Schaltungspraxis - Überlastschutz Leistungsbegrenzung per Lastschalter

Überlastungsschutz per Lastschalter
Überlastungsschutz per Lastschalter

Damit eine Leistungsbegrenzung die Leistung erfassen kann, müssen die Messwerte für Strom und Spannung multipliziert werden. In vielen Fällen genügt eine einfachere Schaltung: eine Strombegrenzung, die mit dem gemessenen Spannungswert moduliert wird.

Strombegrenzerschaltungen sind als Schutzfunktion in Stromversorgungen sehr verbreitet. Häufig aber wird statt einer Strom- eine Leistungsbegrenzungsfunktion benötigt. Der Grund hierfür kann sein, dass die am Ausgang einer Stromversorgung angeschlossene Last, wie z.B. ein Gleichspannungswandler, eine konstante Leistung aufnimmt. Wenn die Versorgungsspannung eines solchen Gleichspannungswandlers starken Schwankungen unterliegt, kann es passieren, dass die ihn speisende Stromversorgung mit einer einfachen Strombegrenzung nicht bei allen Spannungen genügend Leistung an den Gleichspannungswandler abgibt. Würde die Konstantstrom-Begrenzung aber so eingestellt, dass auch bei niedriger Spannung genügend Leistung an die Last abgegeben werden kann, würde bei hohen Spannungen mehr Leistung abgegeben werden, was zu einer Überlastung führen könnte.

Um die von der speisenden Stromversorgung abgegebene Leistung zu limitieren, kann ein programmierbarer Lastschalter verwendet werden, der eigentlich nur für eine Strombegrenzung entwickelt wurde. Dazu ist nur eine Modulation erforderlich, wie am folgenden Beispiel eines Sperrwandlers gezeigt wird.

Lastschalter zum Schutz

Bei dem Lastschalter-IC TPS1H100-Q1 [1] handelt es sich um einen einkanaligen, mit robusten Fehlerschutz-Funktionen ausgestatteten und für Automobil-Anwendungen geeigneten Lastschalter. Der für Spannungen bis 40 V ausgelegte Lastschalter enthält einen Leistungs-MOSFET mit einem typischen RDS(ein)-Wert von 80 mΩ und eine programmierbare Strombegrenzung. Als weitere Schutzfunktionen sind Überstrom- und Überhitzungsschutz, Ausgangsspannungs-Klemmung und Überwachungsfunktionen integriert.

Die Genauigkeit der Strombegrenzung hängt von der Höhe des Laststroms ab. Bei den in diesem Beispiel betrachteten Lastströmen beträgt sie ±20 % über den Temperaturbereich von –40 °C bis +150 °C. Die Genauigkeit bei anderen Lastströmen ist dem Datenblatt [1] zu entnehmen.

Leistung begrenzen

Die Funktionsweise der Strombegrenzung des TPS1H100-Q1 beruht darauf, dass am CL-Pin des IC und über den daran angeschlossenen Widerstand (RCL) der gespiegelte Laststrom (IA) dividiert durch eine Konstante (KCL = 2000) ausgegeben wird. Wenn die Spannung über RCL den Grenzwert von UCL = 1,23 V überschreitet, wechselt der Schaltkreis gemäß der folgenden, dem Datenblatt [1] entnommenen und umgestellten Gleichung in den Strombegrenzungs-Modus:

left parenthesis 1 right parenthesis space space space U subscript C L end subscript space equals thin space fraction numerator R subscript C L end subscript times I subscript A over denominator K subscript C L end subscript end fraction

Für den Einsatz als Leistungsbegrenzer (Bild 1) wird die Eingangsspannung (UE) des Lastschalters genutzt, um die zur Strombegrenzung genutzte Spannung am CL-Pin zu verändern. Dazu wird die Eingangsspannung (UE), über einen Spannungsteiler geteilt, auf den Eingang eines als Impedanzwandlers beschalteten Operationsverstärkers gegeben.

Der Ausgang des Operationsverstärkers wird mit dem Widerstand RCL verbunden. Die Spannung über RCL hängt nun also einerseits von dem durch ihn fließenden gespiegelten Laststrom (IA/KCL) ab, andererseits aber auch von der Spannung, die durch den geteilten UE-Wert bestimmt wird. Wenn UE ansteigt oder abnimmt, wird auch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers größer bzw. kleiner, sodass der TPS1H100-Q1 bei einem niedrigeren bzw. einem höheren Strom als zuvor in den Strombegrenzungsmodus wechselt. Da die Strombegrenzung also durch UE moduliert wird, arbeitet diese Schaltung näherungsweise als Leistungsbegrenzung.

Die Gleichung für die durch UE modulierte Strombegrenzungsfunktion lautet wie folgt:

left parenthesis 2 right parenthesis space space space U subscript C L end subscript space equals thin space U subscript E times fraction numerator R subscript 1 over denominator R subscript 1 plus R subscript 2 end fraction space plus space fraction numerator R subscript C L end subscript times I subscript A over denominator K subscript C L end subscript end fraction

Diese Gleichung beschreibt näherungsweise eine konstante Leistung über einen Eingangsspannungsbereich. Eine echte Leistungsbegrenzung würde zur Leistungserfassung die Spannungs- und Stromstärkemesswerte miteinander multiplizieren. Die vorgestellte Schaltung bedient sich eines einfacheren Weges und nutzt eine UE-proportionale Modulation der Strombegrenzung [2].