne obwody zarówno pomiaru, jak i porównywania, tworząc kompletną jednostkę detekcji przetężeń (rys. 3). Zasada jego działania jest taka sama, jak układów opisanych poprzednio. Progowe napięcie jest równe bezpośrednio spadkowi napięcia na rezystorze szeregowym, odpowiadającemu maksymalnemu dopuszczalnemu natężeniu prądu.

Napięcie to jest ustalane za pomocą zewnętrznego rezystora lub przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC). Sygnał wyjściowy można skonfigurować albo w trybie bezpośrednim, gdy stan wyjścia odpowiada stanowi wejścia, albo w trybie zatrzaskowym, gdy sygnał alarmowy jest likwidowany skasowaniem zatrzasku. Oznacza to, że został odebrany alarm o przetężeniu. Sygnał wyjściowy jest traktowany tak samo, jak sygnał poprzednio opisanego komparatora.

Porównanie powierzchni zajętej na płytce drukowanej

Rys. 4. Mozaika ścieżek dla trzech rozwiązań układowych

Trzy opisane układy zabezpieczające zajmują kolejno coraz mniejszą powierzchnię płytki. Warto do tego porównania użyć liczb. Wiele typowych wzmacniaczy operacyjnych mieści się w obudowach SOT23 o powierzchni montażowej 2,8×2,9 mm.

Pierwsze rozwiązanie (rys. 4a) wymaga dwóch takich układów scalonych, jednego rezystora szeregowego wielkości 2512 (7,25 mm×3,85 mm) i dziewięciu standardowych rezystorów i kondensatorów, co daje w rezultacie (nie licząc połączeń) powierzchnię niewiele mniejszą od 75 mm².

Wzmacniacze czułoprądowe mieszczą się zwykle w obudowie SC70 o powierzchni 2,1×2,0 mm. Rozwiązanie drugie (rys. 4b) z jedną SC70 i jedną SOT23 oraz pięcioma rezystorami i kondensatorami zajmuje powierzchnię nieco ponad 57 mm². Trzecie rozwiązanie (rys. 4c) z detektorem na INA300 w obudowie 2×2 mm i tylko dwoma rezystorami i jednym kondensatorem zajmuje nieco ponad 42 mm².

Zakończenie

Detekcja przeciążeń chroni układy elektroniczne przed uszkodzeniami. Najprostszym i najtańszym sposobem ochrony jest użycie bezpiecznika topikowego, ale można stosować bardziej złożone układy ochronne, różniące się kosztem, dokładnością, powierzchnią montażu i szybkością działania. W tabelach 1 i 2 zamieszczono przykładowe dane porównawcze takich układów.

KKP