Einfachste, billigste, schnellste und minimalste Strombegrenzungsschaltung mit geringem Widerstand im Normalzustand

Ich habe einen digitalen Ausgang, der vom High-Side-Treiber mit einer Nennspannung von 24 V DC angesteuert wird. Der Laststrom liegt normalerweise unter 100 mA. Der Ausgang wird überwacht, sodass ich ihn schnell ausschalten kann, wenn ich auf der Lastseite einen Kurzschluss feststelle. Das Problem ist, dass der Treiber selbst nicht geschützt ist und durch Kurzschluss viel Rauch erzeugt. Was ich also brauche, ist eine einfache Schaltung am Ausgang des Treibers, die:

• hat einen niedrigen Widerstand von unter 10 Ω, wenn der Ausgangsstrom unter 100 mA liegt
• Erhöht schnell den Widerstand, um den Treiberstrom auf 500 mA oder weniger zu begrenzen
• Die Widerstandsfähigkeit bei Kurzschlussstrom muss mindestens 20 ms betragen, damit ein Kurzschluss erkannt und der Treiber ausgeschaltet werden kann
• hat eine Arbeitsspannung von 50V oder höher
• hat minimale Komponenten und billig (0,20 $ pro Kanal max)
• ist kein Lieferant aus einer Hand

Ich habe PTC-rücksetzbare Polyfuses ausprobiert, aber sie sind zu langsam. Der FP0100 von Microchip sollte gut sein, ist aber teuer (ich benötige mindestens 60 Kanäle auf meiner Platine). Bourns TBU-Serien sind ebenfalls in Ordnung, aber auch teuer.

Irgendwelche anderen Optionen?

UPD1. Meine aktuelle Ausgangsschaltung ist MIC2981 / 82, die von einem 74HC594-Schieberegister angesteuert wird. An jedem Ausgang habe ich Littelfuse 1206L012 PTC. Auf meinem Board benötige ich 64 Kanäle wie diesen, und dies ist ein Board mit kleinen Serien, daher sind der Gesamtpreis pro Kanal und der Platzbedarf wichtig.

Ihr typischer Doppeltransistor-Strombegrenzer ist möglicherweise die beste Wahl. Unten sind die Versionen auf der Ober- und Unterseite dargestellt.

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Beachten Sie, dass bei dieser Schaltung eine Strafe von etwa einem Spannungsabfall auftritt.

Kaufen Sie zwei Transistoren in einem einzigen 6-poligen Gehäuse.

Der kleine Widerstand bewirkt, dass sich der Strom zurückfaltet, wenn er Vbe erreicht. Der andere Widerstand stellt den Basisstrom ein und muss berechnet werden, um unter Berücksichtigung von Hfe einen ausreichenden Kollektorstrom zu erzeugen.

JEDOCH: Beachten Sie, dass der Transistor für die Dauer des Kurzschlusses einige Watt verarbeiten muss, da er den Strom nur auf Ihren Schwellenwert begrenzt.

Schauen Sie sich die ProFET-High-Side-Treiber-ICs an. Diese Geräte bieten Ihnen ein schaltbares High-Side-Laufwerk mit Schutz vor allen möglichen Dingen, einschließlich Ausgangsüberstrom.

Sie können ProFETs leicht genug von Händlern finden und auswählen.

Schauen Sie sich den BSP752T an, der billig und klein ist und direkt mit 3,3 V oder 5 V betrieben werden kann.

Um auf Trevors hervorragender Antwort aufzubauen :

Es gibt Halbleiterbauelemente, die Konstantstromquellen (oder -senken) sind. Viele davon sehen intern genauso aus wie Trevors Schaltung (möglicherweise werden einige temperaturkompensierende Elemente hinzugefügt).

Ein sehr vereinfachtes Gerät (Konstantstromsenke mit genau zwei Pins, ausgelegt für Spannungen <= 50 V und einen maximalen / konstanten Strom von 350 mA) ist der NSI50350AD . Ich weiß nicht, was es intern tut, aber das Datenblatt nennt es "selbst vorgespannten Transistor", so dass es wahrscheinlich eine Kombination aus einigen Bipolartransistoren, einem JFET und einigen internen Widerständen ist.

Jetzt tut Ihre 50-V-Grenze wirklich weh - es ist schwierig, integrierte Stromquellen zu finden, die bei dieser Spannung funktionieren. Bei kleineren Strömen funktioniert möglicherweise ein selbst vorgespannter JFET, bei 100 mA ist dies jedoch teuer.

Also würde ich wirklich mit Trevors Lösung rollen, obwohl ich ein paar Dinge empfehlen könnte:

• Überprüfen Sie, ob Sie die Geschwindigkeit Ihrer Fehlererkennung nicht einfach erhöhen können. Das würde das Problem lösen.
• Da es (soweit ich weiß - korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege) schwierig ist, an Transistor-Arrays zu kommen (was Sie bevorzugen, wenn Sie weniger Aufwand und Platz auf der Platine benötigen), möchten Sie möglicherweise etwas mehr für die Komponente ausgeben als nur ein NPN für Q4, aber sparen Sie Pick & Place-Kosten, indem Sie ein Gerät mit mehreren Komparatoren in einem Fall verwenden. Glücklicherweise kosten 4x Komparatoren und 4x Opamps etwa 13 ct, wenn sie zu Hunderten gekauft werden. Das sind also ca. 3 ct Opamp pro Kanal. Verwenden Sie den Operationsverstärker / Komparator, um die Spannung über R2 mit einer konstanten Referenzspannung zu vergleichen (hier könnte ein einfacher Zener ausreichen) und um Q3 anzusteuern. Beachten Sie, dass Sie nicht mehr für jeden einzelnen Kanal einen R3 benötigen. (Gleiches gilt für den High-Side-Ansatz mit Q5 / Q6)
• Verwenden Sie Widerstandsarrays anstelle einzelner Widerstände, sofern das thermische Design dies zulässt.

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Ein billiger Kandidat für den Optokoppler wäre Lite-On CNY17 .

Dieser Wert beträgt $ 0,2 / Port x16 https://ca.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/MCZ33996EKR2?qs=sGAEpiMZZMuCmTIBzycWfKe9ppy40BrEybgj5eCsa3I%3d

Hier ist die Grundidee für die SCR-Schaltung. Möglicherweise muss ein Widerstand in Reihe mit PTC1 geschaltet werden, um den richtigen Widerstandswert zu erhalten. Der Gesamtwiderstand parallel zum Basisemitterübergang von Q1 stellt den Auslösestrom ein. Sobald Q1 zu leiten beginnt, wird der SCR ausgelöst und die Last wird geschützt, bis der PTC auslöst. Q1 kann ein SOT-23 sein. R3 und R4 sind nur Vermutungen. Sie sind nur dazu da, eine Überstromschädigung von Q1 zu verhindern. Die meisten SCRs sind ziemlich groß. Ich werde Sie schauen lassen, um zu sehen, ob Sie eine finden können, die klein genug ist, um Ihren Bedürfnissen zu entsprechen.

Hinweis: Sobald der SCR ausgelöst wird, müssen Sie wahrscheinlich die Stromversorgung abschalten, bevor die Schiene nicht mehr heruntergezogen werden kann.

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Ich wollte die Serien-Doppeltransistorschaltung vorschlagen, aber Trevor_G hat dies bereits hervorragend getan.

Stattdessen hielt ich es für sinnvoll, die PTC-Sicherungsoption erneut zu prüfen. Sie sagen, sie waren zu langsam, aber das deutet darauf hin, dass Sie stattdessen möglicherweise ein marginales Netzteildesign haben.

Betrachten Sie die Littelfuse RXEF017. Während die Auslösung bei 500 mA 8 Sekunden dauern kann, ist der Strom doch so niedrig, dass Ihr Kurzschlussschutz Zeit hat, um einzuschalten? Bei 2A beträgt die Auslösezeit <0,2 s, was in einem 24-V-System nicht viel Energie bedeutet. Tatsächlich soll der Punkt einer Sicherung die anfälligste Komponente im Stromkreis sein, daher ist es ein bisschen besorgniserregend, dass etwas anderes seinen Rauch vor der Sicherung abgeben kann.

Ich befürchte nur, dass Sie sich die Mühe machen, den Strom auf ein enges Fenster unter 500 mA zu beschränken, und dann feststellen, dass andere Dinge marginal werden, weil sie nicht genug Einschaltstrom ziehen können, um Kappen aufzuladen oder einen Impuls oder etwas anderes anzutreiben.