Leistungsschalter
Doppelter High-Side-Schalter erkennt Leitungsunterbrechungen und Überhitzung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Der Leistungsschalter in Industrie-Anwendungen und das Verhalten bei kurzgeschlossener Last
ST beschreibt einige Applikationen, die auf dem eigens für die Leistungsschalter entwickelten Referenz-Board basieren. Eine typische Anwendungsschaltung für den VNI2140J zeigt Bild 4: Es handelt sich um die Ausgangsstufe eines PLC (Programmable Logic Controller) für Industrieautomatisierungs- oder Prozesssteuerungs- Anwendungen. Um den high-seitig angeordneten Baustein vor den schädlichen Einflüssen von Stromversorgungs- Leitungen zu schützen, verwendet man in der Regel Optokoppler, die die Steuerschaltungen von der Stromversorgung trennen – bei den Eingängen ebenso wie im Fall des Diagnose-Pins.
Eine Transil-Diode schützt den High-Side-Schalter (HSS) vor positiven und negativen Spannungsspitzen, sodass die Schaltung die IEC-Norm 61000-4-5 erfüllt. Der Kapazitätswert des Elektrolytkondensators wird entsprechend der Flankensteilheit des Ausgangsstroms, der Impedanz der komplexen Stromversorgungs-Kabel und dem maximal zulässigen Spannungsabfall am Baustein gewählt. Empfehlenswert ist es, einen Kondensator mit niedrigem ESR-Wert möglichst nahe am HSS zu platzieren, um die Stromversorgungs-Leitung zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit zu filtern. Im vorliegenden Fall wurde ein Kondensator mit 47 μF gewählt. Zur Einhaltung der Norm IEC 61000-4-6 (Current-Injection- Test) werden die Ausgangs-Pins 24 Elektronik mit je einem 10-nF-Kondensator versehen.
Induktive Verbraucher sind in Fabrikautomatisierungs- und Prozesssteuerungs- Anwendungen am schwierigsten anzusteuern. Lasten mit einer Nenninduktivität von 1,15 Henry sind hier nicht ungewöhnlich und erfordern zur Ansteuerung eine beträchtliche Energie, was jedoch mit einer erheblichen Verlustleistung und entsprechend hohen Sperrschichttemperaturen einhergeht. Der beschriebene Leistungsschalter ist eigens für das Ansteuern derart großer Lasten ausgelegt.
Verhalten bei kurzgeschlossener Last
Überstrom-Ereignisse und Kurzschlüsse im Verbraucher sind die gravierendsten Vorkommnisse im Betrieb des digitalen Ausgangs, denn die Ausgangsstufen müssen in diesem Fall die gesamte Energie abführen. Darüber hinaus müssen die an die Ausgänge angeschlossenen Verbraucher vor möglicherweise unerwartet hohen Stromspitzen bewahrt werden. Damit diese äußerst hohen Stromspitzen sicher zur Masse abgeleitet werden können, ist ein Strombegrenzungs-Block in den Chip integriert. Hohe Ströme können deshalb immer nur für ganz kurze Zeit fließen, bis die Strombegrenzungs- Schaltung anspricht, die den Ausgangsstrom nur bis auf einen intern festgelegten Wert (typisch 1,6 A) ansteigen lässt.
Ähnliches gilt bei einer dauerhaften Überlastung. Hier reicht die interne Begrenzung des Ausgangsstroms nicht aus, denn wenn ein Kurzschluss oder eine Überlastung länger bestehen bleiben, wird die im Treiberbaustein bzw. im Verbraucher abfallende Verlustleistung entscheidend, da sie zu einer Überhitzung und letztendlich sogar zur Zerstörung des Treibers oder des Verbrauchers führen kann.
Aus diesem Grund ist der Chip mit Temperatursensoren ausgestattet, damit der überlastete Kanal abgeschaltet werden kann, wenn die Sperrschicht- Temperatur einen intern vorgegebenen Wert (150 °C) überschreitet.
Bild 5 zeigt, wie die Spannung am Diagnose- Ausgang bei verschiedenen Ausgangsströmen reagiert: Der Ausgangsstrom wird nach einer kurzen Spitze so lange auf einen festen Wert begrenzt, bis die Sperrschicht-Temperatur den Abschalt- Grenzwert erreicht. Sobald dies der Fall ist, wird der überlastete Kanal abgeschaltet, woraufhin der Ausgangsstrom dieses Kanals auf Null zurückgeht.
Das Diagnose-Signal des überlasteten Kanals hat normalerweise High-Status, bis der Überhitzungsschutz greift und den Kanal deaktiviert. Der Diagnose-Pin wechselt daraufhin in den Low-Status, um die Aktivierung des Überhitzungsschutzes zu signalisieren.
- Doppelter High-Side-Schalter erkennt Leitungsunterbrechungen und Überhitzung
- Der Leistungsschalter in Industrie-Anwendungen und das Verhalten bei kurzgeschlossener Last
- Verhalten bei kapazitiver Last
