طرح هایی برای محافظت از دستگاه ها در برابر افزایش جریان و ولتاژ. مدار حفاظت از اضافه بار منبع تغذیه در KU202 حفاظت جریان ساده

پیاده سازی مدار حفاظتی سخت نیست، به خصوص که برای محافظت از تمام دستگاه های شما در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار بسیار مهم است. اگر به هر دلیلی اتصال کوتاهی در دستگاه ایجاد شود، می تواند عواقب جبران ناپذیری برای آن به همراه داشته باشد. برای محافظت از شما در برابر هزینه های غیر ضروری و دستگاه از فرسودگی، کافی است مطابق نمودار زیر یک اصلاح کوچک انجام دهید.

توجه به این نکته ضروری است که کل مدار بر روی یک جفت ترانزیستور مکمل ساخته شده است. برای درک، بیایید معنای عبارت را رمزگشایی کنیم. ترانزیستورهایی با پارامترهای یکسان، اما جهات مختلف اتصالات p-n، جفت مکمل نامیده می شوند.

آن ها تمام پارامترهای ولتاژ، جریان، قدرت و سایر ترانزیستورها کاملاً یکسان هستند. تفاوت فقط در نوع ترانزیستور p-n-p یا n-p-n ظاهر می شود. ما همچنین نمونه هایی از جفت های مکمل را ارائه خواهیم کرد تا خرید شما را آسان تر کنیم. از نامگذاری روسی: KT361/KT315، KT3107/KT3102، KT814/KT815، KT816/KT817، KT818/KT819. BD139/BD140 برای نمونه های وارداتی مناسب است. رله باید برای ولتاژ کاری حداقل 12 ولت، 10-20 آمپر انتخاب شود.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد:

وقتی از آستانه خاصی فراتر رفت (آستانه توسط یک مقاومت متغیر به صورت تجربی تنظیم می شود)، سوئیچ های جفت ترانزیستور مکمل بسته می شوند. ولتاژ خروجی دستگاه ناپدید می شود و LED روشن می شود که نشان می دهد سیستم محافظ دستگاه فعال شده است.

دکمه بین ترانزیستور به شما امکان می دهد حفاظت را مجددا تنظیم کنید (در حالت ثابت بسته است، یعنی برای باز کردن کار می کند). می توانید حفاظت را به روش دیگری تنظیم مجدد کنید، به سادگی دستگاه را خاموش و روشن کنید. حفاظت مربوط به منابع تغذیه یا شارژ باتری است.

یک طرح حفاظتی برای هر نوع منبع تغذیه ارائه شده است. این مدار حفاظتی می تواند با هر منبع تغذیه - برق، سوئیچینگ و باتری های DC کار کند. جداسازی شماتیک چنین واحد حفاظتی نسبتاً ساده است و از چندین جزء تشکیل شده است.

مدار حفاظتی منبع تغذیه

قسمت برق - یک ترانزیستور قدرتمند میدانی - در حین کار بیش از حد گرم نمی شود، بنابراین نیازی به هیت سینک نیز ندارد. مدار در عین حال محافظت در برابر اضافه بار برق، اضافه بار و اتصال کوتاه در خروجی است، جریان عملیات حفاظتی را می توان با انتخاب مقاومت مقاومت شنت انتخاب کرد، در مورد من جریان 8 آمپر، 6 مقاومت 5 است. وات 0.1 اهم متصل به صورت موازی استفاده شد. شنت همچنین می تواند از مقاومت هایی با توان 1-3 وات ساخته شود.

با انتخاب مقاومت مقاومت پیرایش می توان حفاظت را با دقت بیشتری تنظیم کرد. مدار حفاظت منبع تغذیه، تنظیم کننده حد جریان مدار حفاظت منبع تغذیه، تنظیم کننده حد جریان

~~~در صورت اتصال کوتاه و اضافه بار خروجی واحد، حفاظت فوراً کار می کند و منبع تغذیه را خاموش می کند. یک نشانگر LED نشان می دهد که حفاظت فعال شده است. حتی اگر خروجی برای چند ده ثانیه اتصال کوتاه کند، ترانزیستور اثر میدان سرد می ماند.

~~~ ترانزیستور اثر میدان مهم نیست، هر کلیدی با جریان 15-20 آمپر یا بالاتر و ولتاژ کاری 20-60 ولت انجام می دهد. کلیدهای IRFZ24، IRFZ40، IRFZ44، IRFZ46، IRFZ48 یا کلیدهای قدرتمندتر - IRF3205، IRL3705، IRL2505 و موارد مشابه ایده آل هستند.

~~~این مدار برای محافظت از شارژر باتری ماشین نیز عالی است؛ اگر قطبیت اتصال به طور ناگهانی معکوس شود، هیچ اتفاق بدی برای شارژر نمی‌افتد؛ حفاظت در چنین شرایطی باعث نجات دستگاه می‌شود.

~~~ به لطف عملکرد سریع محافظ، می توان آن را با موفقیت برای مدارهای پالسی استفاده کرد؛ در صورت اتصال کوتاه، حفاظت سریعتر از زمانی که سوئیچ های برق منبع تغذیه سوئیچینگ زمان سوختن داشته باشند، عمل می کند. مدار همچنین برای اینورترهای پالسی به عنوان حفاظت جریان مناسب است. اگر در مدار ثانویه اینورتر اضافه بار یا اتصال کوتاه وجود داشته باشد، ترانزیستورهای قدرت اینورتر فوراً به بیرون پرواز می کنند و چنین محافظتی از این اتفاق جلوگیری می کند.

نظرات
حفاظت از اتصال کوتاه، برگشت قطبیت و اضافه بار روی یک برد جداگانه مونتاژ می شوند. ترانزیستور قدرت در سری IRFZ44 استفاده می شد، اما در صورت تمایل می توان آن را با یک IRF3205 قدرتمندتر یا با هر کلید برق دیگری که پارامترهای مشابهی دارد جایگزین کرد. می توانید از کلیدهای خط IRFZ24، IRFZ40، IRFZ46، IRFZ48 و سایر کلیدهای با جریان بیش از 20 آمپر استفاده کنید. در حین کار، ترانزیستور اثر میدان یخ باقی می ماند. بنابراین نیازی به هیت سینک ندارد.

ترانزیستور دوم نیز مهم نیست؛ در مورد من، یک ترانزیستور دوقطبی ولتاژ بالا از سری MJE13003 استفاده شده است، اما انتخاب زیادی وجود دارد. جریان حفاظتی بر اساس مقاومت شنت انتخاب می شود - در مورد من، 6 مقاومت 0.1 اهم به صورت موازی، حفاظت در بار 6-7 آمپر فعال می شود. با چرخاندن مقاومت متغیر می توانید آن را با دقت بیشتری تنظیم کنید، بنابراین من جریان عملیاتی را حدود 5 آمپر تنظیم کردم.

قدرت منبع تغذیه کاملا مناسب است، جریان خروجی به 6-7 آمپر می رسد که برای شارژ باتری ماشین کاملاً کافی است.
من مقاومت های شنت با توان 5 وات را انتخاب کردم، اما 2-3 وات نیز امکان پذیر است.

اگر همه چیز به درستی انجام شود، واحد بلافاصله شروع به کار می کند، خروجی را ببندید، LED حفاظتی باید روشن شود، که تا زمانی که سیم های خروجی در حالت اتصال کوتاه هستند، روشن می شود.
اگر همه چیز همانطور که باید کار کند، ادامه می دهیم. مونتاژ مدار نشانگر

مدار از شارژر پیچ گوشتی باتری کپی شده است.نشانگر قرمز نشان می دهد که ولتاژ خروجی در خروجی منبع تغذیه وجود دارد، نشانگر سبز روند شارژ را نشان می دهد. با این ترتیب قطعات، نشانگر سبز رنگ به تدریج خاموش می شود و در نهایت هنگامی که ولتاژ باتری 12.2-12.4 ولت است، خاموش می شود؛ زمانی که باتری قطع شود، نشانگر روشن نمی شود.

برای محافظت از منبع تغذیه هنگام طراحی مدارهای مختلف، توصیه می شود یک واحد حفاظت از جریان اضافه به خروجی منبع تغذیه اضافه شود. یک مدار دستگاه ساده با استفاده از تریستور به عنوان عنصر کنترل حفاظت ولتاژ ساخته شده است.

تا زمانی که ولتاژ تغذیه در ورودی در محدوده نرمال باشد، دیود زنر و تریستور بسته هستند و جریان وارد بار می شود. هنگامی که ولتاژ تغذیه از 15.2 ولت تجاوز می کند، دیود زنر و به دنبال آن تریستور باز می شود، زیرا اختلاف پتانسیل بین کاتد آن و الکترود کنترل کافی برای باز کردن قفل آن وجود دارد. تریستور VS1 که موازی با خروجی منبع تغذیه متصل شده است، در صورت بارگذاری بیش از حد، اگر ولتاژ خروجی بالاتر از مقدار مجاز باشد، فیوز را در عرض چند میکروثانیه می شکند. آستانه باز کردن تریستور، یعنی راه اندازی حفاظت، به اطلاعات فنی دیود زنر بستگی دارد. اگر فیوز منفجر شود، یک پخش کننده صدای پیزو با یک ژنراتور داخلی روشن می شود که نشان دهنده یک خطای خارجی است که همچنین نشان دهنده اتصال کوتاه احتمالی در بار است. تا زمانی که برق یا بارگیری دستگاه قطع نشود، زنگ هشدار به صدا در می آید.

فیلم مدار حفاظت منبع تغذیه در حال عمل

این دستگاه ها به یک واحد منبع تغذیه (PSU) نیاز دارند که دارای ولتاژ خروجی قابل تنظیم و توانایی تنظیم سطح حفاظت از جریان اضافه در محدوده وسیعی است. هنگامی که حفاظت فعال می شود، بار (دستگاه متصل) باید به طور خودکار خاموش شود.

با جستجوی اینترنتی چندین مدار منبع تغذیه مناسب به دست آمد. من روی یکی از آنها مستقر شدم. مدار برای ساخت و راه اندازی آسان است، از قطعات قابل دسترسی تشکیل شده است و الزامات ذکر شده را برآورده می کند.

منبع تغذیه پیشنهادی برای ساخت بر اساس تقویت کننده عملیاتی LM358 و دارای ویژگی های زیر است:
ولتاژ ورودی، V - 24...29
ولتاژ تثبیت شده خروجی، V - 1...20 (27)
جریان عملیات حفاظتی، A - 0.03...2.0

عکس 2. مدار منبع تغذیه

توضیحات منبع تغذیه

تثبیت کننده ولتاژ قابل تنظیم بر روی تقویت کننده عملیاتی DA1.1 مونتاژ شده است. ورودی تقویت کننده (پایه 3) یک ولتاژ مرجع از موتور مقاومت متغیر R2 دریافت می کند که پایداری آن توسط دیود زنر VD1 تضمین می شود و ورودی معکوس (پایه 2) ولتاژ را از امیتر ترانزیستور VT1 دریافت می کند. از طریق تقسیم کننده ولتاژ R10R7. با استفاده از مقاومت متغیر R2 می توانید ولتاژ خروجی منبع تغذیه را تغییر دهید.
واحد حفاظت از جریان اضافه بر روی تقویت کننده عملیاتی DA1.2 ساخته شده است؛ این واحد ولتاژها را در ورودی های op-amp مقایسه می کند. ورودی 5 از طریق مقاومت R14 ولتاژ را از سنسور جریان بار - مقاومت R13 دریافت می کند. ورودی معکوس (پایه 6) یک ولتاژ مرجع دریافت می کند که پایداری آن توسط دیود VD2 با ولتاژ تثبیت حدود 0.6 ولت تضمین می شود.

تا زمانی که افت ولتاژ ایجاد شده توسط جریان بار در مقاومت R13 کمتر از مقدار نمونه باشد، ولتاژ در خروجی (پایه 7) op-amp DA1.2 نزدیک به صفر است. اگر جریان بار از سطح تنظیم شده مجاز بیشتر شود، ولتاژ در سنسور جریان افزایش می یابد و ولتاژ در خروجی op-amp DA1.2 تقریباً به ولتاژ تغذیه افزایش می یابد. در همان زمان، LED HL1 روشن می شود و سیگنال اضافی را نشان می دهد و ترانزیستور VT2 باز می شود و دیود زنر VD1 را با مقاومت R12 جدا می کند. در نتیجه، ترانزیستور VT1 بسته می شود، ولتاژ خروجی منبع تغذیه تقریبا به صفر کاهش می یابد و بار خاموش می شود. برای روشن کردن بار باید دکمه SA1 را فشار دهید. سطح حفاظت با استفاده از مقاومت متغیر R5 تنظیم می شود.

تولید PSU

1. اساس منبع تغذیه و ویژگی های خروجی آن توسط منبع جریان - ترانسفورماتور مورد استفاده تعیین می شود. در مورد من، ترانسفورماتور حلقوی از ماشین لباسشویی استفاده شد. ترانسفورماتور دارای دو سیم پیچ خروجی 8 ولت و 15 ولت است. با اتصال هر دو سیم پیچ به صورت سری و افزودن یک پل یکسو کننده با استفاده از دیودهای با توان متوسط ​​KD202M موجود در دست، منبع ولتاژ ثابت 23 ولت، 2 آمپر برای منبع تغذیه به دست آوردم.

عکس 3. ترانسفورماتور و پل یکسو کننده.

2. یکی دیگر از قسمت های تعیین کننده منبع تغذیه، بدنه دستگاه است. در این مورد، یک پروژکتور اسلاید کودکان که در گاراژ آویزان شده بود استفاده می‌شد. با حذف اضافی و پردازش سوراخ های قسمت جلویی برای نصب یک میکروآمپرمتر نشانگر، یک محفظه منبع تغذیه خالی به دست آمد.

عکس 4. بدنه PSU خالی

3. مدار الکترونیکی بر روی یک صفحه نصب جهانی به ابعاد 45 x 65 میلی متر نصب شده است. چیدمان قطعات روی تخته به اندازه اجزای موجود در مزرعه بستگی دارد. به جای مقاومت های R6 (تنظیم جریان عملیاتی) و R10 (محدود کردن حداکثر ولتاژ خروجی)، مقاومت های اصلاح کننده با مقدار افزایش 1.5 برابر روی برد نصب می شود. پس از راه اندازی منبع تغذیه، می توان آنها را با برق دائمی جایگزین کرد.

عکس 5. برد مدار

4. مونتاژ برد و عناصر راه دور مدار الکترونیکی به طور کامل برای تست، تنظیم و تنظیم پارامترهای خروجی.

عکس 6. واحد کنترل منبع تغذیه

5. ساخت و تنظیم شنت و مقاومت اضافی برای استفاده از میکرو آمپرمتر به عنوان آمپرمتر یا ولت متر منبع تغذیه. مقاومت اضافی شامل مقاومت های دائمی و اصلاح کننده است که به صورت سری به هم متصل شده اند (تصویر بالا). شنت (تصویر زیر) در مدار جریان اصلی قرار دارد و از یک سیم با مقاومت کم تشکیل شده است. اندازه سیم با حداکثر جریان خروجی تعیین می شود. هنگام اندازه گیری جریان، دستگاه به صورت موازی به شنت متصل می شود.

عکس 7. میکرو آمپرمتر، شانت و مقاومت اضافی

تنظیم طول شنت و مقدار مقاومت اضافی با اتصال مناسب به دستگاه با کنترل انطباق با استفاده از مولتی متر انجام می شود. دستگاه با استفاده از کلید ضامن مطابق نمودار به حالت آمپرمتر/ولت متر تغییر می کند:

عکس 8. نمودار تغییر حالت کنترل

6. علامت گذاری و پردازش پنل جلوی واحد منبع تغذیه، نصب قطعات از راه دور. در این نسخه، پنل جلویی شامل یک میکرو آمپرمتر (سوئیچ ضامن برای تغییر حالت کنترل A/V در سمت راست دستگاه)، پایانه های خروجی، رگولاتورهای ولتاژ و جریان و نشانگرهای حالت کار است. برای کاهش تلفات و به دلیل استفاده مکرر، یک خروجی 5 ولت تثبیت شده جداگانه نیز ارائه شده است. چرا ولتاژ سیم پیچ ترانسفورماتور 8 ولت به پل یکسو کننده دوم و یک مدار معمولی 7805 با محافظ داخلی تامین می شود.

عکس 9. پنل جلویی

7. مونتاژ PSU. تمام عناصر منبع تغذیه در محفظه نصب شده است. در این تجسم، رادیاتور ترانزیستور کنترل VT1 یک صفحه آلومینیومی به ضخامت 5 میلی متر است که در قسمت بالایی پوشش محفظه ثابت شده است که به عنوان رادیاتور اضافی عمل می کند. ترانزیستور از طریق یک واشر عایق الکتریکی به رادیاتور ثابت می شود.

امروز مقاله من به طور انحصاری تئوری خواهد بود، یا بهتر است بگوییم، مانند مقالات قبلی حاوی "سخت افزار" نخواهد بود، اما ناراحت نشوید - کمتر مفید نشده است. واقعیت این است که مشکل حفاظت از قطعات الکترونیکی به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان دستگاه ها، عمر مفید آنها و در نتیجه مزیت رقابتی مهم شما تأثیر می گذارد - توانایی ارائه گارانتی طولانی مدت محصول. اجرای حفاظت نه تنها مربوط به الکترونیک برق مورد علاقه من، بلکه در اصل هر دستگاهی است، بنابراین حتی اگر در حال طراحی صنایع دستی اینترنت اشیا هستید و 100 میلی آمپر متوسط ​​دارید، هنوز باید بدانید که چگونه از عملکرد بدون مشکل دستگاه خود اطمینان حاصل کنید. .

حفاظت جریان یا حفاظت از اتصال کوتاه (اتصال کوتاه) احتمالاً متداول ترین نوع حفاظت است زیرا بی توجهی در این مورد عواقب مخربی را در معنای لغوی به همراه دارد. به عنوان مثال، من پیشنهاد می کنم به یک تثبیت کننده ولتاژ نگاه کنید که به دلیل اتصال کوتاه ناراحت بود:

تشخیص در اینجا ساده است - خطایی در تثبیت کننده رخ داد و جریان های فوق العاده بالا در مدار شروع به جریان کردند؛ حفاظت باید دستگاه را خاموش می کرد، اما مشکلی پیش آمد. پس از خواندن مقاله، به نظر می رسد که شما خودتان می توانید حدس بزنید که مشکل چیست.

در مورد خود بار ... اگر دستگاه الکترونیکی به اندازه یک قوطی کبریت دارید، چنین جریانی وجود ندارد، پس فکر نکنید که نمی توانید مانند تثبیت کننده غمگین شوید. مطمئناً نمی خواهید بسته های تراشه های 10 تا 1000 دلاری را بسوزانید؟ اگر چنین است پس از شما دعوت می کنم تا با اصول و روش های برخورد با اتصال کوتاه آشنا شوید!

هدف مقاله

هدف من مقاله‌ام افرادی است که الکترونیک برایشان سرگرمی است و توسعه‌دهندگان مبتدی، بنابراین همه چیز «در یک نگاه» برای درک معنادارتر از آنچه اتفاق می‌افتد گفته می‌شود. برای کسانی که می‌خواهند یک تماس آکادمیک داشته باشند، بروید و هر کتاب درسی دانشگاهی در مورد مهندسی برق + "کلاسیک" هوروویتز، هیل "هنر طراحی مدار" را بخوانید.

به طور جداگانه، می خواهم بگویم که همه راه حل ها مبتنی بر سخت افزار خواهد بود، یعنی بدون میکروکنترلر و سایر انحرافات. در سال های اخیر، برنامه ریزی در جاهایی که لازم است و در جاهایی که لازم نیست، کاملاً مد شده است. من اغلب "محافظت" جریان را مشاهده می کنم، که با اندازه گیری ولتاژ ADC با مقداری آردوینو یا میکروکنترلر اجرا می شود، و سپس دستگاه ها همچنان از کار می افتند. من به شما توصیه اکید می کنم که این کار را نکنید! بعداً در مورد این مشکل با جزئیات بیشتر صحبت خواهم کرد.

کمی در مورد جریان اتصال کوتاه

برای اینکه بتوانید روش های حفاظتی را پیدا کنید، ابتدا باید بفهمید که ما با چه چیزی مبارزه می کنیم. "اتصال کوتاه" چیست؟ قانون مورد علاقه اهم در اینجا به ما کمک می کند؛ مورد ایده آل را در نظر بگیرید:

فقط؟ در واقع، این مدار تقریباً معادل هر وسیله الکترونیکی است، یعنی یک منبع انرژی وجود دارد که آن را به بار می رساند و گرم می شود و کار دیگری انجام می دهد یا نمی کند.

بیایید توافق کنیم که قدرت منبع اجازه می دهد تا ولتاژ ثابت باشد، یعنی تحت هیچ باری "افت نکند". در حین کارکرد عادی، جریان وارد شده در مدار برابر با:

حالا تصور کنید عمو واسیا روی سیم هایی که به سمت لامپ می روند یک آچار انداخته و بار ما 100 برابر کاهش یافته است، یعنی به جای R 0.01*R می شود و با محاسبات ساده 100 برابر جریان می گیریم. اگر لامپ 5 آمپر مصرف می کرد، اکنون جریان بار حدود 500 آمپر خواهد بود که برای ذوب کردن کلید عمو واسیا کافی است. حالا یک نتیجه گیری کوچک...

مدار کوتاه- کاهش قابل توجه مقاومت بار، که منجر به افزایش قابل توجه جریان در مدار می شود.

شایان ذکر است که جریان های اتصال کوتاه معمولاً صدها و هزاران برابر بیشتر از جریان نامی هستند و حتی مدت زمان کوتاهی برای از کار افتادن دستگاه کافی است. در اینجا، بسیاری احتمالاً دستگاه های حفاظت الکترومکانیکی ("دستگاه های خودکار" و دیگران) را به خاطر خواهند آورد، اما همه چیز در اینجا بسیار ساده است ... معمولاً یک سوکت خانگی توسط یک قطع کننده مدار با جریان نامی 16A محافظت می شود، یعنی خاموش شدن رخ می دهد. در 6-7 برابر جریان، که در حال حاضر حدود 100A است. منبع تغذیه لپ تاپ قدرتی در حدود 100 وات دارد، یعنی جریان کمتر از 1 آمپر است. حتی اگر یک اتصال کوتاه رخ دهد، دستگاه برای مدت طولانی متوجه آن نخواهد شد و تنها زمانی بار را خاموش می کند که همه چیز از قبل سوخته باشد. این محافظت در برابر آتش بیشتر از حفاظت تجهیزات است.

حالا بیایید به یکی دیگر از مواردی که اغلب با آن برخورد می شود نگاه کنیم - از طریق جریان. من آن را با استفاده از مثال مبدل dc/dc با توپولوژی باک سنکرون نشان خواهم داد؛ تمام کنترلرهای MPPT، بسیاری از درایورهای LED و مبدل های قدرتمند DC/DC روی بردها دقیقاً بر روی آن ساخته شده اند. بیایید به مدار مبدل نگاه کنیم:

نمودار دو گزینه برای اضافه جریان را نشان می دهد: راه سبزبرای اتصال کوتاه "کلاسیک"، هنگامی که مقاومت بار کاهش می یابد (مثلاً "نقطه" بین جاده ها پس از لحیم کاری) و مسیر نارنجی. چه زمانی جریان می تواند از مسیر نارنجی عبور کند؟ من فکر می کنم بسیاری از مردم می دانند که مقاومت کانال باز ترانزیستور اثر میدان بسیار کوچک است؛ در ترانزیستورهای ولتاژ پایین مدرن 1-10 میلی اهم است. حالا بیایید تصور کنیم که PWM با سطح بالا به طور همزمان به کلیدها می رسد، یعنی هر دو کلید باز می شوند، برای منبع "VCCIN - GND" این معادل اتصال یک بار با مقاومت حدود 2-20 میلی اهم است! بیایید قانون بزرگ و قدرتمند اهم را اعمال کنیم و حتی با منبع تغذیه 5 ولت، مقدار فعلی بیش از 250 آمپر به دست آوریم! اگر چه نگران نباشید، چنین جریانی وجود نخواهد داشت - اجزا و هادی های روی برد مدار چاپی زودتر می سوزند و مدار را قطع می کنند.

این خطا اغلب در سیستم قدرت و به ویژه در الکترونیک قدرت رخ می دهد. این می تواند به دلایل مختلف، به عنوان مثال، به دلیل خطاهای کنترلی یا فرآیندهای گذرا طولانی مدت رخ دهد. در مورد دوم، حتی "زمان مرده" در مبدل شما کمکی نخواهد کرد.

من فکر می‌کنم مشکل برای بسیاری از شما روشن و آشنا است، اکنون مشخص شده است که باید با چه چیزی برخورد کرد و تنها چیزی که باقی می‌ماند این است که بفهمیم چگونه. داستان بعدی درباره این موضوع خواهد بود.

اصل عملیات حفاظت جریان

در اینجا باید منطق معمولی را اعمال کنید و رابطه علت و معلولی را ببینید:
1) مشکل اصلی جریان زیاد در مدار است.
2) چگونه بفهمیم چه مقدار فعلی چیست؟ -> آن را اندازه گیری کنید.
3) اندازه گیری شد و مقدار به دست آمد -> آن را با مقدار قابل قبول مشخص شده مقایسه کنید.
4) اگر مقدار بیش از حد باشد -> بار را از منبع فعلی جدا کنید.

اندازه گیری جریان -> بررسی اینکه آیا از جریان مجاز فراتر رفته است -> بار را جدا کنید

مطلقاً هرگونه حفاظتی، نه تنها فعلی، به این روش ساخته شده است. بسته به کمیت فیزیکی که حفاظ بر روی آن ساخته شده است، مشکلات فنی و روش های مختلفی برای حل آنها در راه اجرا ایجاد می شود، اما ماهیت بدون تغییر است.

اکنون من پیشنهاد می کنم که کل زنجیره امنیتی را به ترتیب طی کرده و تمام مشکلات فنی ایجاد شده را حل کنیم. حفاظت خوب محافظتی است که از قبل برنامه ریزی شده باشد و کار کند. این بدان معنی است که ما نمی توانیم بدون مدل سازی انجام دهیم، من از محبوب و رایگان استفاده خواهم کرد چند سیم کارت آبی، که به طور فعال توسط Mouser تبلیغ می شود. می توانید آن را از آنجا دانلود کنید - لینک. همچنین از قبل می گویم که در چارچوب این مقاله در این مرحله به مدارها نمی پردازم و سر شما را با چیزهای غیر ضروری پر نمی کنم، فقط بدانید که همه چیز در سخت افزار واقعی کمی پیچیده تر خواهد بود.

اندازه گیری جریان

این اولین نکته در زنجیره ما و احتمالاً ساده ترین نکته برای درک است. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری جریان در مدار وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند؛ اینکه کدام یک به طور خاص در کار خود استفاده کنید بستگی به تصمیم شما دارد. من با توجه به تجربه ام در مورد این مزایا و معایب به شما خواهم گفت. برخی از آنها "به طور کلی پذیرفته شده" هستند، و برخی دیگر جهان بینی من هستند؛ لطفا توجه داشته باشید که من حتی سعی نمی کنم وانمود کنم که نوعی حقیقت هستم.

1) شانت فعلی. اساس مبانی بر روی همان قانون بزرگ و قدرتمند اهم "کار می کند". ساده ترین، ارزان ترین، سریع ترین و به طور کلی بهترین روش، اما با تعدادی از معایب:

آ) بدون عایق گالوانیکی. شما باید آن را به طور جداگانه اجرا کنید، به عنوان مثال، با استفاده از یک اپتوکوپلر پرسرعت. پیاده سازی این کار دشواری نیست، اما به فضای اضافی روی برد، dc/dc جدا شده و سایر اجزایی نیاز دارد که هزینه زیادی دارد و ابعاد کلی را اضافه می کند. اگرچه جداسازی گالوانیکی همیشه ضروری نیست، البته.

ب) در جریان های بالا، گرم شدن کره زمین شتاب می گیرد. همانطور که قبلاً نوشتم، همه اینها بر اساس قانون اهم "کار می کند"، به این معنی که گرم می شود و جو را گرم می کند. این منجر به کاهش راندمان و نیاز به خنک کردن شانت می شود. راهی برای به حداقل رساندن این عیب وجود دارد - کاهش مقاومت شانت. متأسفانه نمی توان آن را به طور نامحدود و اصلاً کاهش داد من توصیه نمی کنم آن را به کمتر از 1 میلی اهم کاهش دهید، اگر هنوز تجربه کمی دارید، زیرا نیاز به مبارزه با تداخل ایجاد می شود و الزامات مرحله طراحی برد مدار چاپی افزایش می یابد.

در دستگاه های خود من دوست دارم از این شنت ها PA2512FKF7W0R002E استفاده کنم:

اندازه‌گیری جریان با اندازه‌گیری افت ولتاژ در شنت انجام می‌شود، به عنوان مثال، هنگامی که جریانی 30 آمپر در سراسر شنت می‌گذرد، افت ولتاژ ایجاد می‌شود:

یعنی وقتی افت 60 میلی ولت روی شنت می گیریم به این معنی است که به حد مجاز رسیده ایم و اگر افت بیشتر شود باید دستگاه یا بار خود را خاموش کنیم. حالا بیایید محاسبه کنیم که چه مقدار گرما در شنت ما آزاد می شود:

کم نیست، درست است؟ این نکته باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا حداکثر توان شنت من 2 وات است و نمی توان از آن تجاوز کرد، و همچنین نباید شنت ها را با لحیم با ذوب کم لحیم کنید - می تواند جدا شود، من هم این را دیده ام.

• زمانی که دارای ولتاژ بالا و جریان نه چندان زیاد هستید از شنت استفاده کنید
• میزان گرمای تولید شده توسط شانت را کنترل کنید
• در جایی که به حداکثر کارایی نیاز دارید از شنت استفاده کنید
• از شنت ها فقط از مواد خاص استفاده کنید: کنستانتان، منگنین و موارد مشابه

2) سنسورهای جریان اثر هال. در اینجا من به خود اجازه می دهم طبقه بندی خود را که به طور کامل ماهیت راه حل های مختلف برای این اثر را نشان می دهد، یعنی: ارزانو گران.

آ) ارزانبرای مثال ACS712 و موارد مشابه. از جمله مزایا، می توانم به سهولت استفاده و وجود عایق گالوانیکی اشاره کنم، اما مزایا در اینجا به پایان می رسد. نقطه ضعف اصلی رفتار بسیار ناپایدار تحت تأثیر تداخل RF است. هر بار dc/dc یا بار واکنشی قدرتمند تداخل است، یعنی در 90٪ موارد این حسگرها بی فایده هستند، زیرا آنها "دیوانه می شوند" و بیشتر آب و هوای مریخ را نشان می دهند. اما بیهوده نیست که آنها ساخته شده اند؟

آیا آنها از نظر گالوانیکی ایزوله هستند و می توانند جریان های بالا را اندازه گیری کنند؟ آره. دخالت را دوست ندارید؟ بله هم همینطور. آنها را کجا قرار دهیم؟ درست است، در یک سیستم نظارتی کم مسئولیت و برای اندازه‌گیری مصرف جریان از باتری‌ها. من آنها را در اینورترهای نیروگاه های خورشیدی و نیروگاه های بادی برای ارزیابی کیفی مصرف فعلی باتری دارم که به شما امکان می دهد چرخه عمر باتری ها را افزایش دهید. این سنسورها به شکل زیر هستند:

ب) گران. آنها تمام مزایای ارزان قیمت را دارند، اما معایب خود را ندارند. نمونه ای از چنین حسگر LEM LTS 15-NP:

آنچه در نتیجه داریم:
1) عملکرد بالا؛
2) جداسازی گالوانیکی.
3) سهولت استفاده؛
4) جریان های بزرگ اندازه گیری شده بدون توجه به ولتاژ.
5) دقت اندازه گیری بالا؛
6) حتی EMP های "شیطانی" در کار دخالت نمی کنند. بر دقت تاثیر می گذارد.

اما پس از آن چه چیزی منفی است؟ کسانی که لینک بالا را باز کردند به وضوح آن را دیدند - این قیمت است. 18 دلار، کارل! و حتی برای یک سری از 1000 قطعه، قیمت زیر 10 دلار نخواهد بود و خرید واقعی 12-13 دلار خواهد بود. شما نمی توانید این را در یک منبع تغذیه برای چند دلار نصب کنید، اما من آن را دوست دارم ... خلاصه کردن:

الف) این بهترین راه حل در اصل برای اندازه گیری جریان است، اما گران است.
ب) از این سنسورها در شرایط عملیاتی سخت استفاده کنید.
ج) از این حسگرها در اجزای حیاتی استفاده کنید.
د) اگر دستگاه شما هزینه زیادی دارد مثلا یو پی اس 5-10 کیلوواتی از آنها استفاده کنید که قطعا خودش را توجیه می کند چون قیمت دستگاه چند هزار تومان خواهد بود.

3) ترانسفورماتور جریان. راه حل استاندارد در بسیاری از دستگاه ها. دو منفی وجود دارد - آنها با جریان مستقیم کار نمی کنند و ویژگی های غیر خطی دارند. جوانب مثبت - ارزان، قابل اعتماد و می توانید جریان های عظیم را اندازه گیری کنید. روی ترانسفورماتورهای جریان است که سیستم های اتوماسیون و حفاظت در شرکت های RU-0.4، 6، 10، 35 کیلوولت ساخته می شوند و هزاران آمپر در آنجا کاملاً عادی است.

صادقانه بگویم، من سعی می کنم از آنها استفاده نکنم، زیرا آنها را دوست ندارم، اما همچنان از آنها در کابینت های مختلف کنترل و سایر سیستم های AC استفاده می کنم، زیرا آنها چند دلار هزینه دارند و عایق گالوانیکی را ارائه می دهند، نه 15-20 دلار مانند LEM ها، و آنها وظیفه خود را به خوبی در یک شبکه 50 هرتز انجام می دهند. آنها معمولاً شبیه این هستند، اما در انواع هسته های EFD نیز ظاهر می شوند:

شاید بتوانیم با روش های اندازه گیری فعلی به پایان برسانیم. در مورد اصلی ها صحبت کردم، البته نه همه. برای گسترش افق و دانش خود، به شما توصیه می کنم حداقل در گوگل جستجو کنید و به سنسورهای مختلف روی یک کلید دیجیکی نگاه کنید.

افزایش افت ولتاژ اندازه گیری شده

ساخت بیشتر سیستم حفاظتی مبتنی بر شنت به عنوان سنسور جریان خواهد بود. بیایید یک سیستم با مقدار فعلی اعلام شده قبلی 30A بسازیم. در شنت ما یک قطره 60 میلی ولت دریافت می کنیم و در اینجا 2 مشکل فنی ایجاد می شود:

الف) اندازه گیری و مقایسه سیگنال با دامنه 60 میلی ولت ناخوشایند است. ADC ها معمولاً دارای محدوده اندازه گیری 3.3 ولت هستند، یعنی با 12 بیت ظرفیت، یک مرحله کوانتیزه شدن دریافت می کنیم:

این بدان معنی است که برای محدوده 0-60 میلی ولت، که مربوط به 0-30A است، تعداد کمی از مراحل را دریافت خواهیم کرد:

متوجه می شویم که عمق اندازه گیری تنها خواهد بود:

شایان ذکر است که این یک رقم ایده آل است و در واقع آنها چندین برابر بدتر خواهند بود، زیرا ... خود ADC خطا دارد مخصوصاً حدود صفر. البته ما از ADC برای حفاظت استفاده نخواهیم کرد، اما برای ساخت یک سیستم کنترل باید جریان همان شنت را اندازه گیری کنیم. در اینجا وظیفه توضیح واضح بود، اما این برای مقایسه‌کننده‌هایی که در ناحیه پتانسیل زمین (معمولاً 0 ولت) بسیار ناپایدار عمل می‌کنند، حتی از راه آهن به ریل نیز مرتبط است.

ب) اگر بخواهیم سیگنالی با دامنه 60 میلی ولت را روی تخته بکشیم، پس از 5-10 سانتی متر چیزی از آن به دلیل تداخل باقی نمی ماند و در لحظه اتصال کوتاه قطعاً مجبور نیستیم. روی آن حساب کنید، زیرا EMR بیشتر افزایش خواهد یافت. البته می توانید مدار محافظ را مستقیماً روی پایه شانت آویزان کنید، اما از مشکل اول خلاص نمی شویم.

برای حل این مشکلات به یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) نیاز داریم. من در مورد نحوه کار آن صحبت نمی کنم - موضوع به راحتی قابل جستجو در گوگل است، اما ما در مورد پارامترهای مهم و انتخاب op-amp صحبت خواهیم کرد. ابتدا بیایید طرح را تعریف کنیم. من گفتم که هیچ لطف خاصی در اینجا وجود نخواهد داشت، بنابراین بیایید op-amp را با بازخورد منفی (NFB) بپوشانیم و یک آمپلی فایر با سود مشخص دریافت کنیم. من این عمل را در MultiSIM مدل خواهم کرد (تصویر قابل کلیک است):

شما می توانید فایل شبیه سازی را در خانه دانلود کنید - .

منبع ولتاژ V2 به عنوان شنت ما عمل می کند، یا بهتر است بگوییم افت ولتاژ را در آن شبیه سازی می کند. برای وضوح، من مقدار افت 100 میلی ولت را انتخاب کرده ام، اکنون باید سیگنال را تقویت کنیم تا آن را به ولتاژ راحت تری منتقل کنیم، معمولاً بین 1/2 و 2/3 V ref. این به شما امکان می دهد تعداد زیادی از مراحل کوانتیزاسیون را در محدوده فعلی بدست آورید + یک حاشیه برای اندازه گیری ها بگذارید تا ارزیابی کنید که همه چیز بد است و زمان افزایش فعلی را محاسبه کنید، این در سیستم های پیچیده کنترل بار راکتیو مهم است. سود در این حالت برابر است با:

به این ترتیب ما این فرصت را داریم که سیگنال خود را تا حد مورد نیاز تقویت کنیم. حالا بیایید ببینیم به چه پارامترهایی باید توجه کنید:

• تقویت کننده عملیات باید ریل به ریل باشد تا سیگنال های نزدیک به پتانسیل زمین (GND) را به خوبی کنترل کند.
• ارزش انتخاب یک آپمپ با نرخ حرکت بالای سیگنال خروجی را دارد. برای OPA376 مورد علاقه من، این پارامتر 2V/µs است که به شما امکان می دهد حداکثر مقدار خروجی op-amp برابر با VCC 3.3V را تنها در 2 میکرو ثانیه به دست آورید. این سرعت برای صرفه جویی در هر مبدل یا باری با فرکانس تا 200 کیلوهرتز کاملاً کافی است. این پارامترها باید هنگام انتخاب یک آپ امپ درک شده و روشن شوند، در غیر این صورت این شانس وجود دارد که یک آپ امپ با قیمت 10 دلار قرار دهید که در آن تقویت کننده 1 دلاری کافی است.
• پهنای باند انتخاب شده توسط op-amp باید حداقل 10 برابر بیشتر از حداکثر فرکانس سوئیچینگ بار باشد. باز هم به دنبال «میانگین طلایی» در نسبت قیمت/عملکرد باشید، همه چیز در حد اعتدال خوب است.

در بیشتر پروژه‌هایم از یک آپمپ از Texas Instruments - OPA376 استفاده می‌کنم، ویژگی‌های عملکردی آن برای پیاده‌سازی حفاظت در اکثر وظایف کافی است و قیمت 1 دلار بسیار خوب است. اگر به ارزان‌تر نیاز دارید، به راه‌حل‌های ST نگاه کنید، و اگر حتی ارزان‌تر، به Microchip و Micrel مراجعه کنید. به دلایل مذهبی، من فقط از TI و Linear استفاده می کنم، زیرا آن را دوست دارم و با آرامش بیشتری می خوابم.

افزودن واقع گرایی به سیستم امنیتی

حال بیایید یک شنت، بار، منبع تغذیه و سایر ویژگی‌ها را در شبیه‌ساز اضافه کنیم که مدل ما را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند. نتیجه به نظر می رسد مانند این است (تصویر قابل کلیک):

می توانید فایل شبیه سازی MultiSIM - را دانلود کنید.

در اینجا ما قبلاً شنت R1 خود را با مقاومت همان 2 میلی اهم می بینیم ، من منبع تغذیه 310 ولت (شبکه اصلاح شده) را انتخاب کردم و بار برای آن یک مقاومت 10.2 اهم است که مجدداً طبق قانون اهم به ما جریان می دهد. :

همانطور که می بینید، 60 میلی ولت محاسبه شده قبلی روی شنت افت می کند و ما آن را با بهره تقویت می کنیم:

در خروجی یک سیگنال تقویت شده با دامنه 3.1 ولت دریافت می کنیم. موافقم، می‌توانید آن را به ADC، به مقایسه‌کننده وارد کنید و آن را روی تخته 20-40 میلی‌متر بکشید، بدون هیچ ترسی یا بدتر شدن ثبات. ما به کار با این سیگنال ادامه خواهیم داد.

مقایسه سیگنال ها با استفاده از مقایسه کننده

مقایسه کننده- این مداری است که 2 سیگنال را به عنوان ورودی می پذیرد، و اگر دامنه سیگنال در ورودی مستقیم (+) بیشتر از ورودی معکوس (-) باشد، یک گزارش در خروجی ظاهر می شود. 1 (VCC). در غیر این صورت وارد شوید. 0 (GND).

به طور رسمی، هر آپ امپ را می توان به عنوان مقایسه کننده روشن کرد، اما چنین راه حلی از نظر ویژگی های عملکردی از نظر سرعت و نسبت قیمت / نتیجه پایین تر از مقایسه کننده خواهد بود. در مورد ما، هرچه عملکرد بالاتر باشد، احتمال اینکه محافظ زمان کار کند و دستگاه را نجات دهد بیشتر است. من دوست دارم از یک مقایسه کننده استفاده کنم، دوباره از Texas Instruments - LMV7271. آنچه باید به آن توجه کنید:

• تاخیر پاسخ در واقع محدود کننده اصلی سرعت است. برای مقایسه کننده ذکر شده در بالا، این زمان حدوداً 880 ns است که بسیار سریع است و در بسیاری از کارها با قیمت 2 دلار تا حدودی زائد است و می توانید مقایسه کننده بهینه تری را انتخاب کنید.
• باز هم به شما توصیه می کنم از مقایسه کننده ریل به ریل استفاده کنید، در غیر این صورت خروجی 5 ولت نیست، بلکه کمتر خواهد بود. شبیه ساز به شما کمک می کند تا این موضوع را تأیید کنید؛ چیزی را انتخاب کنید که ریل به ریل نیست و آزمایش کنید. سیگنال مقایسه کننده معمولاً به ورودی خرابی درایور (SD) داده می شود و خوب است که یک سیگنال TTL پایدار در آنجا داشته باشید.
• مقایسه کننده ای با خروجی فشار کش به جای تخلیه باز و غیره انتخاب کنید. این راحت است و ما ویژگی های عملکردی را برای خروجی پیش بینی کرده ایم

حالا بیایید یک مقایسه کننده به پروژه خود در شبیه ساز اضافه کنیم و عملکرد آن را در حالتی که حفاظت کار نکرده است و جریان از حالت اضطراری تجاوز نمی کند (تصویر قابل کلیک) نگاه کنیم:

می توانید فایل شبیه سازی را در MultiSIM دانلود کنید - .

چه نیازی داریم... اگر جریان از 30 آمپر تجاوز کند، لازم است که در خروجی مقایسه کننده لاگ وجود داشته باشد. 0 (GND)، این سیگنال ورودی SD یا EN درایور را تغذیه کرده و آن را خاموش می کند. در حالت عادی، خروجی باید یک log باشد. 1 (5 ولت TTL) و درایور سوئیچ برق را روشن کنید (به عنوان مثال، IR2110 "عامیانه" و موارد کمتر قدیمی).

برگردیم به منطق خود:
1) جریان روی شنت را اندازه گرفتیم و 56.4 میلی ولت دریافت کردیم.
2) سیگنال خود را با ضریب 50.78 تقویت کردیم و 2.88 ولت در خروجی op-amp دریافت کردیم.
3) یک سیگنال مرجع اعمال می کنیم که با آن با ورودی مستقیم مقایسه کننده مقایسه می کنیم. ما آن را با استفاده از یک تقسیم کننده در R2 تنظیم می کنیم و آن را روی 3.1 ولت تنظیم می کنیم - این مربوط به جریان تقریباً 30A است. این مقاومت آستانه حفاظت را تنظیم می کند!
4) اکنون سیگنال خروجی op-amp را به عکس اعمال می کنیم و دو سیگنال را با هم مقایسه می کنیم: 3.1V > 2.88V. در ورودی مستقیم (+) ولتاژ بالاتر از ورودی معکوس (-) است، به این معنی که جریان از جریان تجاوز نمی کند و خروجی لگ است. 1 - درایورها کار می کنند اما LED1 ما روشن نمی شود.

اکنون جریان را به مقدار >30A افزایش می دهیم (R8 را بچرخانید و مقاومت را کاهش می دهیم) و به نتیجه نگاه می کنیم (تصویر قابل کلیک):

بیایید نکاتی را از "منطق" خود مرور کنیم:
1) جریان روی شنت را اندازه گیری کردیم و 68.9 میلی ولت دریافت کردیم.
2) سیگنال خود را با ضریب 50.78 تقویت کردیم و 3.4 ولت در خروجی op-amp دریافت کردیم.
4) اکنون سیگنال خروجی آپ امپ را به عکس اعمال می کنیم و دو سیگنال را با هم مقایسه می کنیم: 3.1 ولت< 3.4В. На прямом входу (+) напряжение НИЖЕ, чем на инверсном входе (-), значит ток превышен и на выходе лог. 0 - драйвера НЕ работают, а наш светодиод LED1 горит.

چرا سخت افزار؟

پاسخ به این سوال ساده است - هر راه حل قابل برنامه ریزی در MK، با یک ADC خارجی و غیره، می تواند به سادگی "یخ بزند" و حتی اگر یک نرم افزار نویس نسبتاً ماهر هستید و تایمر سگ نگهبان و سایر ضد یخ ها را روشن کرده باشید. حفاظت - در حالی که همه آن در حال پردازش است، دستگاه شما خواهد سوخت.

حفاظت از سخت افزار به شما امکان می دهد یک سیستم با عملکرد را در چند میکروثانیه پیاده سازی کنید، و اگر بودجه اجازه می دهد، در عرض 100-200 ns، که به طور کلی برای هر کاری کافی است. همچنین محافظت سخت افزاری قادر به یخ زدن نخواهد بود و دستگاه را نجات می دهد، حتی اگر به دلایلی میکروکنترلر کنترلی یا DSP شما فریز شده باشد. محافظ درایور را خاموش می کند، مدار کنترل شما بی سر و صدا راه اندازی مجدد می شود، سخت افزار را آزمایش می کند و یا خطا را گزارش می دهد، مثلاً در Modbus، یا اگر همه چیز خوب است شروع می شود.

در اینجا شایان ذکر است که کنترل کننده های تخصصی برای ساخت مبدل های برق دارای ورودی های خاصی هستند که به شما امکان می دهد تولید سیگنال PWM را در سخت افزار غیرفعال کنید. به عنوان مثال، STM32 محبوب یک ورودی BKIN برای این کار دارد.

به طور جداگانه، ارزش گفتن در مورد چیزی به عنوان CPLD را دارد. در اصل، این مجموعه ای از منطق با سرعت بالا است و قابلیت اطمینان آن با یک راه حل سخت افزاری قابل مقایسه است. اگر در مورد dc/dc یا نوعی کابینت کنترل صحبت می کنیم، کاملاً منطقی است که یک CPLD کوچک را روی برد قرار دهیم و محافظت سخت افزاری، deadtime و سایر امکانات را در آن پیاده کنیم. CPLD این راه حل را بسیار انعطاف پذیر و راحت می کند.

پایان

احتمالاً همین است. امیدوارم از خواندن این مقاله لذت برده باشید و اطلاعات جدیدی به شما بدهد یا مطالب قدیمی را تازه کنید. همیشه سعی کنید از قبل فکر کنید که کدام ماژول ها در دستگاه شما باید به صورت سخت افزاری و کدام در نرم افزار پیاده سازی شوند. اغلب پیاده‌سازی سخت‌افزار بسیار ساده‌تر از پیاده‌سازی نرم‌افزار است و این منجر به صرفه‌جویی در زمان توسعه و بر این اساس، هزینه آن می‌شود.

قالب مقاله بدون سخت افزار برای من جدید است و از شما می خواهم نظر خود را در نظرسنجی بیان کنید.

فقط کاربران ثبت نام شده می توانند در نظرسنجی شرکت کنند. ، لطفا.