Pokud se jedná o ochranu proti nadměrnému proudu (zkratu) všichni intuitinvě tušíme jak to má vypadat. obvod, který napájí spotřebíč / zbytek obvodu / motor / čidlo / cokoliv ... by neměl do své záátěže pustit větší než nastavené napětí a při velké spotřebě / zkratu - by neměl do spotřebiče pustit ani nadměrný proud.
Ideově nejjednodušší zdroje tohoto typu jsou tzv "zdroje s pravoúhlou Voltampérovou charakteristikou". Takový zdroj se chová jako zdroj konstatního napětí s (téměř) nulovým vnitřním odporem, dokud nedosáhne nastaveného proudového prahu, od kterého se chová jako zdroj proudu s (téměř) nekonečným vnitřním odporem
Příklad vidíte na obrázku - jednoduché jako facka ( a taky dosti nespolehlivé ). Tranzistor Q2 se proudem z odporu R4 otevírá tak dlouho dokud napětí dělené děličem R2 + R1 na bázi tranzistoru Q1 nedosáhne 0,7V pak se Q1 začne otevírat a tím začne přivírat Q2. To je režim stabilizace napětí. Pokud ze zdroje odebíráme více než 100 mA vznikne na R3 ubytek 0,7 V, který začne otevírat Q3 a ten začne přivírat Q2 - což je, jak tušíte, režim stabilizace proudu. Obě smyčky zpětných vazeb pracují najednou, ale uplatní se vždy jenom jedna. Takže pokud si nakreslíme závislost napětí na proudu daného zdroje dostaneme graf asi tohoto typu.
To je ona "pravoúhlá" charakteristika - poněkud nedokonalá - při vzestupu proudu z 20 na 60 mA poklesne napětí na zdroji o 20 mV - pro tento proud je vnitřní odpor 20 mV / 40 mA = 0,5 ohmu. V režimu omezení proudu při vzestupu proudu ze 107 na 115 mA poklesne napětí z 4 V na 0V - to je vnitřní odpor 4V / 8mA = 500 ohmů.
Jasné ?
Proč je tento zdroj problematický ? Klidně jej můžete používat, ale mějte na paměti, že jeho přesnost závisí na úbytku napětí Báze-Emitor trantzistorů Q1 a Q3, který je kolem 700 mV, ale je pro každý tranzistor jiný a navíc klesá přibližně o 2 mV na každý stupeň Celsia. Mimo to ani zpětné vazby nemají dostatečné zesílení, proto ani proudové ani napěťová stabilizace nejsou tak "tvrdé" jak by mohly být. Jinými slovy 78L05 je daleko lepší, ale při zkratu omezuje proud mnohem více takže nemá tak pěknou pravoúhlou charakteristiku.
Po tomto výkladu se zdá, že ochrana proti zkratu je primitivní zálezitost prostě všude nastrkáme ochranné tranzistory a snímací odpory jako je dvojice Q3 R3 a je vystaráno.
Že to tak není, se vás pokusím přesvědčit na konkrétním případě. Do svorky Signal IN jde spínací signál z procesoru, dvojice Q2 R1 je kombinace ochranného tranzistoru a snímacího odporu. Výstup obvodu je připojen na spotřebič a spíná spotřebič proti zemi. Tranzistor BC337 (dle mého datasheetu od Fairchildu) snese kolektorový proud 800 mA takže jsem nastavil proudvou pojistku na 0,7/ R1 = 320 mA.
Co se stane když dojde ke zkratu - tedy jakobychom OUT přijojili třeba přímo na 12V ? Tranzistor Q2 se otevře a začne přivírat tranzistor Q1. Problém je v tom, že Q1 byl původně otevřen do saturace - tj. na něm bylo napětí kolem 50mV - což s maximálním proudem 300 mA dává výkonovou ztrátu 15 mW. Při zkratu poteče poootevřeným Q1 zase 300 mA, ale napětí na něm bude téměř 12 V což je výkonová ztráta 3.6W - což za pár sekund tranzistor spolehlivě upeče. (BC 337 snese dle Fairchildu jen 0,625W). Jasné ?
Princip problému je v tom, že pro spínací tranzistor, který je stavěn pouze na stav VYPNUTO / ZAPNUTO a nic mezi tím - používáme lineární (analogovou) pojistku která jej dostane do lineárního stavu kdy nebude ani ZAPNUTO ani VYPNUTO.
Jaké jsou možnosti ?
- Smířit se s tím, že přijdeme o tranzistor? Cheme to tak ?
- Dimenzovat jeho chlazení na lineární provoz ? Není to zbytečné ?
- Použít ještě další pojistku - například detekovat zkrat procesorem a rychle tranzistor vypnout
- Používat pojistku, která není lineární, ale je taky spínací - takže nám tranzistor z polohy ZAPNUTO převede do polohy ZCELA VYPNUTO a ne do polohy "něco mezi tím".
Jistě už tušíte, proč jsem v předchozím článečku kladl tolik otázek, protože proudových pojistek je spousta - v principu tolik, kolik je typů zdrojů (spínačů) napětí.
Pro dnešek končíme - zbývá už jenom oblíbená rada pro brunety : Je jaro, květiny kvetou a voní, vy taky kvetete a taky chcete vonět, ale až na sebe budete lít parfém - vemte rozum do hrsti a nepoužívejte jej v množství, které zastavuje mouchy v letu.