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Schaltungspraxis - Überlastschutz

Leistungsbegrenzung per Lastschalter

24. Februar 2017, 11:27 Uhr | Von Dan Tooth

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Testergebnisse im Betrieb

Die Schaltung wurde mit Hilfe von TINA-TI bei einer Überlast von 2,2 Ω simuliert, wobei U_E binnen 15 ms über einen weiten Bereich von 1,5 V bis 20 V variiert wurde. Eine Last von 2,2 Ω stellt eine erhebliche Überlastung dar, sodass sich der Lastschalter-IC über den gesamten U_E-Bereich hinweg immer im Strombegrenzungs-Modus befindet (Bild 2). Wegen seiner UVLO-Funktion wird der IC erst bei U_E ≥ 3,5 V aktiviert. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers steigt entsprechend an und die Strombegrenzung ändert sich in der gezeigten Weise, wie am zurückgehenden Ausgangsstrom I_A erkennbar ist. Über den der Schaltung zugrunde gelegten U_E-Bereich von 9 V bis 15 V erreicht die Leistung bei 9 V und 15 V ihren Mindestwert von 7,8 W, um bei U_E = 12 V auf 8,3 W anzusteigen. Anders ausgedrückt: Die Grenzleistung ändert sich nur um 6 %, wenn sich U_E um 50 % ändert.

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Testergebnisse im Betrieb Bild 3-5

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Eine moderate Überlast von beispielsweise 10 Ω ergibt einen normalen Betrieb, bis U_E auf über 9 V ansteigt. An diesem Punkt wird die Maximalleistung erreicht, sodass die Schaltung anschließend in die Leistungsbegrenzung übergeht (Bild 3).

Die Schaltung aus Bild 1 wurde zusätzlich im Labor geprüft, wobei die Eingangsspannung UE bei einer mäßigen Überlast von 10 Ω stufenweise zwischen 4 V und 20 V variiert wurde. Die Leistung wird dabei über einen weiten UE-Bereich von 8,7 V bis 17 V auf einen recht kon-stanten Wert von 7,8 W geregelt und erreicht ein Maximum von 8,5 W (Bild 4).

Anschließend wurde eine erhebliche Überlast von 2,2 Ω angelegt und UE in der zuvor beschriebenen Weise variiert. Bild 5 zeigt das Ergebnis dieser Laborprüfung. Die Leistung, die einen Höchstwert von 9 W erreicht, liegt im Bereich zwischen 9 V und 16 V über 8 W. Unter diesen Überlast-Bedingungen entsteht im Lastschalter-IC selbst sehr viel Verlustleistung, sodass der Überhitzungsschutz anspricht, sobald der Chip seine Maximaltemperatur erreicht. Dieser Überhitzungsschutz bewirkt ein wiederholtes Ein- und Ausschalten des IC, wenn sich der Chip erwärmt und nach seiner Abschaltung wieder abkühlt. In einer realen Anwendung könnte eine derart gravierende Überlast unter ansonsten normalen Bedingungen dann auftreten, wenn ein ungeladener Kondensator als Last angeschlossen wird.

Als weiteres Beispiel zeigt Bild 6 das Anlaufen mit einem Kondensator von 1000 pF und einem parallelgeschalteten 120-Ω-Widerstand am Ausgang. Da ein ungeladener Kondensator fast wie ein Kurzschluss wirkt, begrenzt der Lastschalter-IC den Strom und der Operationsverstärker limitiert die Leistung auf 8 W. UA (hier nicht gezeigt) steigt während des Haupt-Strom- und -Leistungsimpulses auf 12 V an. Ist der Kondensator aufgeladen, gehen Strom und Leistung zurück, da dann nur noch der Lastwiderstand von 120 Ω versorgt werden muss. An welcher Maximallast der Lastschalter-IC anlaufen kann, hängt von der Größe des Kondensators am Ausgang sowie etwaigen ohmschen Lasten und der Umgebungstemperatur ab.

Literatur

[1] TPS1H100-Q1 40-V, 100-mΩ Single-Channel Smart High-Side Power Switch. Texas Instruments, Datenblatt, www.ti.com/lit/ds/symlink/tps1h100-q1.pdf
[2] White, R. V.: Constant Power Limiter: A Linear Approximation. Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 13.–17. Februar 1994, Konferenzband 2, S. 652–658, DOI: 10.1109/APEC.1994.316336.

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