圖1中的斷路器僅需幾個(gè)廉價(jià)的元件,，即可對過電流和過電壓故障狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng),。電路的核心是可調(diào)節(jié)的精密分路電壓調(diào)節(jié)器D2，置在一只3引腳的封裝中,，提供了電壓參考,、比較器和集電極開路輸出。
過電壓保護(hù)" border="0" height="281" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100811/1ee917cc-79ee-4b3b-959c-8500979baa5d.jpg" width="365" />
圖2顯示了ZR431,、D1的簡化圖,。參考輸入的電壓與標(biāo)稱為2.5V的內(nèi)部電壓參考VREF進(jìn)行比較。 在關(guān)閉狀態(tài),，當(dāng)參考電壓為0V時(shí),，輸出晶體管關(guān)閉，陰極電流小于0.1mA,。當(dāng)參考電壓接近VREF時(shí),，陰極電流稍微增大，參考電壓超過2.5V閥值時(shí),，裝置完全接通,，陰極電壓降到約2V。在這種條件下,，陰極和供電電壓間的阻抗確定了陰極電流,，其大小從50mA~100mA。
在正常運(yùn)行條件下,，D2的輸出晶體管關(guān)閉,，P溝道MOSFET Q4的柵極通過R9,，使MOSFET全面增強(qiáng)，允許負(fù)載電流ILOAD從電源電壓-VS流經(jīng)R6進(jìn)入負(fù)載中,。Q2與電流檢測電阻R6監(jiān)測ILOAD的幅度,，其中Q2的基射極電壓VBE為ILOAD×R6。對于正常值的ILOAD,，VBE小于使 Q2偏置的0.6V,，所以晶體管對R3和R4節(jié)點(diǎn)的電壓沒有影響。由于D2參考輸入的輸入電流小于1mA,，在R5上的電壓降可忽略,，參考電壓實(shí)際上等于R4
上的電壓。
如果當(dāng)ILOAD超過其最大允許值時(shí)的過載情況下,，R6上電壓增加,，導(dǎo)致足夠的基射極電壓導(dǎo)通Q2。R4的電壓與參考電壓向VS靠近,，導(dǎo)致D2陰極電壓降到約2V,。D2的輸出晶體管現(xiàn)在吸收通過R7和R8的電流,，將Q3偏置導(dǎo)通,。Q4的柵極電壓有效地箝位通過Q3的電源電壓，然后MOSFET 關(guān)閉,。同時(shí),，Q3通過D1向R4提供電流，從而將R4到二極管電壓降到低于電源電壓,。因此,，由于Q2的基射極電壓現(xiàn)在為0V，已經(jīng)關(guān)閉,，沒有負(fù)載電流通過R6,。結(jié)果，無負(fù)載電流通過R6, D2的輸出晶體管觸發(fā)閂鎖,，電路保持其斷路狀態(tài),，其中負(fù)載電流為0A。當(dāng)為R6選擇值時(shí),，在最大允許的負(fù)載電流下,，應(yīng)確保Q2的基射極電壓小于約0.5V 。
在對過電流條件作出反應(yīng)時(shí),，斷路器還可對異常大的電源電壓作出反應(yīng),。當(dāng)負(fù)載電流在其正常范圍內(nèi)，且Q2關(guān)閉時(shí),，電源電壓的大小及在電源線間構(gòu)成一個(gè)分壓器的R3和R4值,，確定了參考輸入的電壓,。如果電源出現(xiàn)過電壓，R4上的電壓超過2.5V 參考電平,，D2的輸出晶體管開始導(dǎo)通,。Q3 再次導(dǎo)通，MOSFET Q4關(guān)閉,，負(fù)載有效地與危險(xiǎn)的暫態(tài)電壓隔離,。
電路保持?jǐn)嗦窢顟B(tài)直到復(fù)位。在這些條件下,，Q3將Q4的柵源電壓箝位到0V左右,，從而保護(hù)了MOSFET 不受過大柵極源電壓的損壞。不管R5上可忽略的電壓,，可以看到參考電壓為VS×R4/(R3+R4),。當(dāng)參考電壓超過2.5V時(shí)，由于D2的輸出導(dǎo)通,，可以重新設(shè)定公式R3=[(VST/2.5)-1]×R4 ,，以Ω 表示，其中VST為所需的電源電壓斷路電平,。例如,，如果R4 值為10kΩ，18V的斷路電壓要求R3值為62 kΩ,。在為R3和R4選擇值設(shè)定所需的斷路電壓時(shí),，要確保它們足夠大，以保證分壓器不會(huì)使電源過載,。同樣,，盡量選擇避免由于參考輸入電流造成誤差的值。
當(dāng)初次對電路加電時(shí),，會(huì)發(fā)現(xiàn)電容,、燈絲、電機(jī)及類似的負(fù)載都有較大的浪涌電流可使斷路器斷路,，盡管其正常穩(wěn)定的工作電流低于R6設(shè)定的斷路電平,。解決此問題的一種方法是添加電容C2，可減慢參考輸入的電壓變化速率,。這種方法雖然簡單但有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn),，它會(huì)減慢電路對真正過電流故障條件的響應(yīng)時(shí)間。
元件C1,、R1,、R2和Q1提供了另一種解決方案。在加電時(shí)，C1初次放電使Q1導(dǎo)通,，從而將參考輸入箝位到0V,，電路斷路時(shí)產(chǎn)生浪涌電流。然后C1通過R1和R2進(jìn)行充電直到Q1最終關(guān)閉,，解脫參考輸入的箝位,，可讓電路迅速對過電流響應(yīng)。如C1,、R1和R2的值,，電路允許約400ms后浪涌電流消失。如選擇其它值允許電路的負(fù)載承受任意長時(shí)間的浪涌電流,。如果斷路器斷開,，可以循環(huán)電源或按復(fù)位開關(guān)S1，將其復(fù)位,。如果應(yīng)用不需要浪涌保護(hù),，可簡單省略C1、R1,、R2 和Q1,，將S1連接在參考輸入和0V之間即可。
在選擇元件時(shí),，確保所有元件都要符合可能遇到的額定電壓和電流級別,。雙極晶體管沒有特殊需要，這些晶體管,，特別是Q2和Q3,，應(yīng)該有較高的電流增益,，Q4應(yīng)該有較低的導(dǎo)通電阻,，Q4的最大漏源極和柵源極電壓必須符合電源電壓的最大值。D1可以使用任何小信號二極管,。如果可能遇到超大的瞬間電壓,，作為保護(hù)措施，必須使用齊納二極管 D3和D4來保護(hù)D2,。
盡管此電路使用很多制造商都能提供的431器件,，但對于D2，并非所有的部分都以相同的方式工作,。例如,，對Texas Instruments的TL431CLP和Zetex ZR431CL的測試顯示，在參考電壓為0V時(shí),，兩種器件的陰極電流為0A ,。然而，逐漸將參考電壓從2.2V增大到2.45V,，對于TL431CLP可以形成陰極電流在220mA~380mA的范圍內(nèi)變化,，對于ZR431CL則從23mA變化到28mA,，兩種器件間存在約10倍差異。在選擇R7和R8的值時(shí),，必須考慮這種陰極電流大小的差異,。
用于D2的器件類型及為R7和R8選擇的值也對響應(yīng)時(shí)間有影響。含有TL431CLP的測試電路,，其中R7為1 kΩ,，R8為4.7 kΩ，可在550 ns 內(nèi)對瞬態(tài)過電流進(jìn)行響應(yīng),。將TL431CLP替換為ZR431CL,，則響應(yīng)時(shí)間變?yōu)?ms。將R7和R8提高一個(gè)數(shù)量級,，分別達(dá)到10kΩ和47kΩ,，可產(chǎn)生2.8ms的響應(yīng)時(shí)間。注意,，如果TL431CLP 的陰極電流相對較大,，則相應(yīng)需要較小的R7和R8值。
要在18V設(shè)定過電壓斷路電平,，R3和R4的值必須分別為62 kΩ和10kΩ,。測試電路會(huì)產(chǎn)生下列結(jié)果：對D2采用TL431CLP，電路在17.94V時(shí)斷路,，如對D2采用ZR431CL,，斷路電平為18.01V。根據(jù)Q2的基射極電壓不同,，過電流檢測機(jī)制比過電壓檢測的精度差一些,。然而，以高端的電流檢測放大器來替換R6和Q2,，可極大地提高過電流檢測精度,。該放大器可產(chǎn)生與負(fù)載電流成正比的地參考電流。這些器件生產(chǎn)廠家有Linear Technology,、Maxim,、Texas Instruments、Zetex和其它一些公司,。
斷路器在汽車系統(tǒng)中很有用,，既需要過電流檢測防止有故障的負(fù)載、也需要過電壓保護(hù)避免敏感電路不受高能負(fù)載突降瞬態(tài)的影響,。除了通過R3和R4的小電流及D2的陰極電流外,，在正常未斷路的狀態(tài)下，電路不從電源吸收電流。