Ограничение тока в электротехнике: принципы и схемы защиты

Введение

Ограничение тока — это практика установления предела тока, подаваемого на нагрузку, для защиты цепи, генерирующей или передающей ток, от негативных последствий короткого замыкания или перегрузки. Термин "ограничение тока" также используется для обозначения типа устройства защиты от перегрузки по току. Согласно NEC/NFPA 70 2020 года, устройство защиты от перегрузки по току с ограничением тока определяется как "устройство, которое при прерывании токов в диапазоне ограничения тока снижает ток, протекающий в неисправной цепи, до значения, значительно меньшего, чем тот, который был бы получен в той же цепи при замене устройства на сплошной проводник с сопоставимым импедансом".

Ограничение входящего тока

Ограничитель пускового тока — это устройство или комбинация устройств, используемых для ограничения пускового тока. Простые варианты включают пассивные резистивные компоненты, такие как резисторы (с недостатком рассеивания мощности), или термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Положительные термисторы (PTC) используются для ограничения максимального тока после запуска схемы (с недостатком времени охлаждения в обоих случаях). Более сложные решения с использованием активных компонентов применяются, когда более простые варианты не подходят.

В электрических силовых цепях

Некоторые электронные схемы используют активное ограничение тока, поскольку предохранитель может не защищать твердотельные устройства. На рисунке показан один из типов схем ограничения тока. Схема представляет собой простой механизм защиты, используемый в стабилизированных источниках питания постоянного тока и усилителях мощности класса AB. Q1 – выходной или транзистор пропускания. Rsens – устройство для измерения тока нагрузки. Q2 – защитный транзистор, который включается, как только напряжение на Rsens достигает примерно 0,65 В. Это напряжение определяется значением Rsens и током нагрузки, протекающим через него (Iload). Когда Q2 включается, он отключает базовый ток Q1, тем самым уменьшая коллекторный ток Q1, который практически равен току нагрузки. Таким образом, Rsens фиксирует максимальный ток на уровне 0,65/Rsens. Например, если Rsens = 0,33 Ом, ток ограничивается примерно 2 А, даже если Rload становится коротким замыканием (и Vo становится равным нулю). Более того, эта мощность рассеяния будет сохраняться до тех пор, пока существует перегрузка, что означает, что устройства должны выдерживать ее в течение значительного времени. Эта мощность рассеяния будет значительно меньше, чем если бы схема ограничения тока отсутствовала. В этом методе, при превышении предела тока, выходное напряжение уменьшается до значения, зависящего от предела тока и сопротивления нагрузки. Для снижения тепловыделения на выходных транзисторах при коротком замыкании используется ограничение тока с запасом (foldback), которое уменьшает ток в случае короткого замыкания. При коротком замыкании, когда выходное напряжение падает до нуля, ток обычно ограничивается небольшой долей максимального тока. Основная цель ограничения тока с запасом в линейных источниках питания – поддерживать выходной транзистор в пределах допустимой мощности рассеяния. Линейный регулятор рассеивает разницу между входным и выходным напряжениями в виде тепла. В условиях перегрузки выходное напряжение падает, поэтому разница увеличивается, что приводит к увеличению рассеяния. Foldback помогает поддерживать выходной транзистор в пределах безопасной рабочей области в условиях неисправности и перегрузки. Foldback также значительно снижает мощность, рассеиваемую в нагрузке в условиях неисправности, что может снизить риск возгорания и теплового повреждения. Многие источники питания используют защиту от ограничения постоянного тока; foldback идет на один шаг дальше, линейно уменьшая предел выходного тока по мере уменьшения выходного напряжения. Однако это усложняет конструкцию источника питания. Он может вызывать состояние "блокировки" с нелинейными устройствами, потребляющими постоянный ток независимо от напряжения питания (например, операционными усилителями). Ограничитель тока с запасом также может использовать временную задержку для предотвращения блокировки и ограничения локального нагрева при коротком замыкании. В импульсном источнике питания, работающем на пределе тока при коротком замыкании выхода, не происходит увеличения мощности, рассеиваемой на силовых транзисторах, поэтому ограничение тока с запасом является лишь функциональной особенностью, а не способом предотвращения повреждения источника питания из-за неисправности нагрузки. Преимущество безопасности, связанное с уменьшением мощности, подаваемой в короткое замыкание в нагрузке, пропорционально рабочему пределу тока. Ограничение тока с запасом чаще всего встречается в импульсных источниках питания, когда он является компонентом продукта, прошедшего независимую сертификацию на соответствие региональным стандартам безопасности.

Some electronic circuits employ active current limiting since a fuse may not protect solid state devices. One style of current limiting circuit is shown in the image. The schematic represents a simple protection mechanism used in regulated DC supplies and class AB power amplifiers. Q1 is the pass or output transistor. Rsens is the load current sensing device. Q2 is the protection transistor which turns on as soon as the voltage across Rsens becomes about 0.65 V. This voltage is determined by the value of Rsens and the load current through it (Iload). When Q2 turns on, it removes the base current from Q1, thereby reducing the collector current of Q1, which is nearly the load current. Thus, Rsens fixes the maximum current to a value given by 0.65/Rsens. For example, if Rsens = 0.33 Ω, the current is limited to about 2 A even if Rload becomes a short (and Vo becomes zero). Further, this power dissipation will remain as long as the overload exists, which means that the devices must be capable of withstanding it for a substantial period. This power dissipation will be substantially less than if no current limiting circuit had been provided. In this technique, beyond the current limit, the output voltage will decrease to a value depending on the current limit and load resistance. To reduce the heat that must be dissipated by the pass devices under a short circuit, foldback current limiting is used, which reduces current in the short circuit case. Under a short circuit, where the output voltage has reduced to zero, the current is typically limited to a small fraction of the maximum current. The prime purpose of foldback current limiting in linear power supplies is to keep the output transistor within its safe power dissipation limit. A linear regulator dissipates the difference between input and output voltages as heat. Under overload conditions, the output voltage falls, so the difference becomes larger, thus increasing dissipation. Foldback helps to keep the output transistor within its safe operating area under fault and overload conditions. Foldback also significantly reduces the power dissipation in the load in fault conditions, which can reduce the risks of fire and heat damage. Many power supplies employ constant current limiting protection; foldback goes one step further by linearly reducing the output current limit as output voltage decreases. However, it adds complexity to the power supply. It can trigger "lockout" conditions with non ohmic devices that draw a constant current independent of the supply voltage (such as op amps). A foldback current limiter may also employ a transient delay to avoid lockout and limit localized heating at the short circuit. A switched mode power supply operating at the current limit with the output short circuited does not have increased power dissipation in the power transistor(s), so foldback current limiting is an application feature only rather than one that also prevents a load fault from also destroying the power supply. The safety benefit of reducing the power delivered to a short circuit in the load is proportional to the operating current limit. Foldback current limiting is most likely to be found in a switch mode power supply when it is a component in a product that is independently certified to meet regional safety standards.

Единые схемы питания

Проблема предыдущей схемы заключается в том, что Q1 не насытится, если его база не будет смещена примерно на 0,5 вольта выше V. Эти схемы работают эффективнее при питании от одного источника (V). В обеих схемах R1 обеспечивает включение Q1 и передачу напряжения и тока на нагрузку. Когда ток через резистор R sense превышает заданный предел, включается Q2, который, в свою очередь, начинает отключать Q1, тем самым ограничивая ток нагрузки. Дополнительный компонент R2 защищает Q2 при коротком замыкании нагрузки. Если V составляет хотя бы несколько вольт, для Q1 можно использовать MOSFET для снижения падения напряжения. Благодаря своей простоте, эта схема иногда используется как источник тока для мощных светодиодов.