Простейшая, самая дешевая, быстрая и минимальная схема ограничения тока с низким сопротивлением в нормальном состоянии

У меня есть цифровой выход, управляемый драйвером верхнего уровня с номинальным напряжением 24 В постоянного тока. Ток нагрузки обычно ниже 100 мА. Выход контролируется, поэтому я могу быстро отключить его, если обнаружу короткое замыкание на стороне нагрузки. Проблема в том, что сам драйвер не защищен, а короткое замыкание приводит к образованию большого количества дыма. Так что мне нужна простая схема на выходе драйвера, которая:

• имеет низкое сопротивление ниже 10 Ом, если выходной ток ниже 100 мА
• быстро увеличивает сопротивление для ограничения тока на уровне 500 мА или ниже
• Выдерживаемая способность при токе короткого замыкания должна составлять не менее 20 мс для обнаружения короткого замыкания и выключения драйвера
• имеет рабочее напряжение 50 В или выше
• имеет минимальные компоненты и дешево (0,20 $ за канал максимум)
• не является поставщиком из одного источника

Я пытался сбросить полифузии PTC, но они слишком медленные. Микрочип FP0100 должен быть хорошим, но дорогим (мне нужно по крайней мере 60 каналов на моей печатной плате). С серией Bourns TBU тоже все в порядке, но и дорого.

Есть еще варианты?

UPD1. Моя текущая выходная цепь - MIC2981 / 82, управляемая сдвиговым регистром 74HC594. На каждом выходе у меня Littelfuse 1206L012 PTC. На моей плате мне нужно 64 таких канала, и это небольшая серия плат, поэтому важна общая цена за канал и площадь.

Ваш типичный двойной транзисторный ограничитель тока может быть вашим лучшим выбором. Ниже показаны версии с верхней и нижней стороны.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Обратите внимание, что с этой цепью существует штраф примерно в вольт.

Купите двойные транзисторы в одном 6-контактном корпусе.

Маленький резистор заставит ток уменьшиться, когда он достигнет Vbe. Другой резистор устанавливает базовый ток и должен быть рассчитан для получения достаточного тока коллектора с учетом Hfe.

ОДНАКО: Имейте в виду, что транзистор должен обрабатывать несколько ватт на время короткого замыкания, поскольку он ограничивает ток только вашим пороговым значением.

Взгляните на микросхемы драйверов верхнего уровня ProFET. Эти устройства предоставляют вам переключаемый накопитель на высокой стороне с защитой от всевозможных вещей, включая перегрузку по току.

Вы можете легко найти и выбрать ProFET от дистрибьюторов.

Взгляните на BSP752T, который является дешевым, небольшим и может работать непосредственно от 3,3 В или 5 В логики.

Чтобы развить превосходный ответ Тревора :

Есть полупроводниковые устройства, которые являются источниками постоянного тока (или поглотителями); многие из них внутренне будут выглядеть точно так же, как схема Тревора (возможно, добавит несколько элементов, компенсирующих температуру).

Один очень упрощенно устройство (постоянный ток с раковиной ровно два штифтов, предназначенных для напряжений <= 50 V и макс / постоянный ток 350 мА) является NSI50350AD . Я не знаю, что он делает внутри, но в техническом описании он называется «самосмещенным транзистором», поэтому есть вероятность, что это может быть комбинация некоторых биполярных транзисторов, JFET и пары резисторов внутри.

Теперь ваш предел 50 В действительно больно - трудно найти встроенные источники тока, которые будут работать при этом напряжении. Для меньших токов может работать самодостаточный JFET, но при 100 мА это будет дорого.

Итак, я бы действительно выбрал решение Тревора, хотя мог бы порекомендовать несколько вещей:

• Проверьте, не можете ли вы просто увеличить скорость обнаружения неисправностей. Это решило бы проблему.
• Поскольку (насколько я знаю - поправьте меня, если я ошибаюсь) сложно найти транзисторные массивы (которые вы бы предпочли, если вам нужно уменьшить усилия и место на плате), вы можете потратить немного больше на компонент чем просто NPN для Q4, но сэкономьте на стоимости выбора и размещения, используя устройство с несколькими компараторами в одном случае. К счастью, 4x компараторы и 4x операционные усилители стоят около 13 кар при покупке сотнями, так что это примерно 3 кар в операционном усилителе на канал; используйте операционный усилитель / компаратор, чтобы сравнить напряжение над R2 с постоянным эталонным напряжением (здесь может быть использован простой стабилитрон) и управлять Q3. Обратите внимание, что вам больше не нужен R3 для каждого канала. (то же самое относится к подходу с высокой стороны с Q5 / Q6)
• Используйте резисторные матрицы вместо отдельных резисторов, если позволяет тепловая конструкция.

$I_\text{Load}$

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Дешевый кандидат на оптопару был бы Lite-On CNY17 .

Это один работает до $ 0,2 / порт x16 https://ca.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/MCZ33996EKR2?qs=sGAEpiMZZMuCmTIBzycWfKe9ppy40BrEybgj5eCsa3I%3d

Вот основная идея схемы SCR. Возможно, придется добавить резистор последовательно с PTC1, чтобы получить правильное значение сопротивления. Полное сопротивление параллельно основному эмиттерному соединению Q1 будет устанавливать ток отключения. Как только Q1 начинает проводить, SCR срабатывает, а затем нагрузка будет защищена до срабатывания PTC. Q1 может быть SOT-23. R3 и R4 просто догадки. Они просто предназначены для предотвращения перегрузки по току к Q1. Большинство SCR довольно большие. Я дам вам посмотреть, сможете ли вы найти один достаточно маленький, чтобы удовлетворить ваши потребности.

Примечание. После срабатывания SCR вам, вероятно, придется отключить питание, прежде чем оно перестанет тянуть за направляющую.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Я собирался предложить серию двойных транзисторных цепей, но Trevor_G уже отлично справился с этой задачей.

Вместо этого я подумал, что стоит пересмотреть вариант предохранителя PTC. Вы говорите, что они были слишком медленными, но это говорит о том, что вместо этого вы могли бы использовать маргинальный источник питания.

Рассмотрим Littelfuse RXEF017. Для отключения при 500 мА может потребоваться 8 с, но достаточно ли достаточно тока, чтобы защита от короткого замыкания успела сработать? При 2А время срабатывания <0,2 с, что не так много энергии в системе 24 В. На самом деле, цель плавкого предохранителя - быть самым восприимчивым компонентом в цепи к току, поэтому немного беспокоит то, что что-то еще может бросить дым перед предохранителем.

Я просто боюсь, что вы столкнетесь с проблемой ограничения тока узким окном ниже 500 мА, а затем обнаружите, что другие вещи становятся маргинальными, потому что они не могут потреблять достаточный пусковой ток, чтобы заряжать колпачки или возбуждать импульс или что-то в этом роде.