Uso de un diodo zener para limitar la corriente a un IC para varios voltajes de entrada

Estoy diseñando una placa basada en el controlador de solenoide DRV110 de TI. La hoja de datos explica que:

" El DRV110 es capaz de regular V I norte voltaje de un voltaje de suministro externo más alto, V S , por un regulador de derivación interno que replica la función de un diodo Zener ideal. Esto requiere que la corriente de suministro esté suficientemente limitada por una resistencia externa entre V S y el V I norte alfiler. "

V I norte está efectivamente siempre regulado para 15 V . El DRV110 puede hundirse entre 1 y 3 metro A , pero también requiere suficiente corriente para impulsar otros componentes conectados. En mi diseño, este I a tu X = 1.5 metro A solo para conducir un MOSFET y una red de resistencias.

La hoja de datos recomienda que para un V S (voltaje de fuente) de 24 V D C , añadimos una resistencia en serie ( R s ) de 9 k Ω entre V S y V I norte . Esto tiene sentido para mí. En 24 V fuente, el dispositivo tiene que regular hasta 15 V , una gota de 9 V . Ahora podemos soltar el 9 V sobre la resistencia, y en 9 k Ω , la corriente a través del zener interno es 1 metro A .

  1. Esto no entregaría suficiente corriente si necesito I a tu X aunque, ¿correcto? Necesitaríamos 3.6 k Ω en lugar de eso, tendríamos un total de 2.5 metro A .

  2. ¿Estoy también limitado a algún voltaje aquí, más alto que 24 V pero no necesariamente el completo 48 V que el dispositivo puede aceptar? En 48 V caemos 33 V Abajo a 15 V , y eso 33 V / 9 k Ω = 3.66 metro A lo cual es demasiado para que el DRV110 se hunda.

Sin embargo, las cosas se ponen raras porque el DRV110 tiene un amplio rango de entrada ( V S de 6 a 48 V D C ) y creo que en el diseño de referencia intentaron agregar un regulador externo para un diseño más robusto. A continuación se muestran las notas del diseño de referencia más el esquema. Tenga en cuenta que en el diseño de referencia, el I a tu X era más alto, por lo que la corriente requerida es más como 9 metro A :

"En el diseño de referencia, R S = R 1 + R 2 , y el voltaje de entrada mínimo = 19.4 V . Por lo tanto,

R S = 19.4 – 15 1 + 0.11 + 8 = 480 Ω .

El diodo zener D 1 sujeta el voltaje a 20 V usando la resistencia en serie R 1 . A una tensión nominal de entrada de 24 V D C , el diodo Zener D 1 regula el voltaje a 20 V . Entonces la caída a través R 1 es 4 V y a través R 2 es 5 V . Esta gota asegura que R 1 toma la mayor parte de las cargas debido a un aumento en el voltaje de entrada.

Los valores de diseño anteriores a la tensión nominal de entrada de 24 V D C da la proporción R 2 / R 1 = 5 / 4 , llevando a R 2 = 300 Ω y R 1 = 178 Ω . Estos valores aseguran que con el aumento en el voltaje de entrada, la caída de corriente del DRV110 permanece constante".

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Simplemente no entiendo la lógica anterior.

  1. ¿No sería siempre la corriente al DRV110
    ( 20 − 15 ) V 300 Ω = 16.7 metro A ,
    significativamente más que el diseño exigido?

Ahora diga que el voltaje de entrada era más bajo (supuestamente lo diseñaron para tan bajo como 19.4 V ). Dejar V s = 21 V D C . La corriente a través R 1 es ( V s − 20 V ) / 178 Ω cuál podría ser 5.6 metro A y esto es menor que la corriente a través R 2 que se fija en 16.7 metro A .

  1. aquí, sería D 1 dejar de sujetar a 20 V y la corriente se basaría en la resistencia en serie de R 1 + R 2 ? En este escenario, eso sería ( 21 − 15 ) V / 478 Ω cuál podría ser 12.5 metro A , de nuevo demasiado alto.

Creo que mi comprensión de la función zener y/o el consumo de corriente del IC es defectuosa aquí. Se supone que la red limita la corriente, así que tal vez deba dejar de pensar en ella como determinante del consumo actual. En este punto he estado pensando demasiado en ello y no estoy haciendo ningún progreso.

¡Gracias a todos!

Revisé su publicación varias veces y no veo ningún defecto inmediato en su comprensión de los zeners. Pero tienes razón en tu (2) sin embargo. El hecho de que un IC pueda operar en un amplio rango de voltaje no significa necesariamente que sea posible usarlo en un diseño único que se adapte a todo ese rango. Es posible que deba seleccionar un rango más pequeño dentro de ese rango más grande para un solo diseño debido a limitaciones prácticas.
Por ejemplo, un regulador reductor podría aceptar 6-42 V, pero no puede hacer un solo diseño usándolo que realmente acepte 6-42 V. Sin embargo, puede hacer un diseño que acepte 6-24V y otro diseño que acepte 24-48V.
¡Gracias! Entiendo que el IC no puede aceptar simultáneamente el rango completo, supongo que mi pregunta es más sobre la segunda mitad, sobre cómo funciona cuando usa primero el regulador zener externo.
El zener externo consiste en dividir la disipación de potencia. En el ejemplo del controlador de corriente controlada para solenoide de 24 V CC con detección de fallas del émbolo, Figura 7, el zener D5 'disipa la parte de 24 V a 20 V' y el DRV110 junto con los otros IC auxiliares 'disipa de 20 V a 15 V' Mal redactado , pero espero que sea lo suficientemente claro para entender la idea
Re: pregunta (1): digamos que elijo usar solo una resistencia de serie única para limitar la corriente. Diseño para aceptar una entrada de 24 V con +/- 5 %, por lo que realmente de 23 a 25. Si elijo 3,2 kohmios, en una fuente de 23 V, estaría manejando 2,5 mA, 1 mA para polarizar el zener interno y hasta 1,5 mA para controlar mi FET y resistencias. en FUERA. Con una fuente de 25 V, estaría manejando 3,13 mA, que ahora polariza el zener con 1,63 mA, aún dentro de mi limitación de 1-3 mA.
¿Cómo defines I a tu X ? ¿Qué valor tiene en su aplicación?
había calculado un I a tu X = 1,5 mA debido a una red desplegable en mi MOSFET en el pin de SALIDA, 10 kohmios. Entonces I a tu X + 1 mA para sesgar el zener se convirtió en una corriente mínima de 2,5 mA para conducir al DRV110.
Si leo ambas hojas de datos, puede usar perfectamente el DRV110 para toda la gama. El pdf de ejemplo de diseño solo muestra un "truco" sobre cómo usar el zener de DRV110 para estabilizar el voltaje para el DRV110, así como otros circuitos integrados vinculados a él (los otros circuitos integrados consumen Iaux). Simplemente no ate otros circuitos integrados al pin VIN del DRV110 si ve problemas en la disipación de energía.
@ k1ngofhartz Sí, la resistencia de 3.2kohms funcionaría.

Respuestas (1)

1) Correcto.

R S = V i norte − 15 V 1 metro A + I a tu X = 24 V − 15 V 1 metro A + 1.5 metro A = 3.6 k Ω

2) A 48 V, debe elegir una resistencia diferente.

R S = V i norte − 15 V 1 metro A + I a tu X = 48 V − 15 V 1 metro A + 1.5 metro A = 13.2 k Ω

3) Sí. Es bastante raro. El 19.4 V / 24 V ≈ 4 / 5 . Pero 4 / 5 ∗ 480 Ω = 384 Ω . y en realidad 470 Ω comienza a tener más sentido.

20 V − 15 V 470 Ω = 10.6 metro A = 8 metro A  (para  I a tu X ) + 2.6 metro A  (para  I q )
Pero eso requiere un gran R1 y D1 a voltajes de entrada más altos.

Por cierto, no encontré un límite de corriente superior duro para I q en la hoja de datos, solo un recomendado. ¿Tal vez se permiten 8 mA y funcionan los 300 ohmios? ¿Pero tal vez alcanza el límite térmico al exceder los 3 mA?

4) No olvides restar I a tu X , pero 4,5 mA sigue siendo más que recomendable

EDITAR: según las respuestas,
la página 5 muestra los valores recomendados para I q , no las calificaciones máximas absolutas .

Un enfoque para estimar la corriente máxima es razonar de la siguiente manera: si fuera un zener normal, el voltaje se limitaría a 15 V. Para el caso de la 300 Ω resistencia, hasta 8 mA fluyen a través del zener. Para un zener normal, esto produciría una disipación de 120 mW. 120mW causa usando un enfoque contundente un aumento de temperatura de solo R θ j A ∗ 120 metro W = 183.8 ° C / W ∗ 120 metro W = 22 ° C .
Esto se aplica a un zener normal, pero creo que su implementación del zener ideal no se desviará mucho de esta disipación (si fuera peor, ¿por qué no implementaron un zener real en el DRV110 en primer lugar?).

Entonces, ¿por qué la recomendación de un máximo de 3 mA si no es para limitar la disipación de energía? Tomó algún tiempo, pero creo que tiene que ser explicado de la siguiente manera. La nota al pie dice:

El dispositivo se hunde hasta 3 mA con la corriente de suministro adicional.

El dispositivo usa hasta 3 mA como máximo, ¡no el zener! Entonces, elegir una demasiado grande R S podría caer el voltaje de suministro por debajo de los 15 V, por lo que el zener está deshabilitado/no funciona. Los zeners normales requieren una corriente para sujetar al voltaje nominal (las hojas de datos de zener muestran una corriente de prueba), que es probablemente la razón por la que se debe elegir una corriente más alta que la suma de I q + I d r v + I a tu X .

Pero entonces, es extraño que usen 1 mA en sus cálculos, y no el máximo de 3 mA.

Re: Límite superior: en la página 5 de la hoja de datos menciona I q min es 1mA, max es 3mA, nominal es 1.5mA. También "El dispositivo regula el suministro con un diodo zener interno. El dispositivo se hunde hasta 3 mA con la corriente de suministro adicional... encuentre el valor apropiado para Rs".
Además, la página 12 proporciona ecuaciones para los valores mínimo y máximo de Rs según el voltaje de entrada mínimo/máximo, aunque, como hemos visto, existe un límite en el rango que puede cubrir un solo Rs. Las Rs mín./máx. se basan en el máx./mín. I q (3 y 1 mA respectivamente) más el I GRAMO a t mi , A V mi que está relacionado con el MOSFET. El mío lo calculé como muy pequeño (0.06mA) pero también tengo una red desplegable resistiva que consumirá corriente (200 ohmios en serie con la puerta y 10 kohm en paralelo como un pulldown).
En última instancia, simplemente no pude (y todavía no veo exactamente) la correlación con estos valores y los elegidos en el diseño de referencia separado. ¿Quizás hay un error en el diseño de referencia, o al menos en su documentación?
Re: EDITAR - Extrañé por completo que fuera "¡Recomendado!" Creo que tiene razón aquí, aunque creo que cuando se refieren a la corriente de hundimiento del dispositivo, de hecho se refieren al zener interno. La recomendación es sólo cuando V I norte es mayor que V Z mi norte mi R que es de 15V.
Creo que, en última instancia, está tratando de decir que el dispositivo solo puede regular el suministro a 15 V con al menos 1 mA para activar el zener interno y si coloca un demasiado grande R S O tu R C mi ahogará el zener y el suministro no se regulará exactamente a 15. De manera similar, si R S O tu R C mi es demasiado grande, nos encontramos con el problema de disipación de energía que mencionaste. Puede regular un suministro de 48 V, por lo que básicamente es la hoja de datos que dice "no aplique 48 V directamente o lo quemará, intente no superar los 3 mA".
Creo que gran parte de mi confusión se debió a que no vi el "Recomendado". Porque he estado probando con el módulo de evaluación y he visto que el dispositivo funciona perfectamente bien a un poco menos de 1 mA y más de 3 mA y estaba confundido por qué la evaluación se habría diseñado para funcionar fuera de las especificaciones de las hojas de datos. Tiene mucho más sentido si hay un poco de margen de maniobra allí.
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