Protección contra sobrecorriente de un interruptor de estado sólido de un solo extremo

Un circuito anterior usaba un par Darlington ULN2003 como un interruptor de estado sólido de un solo extremo (lado N) con una capacidad de corriente máxima de aproximadamente 500 mA.

http://www.st.com/resource/en/datasheet/uln2001.pdf

Sin embargo, no tiene protección contra sobrecorriente, por lo que estoy investigando un reemplazo o un circuito circundante para hacerlo. Idealmente, la protección se aplicaría a los canales individualmente, pero también sería suficiente una solución simple para todo el circuito. He encontrado estas opciones:

  1. Agregue un fusible de reinicio automático PPTC en la salida de cada uno de los canales. Barato, simple, pero no estoy entusiasmado con la perspectiva de esperar> 2 segundos para que se dispare. El interruptor puede destruirse fácilmente en ese tiempo, especialmente porque la hoja de datos ULN200x no especifica un tiempo máximo para la corriente máxima, solo un ciclo de trabajo, y el ciclo de trabajo en esta aplicación será del 100 %.
  2. Agregue un 1R res a los canales de salida y luego un ADC o un comparador con más circuitos de apagado. Más complejo y costoso, pero más rápido y preciso.
  3. Confíe en el Vcesatparámetro del ULN2003. Si Vcesupera los 1,4 V, deduzca que la corriente supera los 500 mA y luego agregue el mismo circuito que el n.º 2.
  4. Reemplácelo con un interruptor que tenga protección de corriente incorporada. No he podido encontrar algo tan asequible como el ULN200x.

Me inclino por el #3. Algo como:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Preguntas:

  • ¿Es el circuito anterior seguro, estable y una forma adecuada de implementar la protección actual?
  • Entre mis otras alternativas enumeradas (o no), ¿hay una mejor manera? Normalmente me inclino por la sencillez.
Si está dispuesto a dedicar un LM339 por salida del ULN2003, ¿está dispuesto a ser discreto? ¿Cuántas salidas del ULN2003 está usando realmente? También olvidó anotar en su Q que el paquete SO es 120 ∘ C W ! Supongo que lo que me molesta de la pregunta es la actitud arrogante con respecto a la disipación que se muestra al arrojar 500 mamá con tanta facilidad... especialmente cuando se trata de un Darlington. Con todo lo que muestras allí, simplemente sería discreto y terminaría con eso.
@jonk Estoy dispuesto a ser discreto si el circuito no es terriblemente complejo. Estoy usando todas las salidas del ULN2003. No estoy seguro de lo que quiere decir con 'tirar' 500 mA, ni lo trato de manera arrogante: es una condición grave del circuito que probablemente provocará daños, por lo que estoy considerando la protección en primer lugar.
Estaba considerando ofrecer algunas ideas sobre una opción discreta. Más control sobre el equilibrio de las compensaciones, menos costos, mejor disponibilidad, etc.
@jonk agradable - por favor hazlo.

Respuestas (3)

No es un circuito imposiblemente malo, pero tiene algunos problemas.

1) Lo más obvio es que el LM339 necesita una resistencia pullup en su salida.

2) Un ULN2003 tiene un retraso de encendido de hasta 1 useg. Durante este tiempo, el comparador verá una entrada alta y generará un indicador de falla. Si el capacitor de retardo no es lo suficientemente grande, esto evitará que la carga se encienda.

3) Una vez que se detecta una falla, borrarla no hará que el circuito permita la operación. Será necesario configurar Sw en bajo para el tiempo de recuperación de su retardo de salida RC, y solo luego aplicarlo para impulsar la carga.

4) Esto está bien como detector de fallas graves, pero tenga en cuenta que el voltaje de salida ULN2003 Vce(sat) no está bien definido. A 350 mA, lo típico es 1,2, pero el máximo es 1,7 y no hay un mínimo definido. Siempre que sus cargas deseadas sean mucho menores que su punto de disparo nominal, estará bien, pero si desea conducir en cualquier lugar cerca de los límites de ULN, correrá el riesgo de obtener un ULN2003 con una salida débil que se dispare con una carga normal. .

5) A menos que use un 74HC132 para su puerta de entrada, es posible que la operación no sea limpia. A medida que el voltaje del capacitor cambia cerca del punto de disparo, la puerta no tendrá una transición brusca y existe la posibilidad de que (por ejemplo) el lazo oscile. Esto dependerá de todo tipo de efectos periféricos, incluido el desacoplamiento. Puede que no sea un problema en este caso, pero siempre que esté haciendo este tipo de histéresis limitante es su amigo.

Dependiendo de qué tipo de fallas espera, el límite de corriente simple podría funcionar. No tengo un modelo para UNL2003 pero te harás una idea. Que este trabajo para usted?

Límite de corriente simple

Si necesita doblar hacia atrás la corriente, todo se complicará más.

La fuente de pulsos solo está aquí como una forma simple de probar dos corrientes. Uno por debajo del límite, uno por encima.

Supongo que Q1 es el ULN2003. ¿Cuál es el papel de U1A aquí?
Sí Q1 debe ser el ULN2003. Si una de las fallas que está tratando de proteger es un cortocircuito a VCC, esto puede no ser lo mejor. La potencia disipada sería de 2,5W.
¿Potencia disipada de qué componente? Y sigo teniendo curiosidad: ¿qué hace U1A?
Este límite de corriente mantendrá la corriente máxima por debajo de 0,5 A. Si hubiera un corto de Vcc=5V al colector, el UNL2003 disiparía 5V*0.5A=2.5W. U1A es solo una fuente de señal que copié de su esquema. No forma parte del límite actual.

El truco para usar un PTC es elegir uno con una masa térmica mucho menor que el dispositivo que se protege, incluido el disipador de calor.

Por lo tanto, un PTC SMD será suficiente para la protección para este propósito. Algunas piezas radiales alcanzan una temperatura de alrededor de 85 ºC en el peor de los casos para la mayoría de los dispositivos cuando se cortocircuitan y funcionan dentro de los límites especificados. Esto significa que el PPTC alcanzará los 85 ºC antes que la pieza. Algunas piezas SMD se disparan desde 50 °C hasta 120 °C, según el punto de Curie (CP) opcional de la pieza. Consulte la referencia a continuación.

La excepción podría ser si una corriente de cortocircuito muy grande de una carga de alto voltaje y la corriente de pulso * tiempo exceden las clasificaciones SOA.ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

Árbitro

- Rev 2 Respuesta

  • con entrada de nuevo diseño... protección contra cortocircuito abrupto a Vcc o Gnd.
  • Utiliza la salida de Habilitación alta de la lógica. Ajuste Vout o fijo (opc.)

esquemático

O simplemente use un interruptor inteligente de lado bajo totalmente protegido como **VNN3NV04P-E **

Este es un buen ejemplo de cómo un diseño puede evolucionar drásticamente a partir de entradas mal definidas para condiciones de falla.

Malas noticias. Intenté usar algunos fusibles PPTC relativamente rápidos (8 ms), 507-1755-1-ND, pero no eran lo suficientemente rápidos contra un cortocircuito de 24 V. Su simplicidad es excelente, pero creo que voy a necesitar una solución "activa" en lugar de una solución térmica.
¿Dónde especificó la prueba de cortocircuito? Pensé que era solo para protección de energía, no para prueba de Isc. OCP y SCP son dos condiciones de falla diferentes. OCP es una respuesta térmica adecuada, SCP necesita una respuesta de velocidad de unión. El cortocircuito del colector a V+ se puede controlar con un limitador de corriente activo como LM317 para impulsar la carga en corriente constante. con caída de 2.5V. o usa un mejor diseño
No hay problema, probablemente no fui lo suficientemente específico; pero de todos modos, ¿cómo se conectaría el LM317, en este caso? ¿En línea con la carga?
Su sugerencia de usar un interruptor totalmente protegido es excelente: busqué en la misma área que esa parte VNN * y encontré esto: serie Diodes Inc ZXMS. Todavía son lo suficientemente asequibles y deberían ser mucho más duraderos para lo que necesito. Muchas gracias.
Para limitar los cortocircuitos en el controlador al suministro (vs gnd) para la conmutación del lado bajo, generalmente un limitador de corriente del lado alto, por lo que la fuente es como un regulador de 3 terminales con un interruptor del lado bajo. El TPS7xxxx tiene una caída mucho más baja.
Protección contra sobrecorriente de un interruptor de estado sólido de un solo extremo
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