Электронный ключ с регулированием тока в нагрузке

В статье рассматривается мощный электронный ключ с гальванической развязкой от управляющего напряжения. Он также позволяет регулировать, либо ограничивать максимальный ток нагрузки.

Иногда требуется регулировать ток в нагрузке, питающейся от сети 220 В / 50 Гц. Обычно для этой цели используют ре­зисторы или мощные биполярные транзисторы. В предлага­емом устройстве ток через нагрузку регулируется с помо­щью мощного полевого транзистора, и можно также вклю­чать и выключать эту нагрузку. Электронный ключ имеет галь­ваническую развязку цепи управления от силовой цепи. Пи­тание ключа осуществляется от источника питания нагрузки.

Работа устройства

Электрическая схема электронного ключа с регулированием тока в нагрузке показана на рисунке. Устройство рабо­тает следующим образом. Учтем, что за­щитные диоды полевых транзисторов вклю­чены катодом к стоку. В исходном состо­янии каналы полевых транзисторов за­крыты (нет питания). Пусть положитель­ная полуволна сетевого напряжения при­сутствует на выводе N. Ток проходит через резистор R6, стабилитрон VD2, защитный диод полевого тран­зистора VT1, фаза А. На стабилитроне VD2 возникает паде­ние напряжения в 12 В. Через диод VD1 заряжается кон­денсатор С1, и микросхема VR1 получает питание.

Микросхема VR1 представляет собой регулируемый ста­билизатор положительного напряжения с малым падением напряжения вход-выход. Она имеет встроенную защиту по току и перегреву. Выходное напряжение может регулировать­ся в пределах от 1,2…34 В. Отечественный аналог ИМС LT1085 — КР142ЕН22.

На микросхеме DA1 выполнен инвертирующий триггер Шмитта. Использование интегрального таймера DA1 в каче­стве инвертирующего триггера Шмитта позволяет улучшить работу схемы. Как видно из схемы, затворы VT1, VT2 под­ключены к выводу 7 DA1. Это позволяет шунтировать затво­ры напрямую к общему проводу при низком напряжении (уро­вень лог. «О») на выходе DA1, что ускоряет разряд емкос­тей затворов VT1, VT2, тем самым уменьшая коммутацион­ные потери ключа.

Пусть светодиод оптрона U1 не светит, тогда его транзи­стор будет закрыт. В результате на выводах 2, 6 инвертиру­ющего триггера DA1 присутствует высокий уровень напря­жения, а на выходе (выв. 3) — низкий. Транзисторы VT1, VT2 закрыты, и нагрузка обесточена.

Если светодиод оптрона U1 светит, то он открывает его транзистор. На выводах 2, 6 инвертирующего триггера DA1 присутствует низкий уровень напряжения, а на выводе 3 — высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1, VT2, и нагрузка получает питание. Ток на­грузки проходит через открытый канал транзистора VT1, открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для слу­чая, когда на фазе А положительная полуволна сетевого на­пряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток на­грузки проходит через открытый канал транзистора VT1 и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2 (за­щитный диод закрыт).

При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1 и VT2 необхо­димо установить супрессор типа 1,5КЕ400СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации.

Регулировка тока нагрузки

Рассмотрим, как осуществляется регулировка тока в на­грузке. Выходное напряжение с микросхемы DA1 поступает на затворы полевых транзисторов. Изменяя напряжение пи­тания микросхемы DA1, мы изменяем уровень её выходного сигнала, который, в свою очередь, является управляющим на­пряжением для полевых транзисторов. Полевые транзисторы с индуцированным затвором при нулевом напряжении между затвором и истоком имеют нулевой ток стока. Появление то­ка стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового уровня U_пор. Увеличение напря­жения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Обычно пороговое напряжение находится в пределах 4…5 В. Но существуют полевые транзисторы, имеющие пороговое напряжение в 2…3 В. Фирма IRF добавляет в обозначение таких транзисторов букву L. Выходные характеристики поле­вых транзисторов, как правило, имеют две области: линей­ную и насыщения. В линейной области вольтамперные харак­теристики вплоть до точки перегиба представляют собой пря­мые линии, наклон которых зависит от напряжения на затво­ре. В области насыщения вольтамперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о неза­висимости тока стока от напряжения на стоке.

Особенности этих характеристик обуславливают области применения таких транзисторов. В линейной области поле­вой транзистор используется как сопротивление, управляе­мое напряжением на затворе. Области насыщения и отсеч­ки используют как ключ, управляемый напряжением на за­творе. Таким образом, изменяя с помощью резистора R4 ве­личину выходного напряжения стабилизатора VR1, можно за­давать максимальный ток через электронный ключ.

Ключ может коммутировать, регулировать и постоянный ток. К выводу А (см. рисунок) необходимо подключить (-)Еп, а к выводу N — (+)Еп. Величину резистора R5 выбирают в зависимости от приложенного к ключу напряжения (исходя из тока через стабилитрон VD2 равного 30 мА). При этом транзистор VT1 можно исключить из устройства, замкнув его сток и исток перемычкой.

Достоинством устройства является неискаженная форма сигнала на нагрузке. Это устройство можно использовать так­же в качестве нагрузочного сопротивления, при условии обду­ва радиаторов транзисторов потоком воздуха от вентилятора.

Светодиод VD3 служит для индикации включения элек­тронного ключа. Устройство собрано на печатной плате размерами 112×55 мм.

При работе с низкими питающими напряжениями жела­тельно в качестве VT1, VT2 использовать низковольтные тран­зисторы. Например, IRFP4368PbF с напряжением исток-сток 75 В, длительным током (при температуре 25°С) 350 А, со­противлением канала 1,4 мОм и др. подобные.

Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж