Järjestelmät laitteiden suojaamiseksi virta- ja jännitepiikkeiltä. Virtalähteen suojapiiri ylikuormitusta vastaan ​​KU202:ssa Yksinkertainen virtasuojaus

Suojapiirin toteuttaminen ei ole vaikeaa, varsinkin kun on erittäin tärkeää suojata kaikki laitteesi oikosululta ja ylikuormitukselta. Jos laitteessa jostain syystä tapahtuu oikosulku, tämä voi johtaa korjaamattomiin seurauksiin. Suojellaksesi sinua tarpeettomilta kustannuksilta ja laitetta loppuunpalamiselta riittää, että teet pienen tarkistuksen alla olevan kaavion mukaisesti.

On tärkeää huomata, että koko piiri on rakennettu toisiaan täydentävälle transistoriparille. Ymmärtääksemme sanan merkityksen. Komplementaarista paria kutsutaan transistoreiksi, joilla on samat parametrit, mutta eri suunnat p-n-liitokset.

Nuo. kaikki transistorien jännitteen, virran, tehon ja muiden parametrit ovat täsmälleen samat. Ero ilmenee vain transistorin tyypissä p-n-p tai n-p-n. Annamme myös esimerkkejä täydentävistä pareista, jotta sinun on helpompi ostaa. Venäjän nimikkeistöstä: KT361/KT315, KT3107/KT3102, KT814/KT815, KT816/KT817, KT818/KT819. BD139 / BD140 ovat täydellisiä tuontitavaroita. Rele tulee valita käyttöjännitteelle vähintään 12 V, 10-20 A.

Toimintaperiaate:

Kun tietty kynnys ylittyy (kynnys asetetaan muuttuvalla vastuksella, empiirisesti), komplementaarisen transistorin parin avaimet sulkeutuvat. Jännite laitteen lähdöstä katoaa ja LED syttyy, mikä osoittaa laitteen suojajärjestelmän toiminnan.

Transistorin välissä olevalla painikkeella voit nollata suojauksen (kiinteässä tilassa se on kiinni, eli toimii avatakseen). Voit nollata suojauksen toisella tavalla, sammuta ja käynnistä laite. Suojaus on tärkeää virtalähteille tai akkulatureille.

Suojaussuunnittelu minkä tahansa tyyppiselle virtalähteelle esitetään. Tämä suojausjärjestelmä voi toimia yhdessä minkä tahansa virtalähteen kanssa - verkkovirran, kytkentä- ja tasavirtaakkujen kanssa. Tällaisen suojayksikön kaavamainen irrotus on suhteellisen yksinkertainen ja koostuu useista komponenteista.

Virtalähteen suojapiiri

Tehoosa - voimakas kenttätransistori - ei ylikuumene käytön aikana, joten se ei myöskään tarvitse jäähdytyselementtiä. Piiri on samalla suojaus tehonvaihtoa, ylikuormitusta ja oikosulkua vastaan ​​lähdössä, suojavirta voidaan valita valitsemalla shunttivastuksen resistanssi, minun tapauksessani virta on 8 ampeeria, 6 vastusta 5 wattia 0,1 ohmia käytetään rinnakkain. Shuntti voidaan valmistaa myös vastuksista, joiden teho on 1-3 wattia.

Tarkemmin sanottuna suojausta voidaan säätää valitsemalla viritysvastuksen resistanssi. Virtalähteen suojapiiri, Virranrajoitussäätimen Virtalähteen suojapiiri, Virranrajoitussäädin

~~~ Oikosulun ja yksikön lähdön ylikuormituksen sattuessa suojaus toimii välittömästi ja katkaisee virtalähteen. LED-merkkivalo ilmoittaa suojauksen toiminnasta. Kenttätransistori pysyy kylmänä jopa muutaman kymmenen sekunnin oikosulkussa

~~~ Kenttätransistori ei ole kriittinen, kaikki näppäimet, joiden virta on vähintään 15-20 ampeeria ja joiden käyttöjännite on 20-60 volttia, käy. Avaimet IRFZ24-, IRFZ40-, IRFZ44-, IRFZ46-, IRFZ48-sarjasta tai tehokkaammista - IRF3205, IRL3705, IRL2505 ja vastaavat ovat täydellisiä.

~~~ Tämä piiri on myös loistava suojaksi auton akkujen laturiin, jos käänsit yhtäkkiä liitännän napaisuuden, niin laturille ei tapahdu mitään pahaa, suojaus pelastaa laitteen sellaisissa tilanteissa.

~~~ Suojan nopean toiminnan ansiosta sitä voidaan käyttää onnistuneesti impulssipiireihin, oikosulun sattuessa suoja toimii nopeammin kuin impulssivirtalähteen virtakytkimet ehtivät palaa loppuun. Piiri soveltuu myös pulssiinverttereille virtasuojaksi. Invertterin toisiopiirin ylikuormituksen tai oikosulun sattuessa invertterin tehotransistorit lentävät pois välittömästi, ja tällainen suojaus estää tämän tapahtumisen.

Kommentit
Oikosulkusuojaus, napaisuuden vaihto ja ylikuormitus kootaan erilliselle levylle. Tehotransistoria käytettiin IRFZ44-sarjassa, mutta haluttaessa se voidaan korvata tehokkaammalla IRF3205:llä tai millä tahansa muulla virtakytkimellä, jolla on samanlaiset parametrit. Voit käyttää IRFZ24-, IRFZ40-, IRFZ46-, IRFZ48-linjojen näppäimiä ja muita näppäimiä, joiden virta on yli 20 ampeeria. Kenttätransistori pysyy käytön aikana jääkylmänä. joten jäähdytyselementtiä ei tarvita.

Toinen transistori ei myöskään ole kriittinen, minun tapauksessani käytettiin MJE13003-sarjan suurjännitteistä bipolaarista transistoria, mutta valinta on suuri. Suojavirta valitaan shuntin resistanssin perusteella - minun tapauksessani 6 vastusta 0,1 ohmia rinnakkain, suoja laukeaa 6-7 ampeerin kuormituksella. Tarkemmin sanottuna voit säätää kääntämällä säädettävää vastusta, joten asetan laukaisuvirran 5 ampeerin alueelle.

Virtalähteen teho on melko kunnollinen, lähtövirta saavuttaa 6-7 ampeeria, mikä riittää auton akun lataamiseen.
Valitsin shunttivastukset, joiden teho on 5 wattia, mutta se voi olla myös 2-3 wattia.

Jos kaikki on tehty oikein, yksikkö alkaa toimia välittömästi, sulje lähtö, suoja-LEDin pitäisi syttyä, joka palaa niin kauan kuin lähtöjohdot ovat oikosulkutilassa.
Jos kaikki toimii kuten pitää, jatka eteenpäin. Kokoamme indikaattorikaavion.

Piiri vedetään akkuruuvitaltan laturista. Punainen merkkivalo osoittaa, että PSU-lähdössä on lähtöjännite, vihreä merkkivalo ilmaisee latausprosessin. Tällä komponenttijärjestelyllä vihreä merkkivalo sammuu vähitellen ja lopulta sammuu, kun akun jännite on 12,2-12,4 volttia, kun akku on irrotettu, merkkivalo ei syty.

Virtalähteen suojaamiseksi eri piirejä suunniteltaessa on suositeltavaa lisätä ylivirtasuojayksikkö PSU-lähtöön. Yksinkertainen laitepiiri rakennetaan käyttämällä tyristoria jännitesuojan ohjauselementtinä.

Niin kauan kuin tulon syöttöjännite on normaalialueella, zener-diodi ja tyristori ovat kiinni, virta kulkee kuormaan. Kun syöttöjännite ylittää 15,2 V, Zener-diodi avautuu ja sen jälkeen tyristori, koska sen katodin ja ohjauselektrodin välillä on potentiaaliero, joka riittää avaamaan sen. Rinnakkain kytkettynä virtalähteen lähdön kanssa tyristori VS1 rikkoo ylikuormitettuna sulakkeen muutamassa mikrosekunnissa, jos lähtöjännite on yli sallitun arvon. Tyristorin avaamisen kynnys, nimittäin suojaustoiminto, riippuu zener-diodin teknisistä tiedoista. Jos sulake palaa, sisäänrakennetulla generaattorilla varustettu pietsoäänilähetin kytkeytyy päälle, mikä ilmoittaa ulkoisesta toimintahäiriöstä, mikä osoittaa myös mahdollisen oikosulun kuormassa. Hälytys soi, kunnes yleisvirta tai latauslaite sammutetaan.

Video virtalähteen suojapiirin toiminnasta

Laitteet vaativat virtalähteen (PSU), jossa on lähtöjännitteen säätö ja mahdollisuus säätää ylivirtasuojauksen tasoa laajalla alueella. Kun suoja laukeaa, kuorman (kytketyn laitteen) pitäisi sammua automaattisesti.

Internet-haku tuotti useita sopivia virtalähdepiirejä. Pysähtyi yhteen heistä. Kaavio on helppo valmistaa ja koota, se koostuu saatavilla olevista osista, täyttää asetetut vaatimukset.

Valmistukseen ehdotettu virtalähde perustuu LM358-operaatiovahvistimeen ja on seuraavat ominaisuudet:
Tulojännite, V - 24...29
Lähtöstabiloitu jännite, V - 1...20 (27)
Suojausvirta, A - 0,03...2,0

Kuva 2. Virtalähdekaavio

Kuvaus PSU:n toiminnasta

Säädettävä jännitteensäädin on asennettu operaatiovahvistimeen DA1.1. Vahvistimen tulo (nasta 3) saa esimerkinomaisen jännitteen säädettävän vastuksen R2 moottorista, jonka stabiilisuudesta vastaa zener-diodi VD1, ja jännite syötetään invertoivaan tuloon (nasta 2) emitteristä. transistorin VT1 jännitteenjakajan R10R7 kautta. Muuttuvan vastuksen R2 avulla voit muuttaa PSU:n lähtöjännitettä.
Ylivirtasuojayksikkö on tehty operaatiovahvistimeen DA1.2, se vertaa jännitettä operaatiovahvistimen tuloissa. Jännite syötetään tuloon 5 vastuksen R14 kautta kuormavirta-anturista - vastuksesta R13. Invertoivaan tuloon (nasta 6) syötetään esimerkinomainen jännite, jonka stabiilisuudesta vastaa VD2-diodi, jonka stabilointijännite on noin 0,6 V.

Niin kauan kuin vastuksen R13 poikki kuormitusvirran aiheuttama jännitehäviö on pienempi kuin esimerkki, on operaatiovahvistimen DA1.2 lähtöjännite (nasta 7) lähellä nollaa. Jos kuormitusvirta ylittää sallitun asetetun tason, virta-anturin jännite kasvaa ja operaatiovahvistimen DA1.2 lähdössä oleva jännite nousee lähes syöttöjännitteeseen. Tässä tapauksessa HL1-LED syttyy ilmoittaen ylimäärästä, transistori VT2 aukeaa ja ohittaa Zener-diodin VD1 vastuksella R12. Tämän seurauksena transistori VT1 sulkeutuu, PSU:n lähtöjännite laskee lähes nollaan ja kuorma sammuu. Kytke kuorma päälle painamalla SA1-painiketta. Suojaustasoa säädetään säädettävällä vastuksella R5.

PSU:n valmistus

1. Virransyötön perusta, sen lähtöominaisuudet määräytyvät virtalähteen - käytetyn muuntajan - mukaan. Minun tapauksessani käytettiin pesukoneen toroidista muuntajaa. Muuntajassa on kaksi lähtökäämiä 8v ja 15v. Kytkemällä molemmat käämit sarjaan ja lisäämällä tasasuuntaussillan käsillä oleviin keskitehodiodeihin KD202M, sain virtalähteeseen vakiojännitelähteen 23v, 2a.

Kuva 3. Muuntaja ja tasasuuntaaja silta.

2. Toinen PSU:n määrittävä osa on laitteen runko. Tässä tapauksessa autotalliin häiritsevä lasten diaprojektori on löytänyt sovelluksen. Poistettuamme ylimääräiset ja käsitellyt reiät etuosasta osoittavan mikroampeerimittarin asentamista varten, saimme aihion PSU-kotelolle.

Kuva 4. PSU-kotelon aihio

3. Elektroniikkapiiri on asennettu 45 x 65 mm yleiskiinnityslevylle. Osien asettelu levyllä riippuu komponenttitilalta löytyvistä mitoista. Korttiin asennetaan vastusten R6 (käyttövirran asettaminen) ja R10 (maksimilähtöjännitteen rajoittaminen) sijasta trimmausvastukset, joiden nimellisarvo on 1,5-kertainen. PSU-asetusten lopussa ne voidaan korvata pysyvillä.

Kuva 5. Piirilevy

4. Kortin ja elektroniikkapiirin ulkoisten elementtien kokoaminen kokonaisuudessaan lähtöparametrien testausta, viritystä ja säätämistä varten.

Kuva 6. PSU-ohjausyksikkö

5. Shuntin ja lisävastuksen valmistus ja asennus mikroampeerimittarin käyttöä varten PSU-ampeerimittarina tai volttimittarina. Lisäresistanssi koostuu sarjaan kytketyistä vakio- ja trimmausvastuksista (kuvassa yllä). Shuntti (kuvassa alla) sisältyy päävirtapiiriin ja koostuu johdosta, jolla on pieni vastus. Johdon poikkileikkaus määräytyy suurimman lähtövirran mukaan. Virtaa mitattaessa laite kytketään rinnan shuntin kanssa.

Kuva 7. Mikroampeerimittari, shuntti ja lisävastus

Shuntin pituuden ja lisävastuksen arvon säätö suoritetaan asianmukaisella liitännällä laitteeseen, jossa on yleismittarin noudattaminen. Laitteen kytkeminen ampeerimittari- / volttimittaritilaan tapahtuu vaihtokytkimellä kaavion mukaisesti:

Kuva 8. Kaavio ohjaustilan vaihtamiseksi

6. PSU-etupaneelin merkintä ja käsittely, etäosien asennus. Tässä versiossa etupaneeliin on sijoitettu mikroampeerimittari (kytkin A / V-ohjaustilan vaihtamiseksi laitteen oikealle puolelle), lähtöliittimet, jännitteen ja virran säätimet sekä toimintatilan ilmaisimet. Häviöiden pienentämiseksi ja toistuvasta käytöstä johtuen annettiin lisäksi erillinen stabiloitu 5 V lähtö. Miksi jännite muuntajan käämyksestä 8V syötetään toiseen tasasuuntaajaan ja tyypilliseen 7805-piiriin, jossa on sisäänrakennettu suoja.

Kuva 9. Etupaneeli

7. Virtalähteen kokoonpano. Kaikki virtalähteen elementit on asennettu koteloon. Tässä suoritusmuodossa ohjaustransistorin VT1 säteilijä on kotelon kannen yläosaan kiinnitetty 5 mm paksu alumiinilevy, joka toimii lisäsäteilijänä. Transistori kiinnitetään jäähdytyselementtiin sähköä eristävän tiivisteen kautta.

Tänään artikkelini on luonteeltaan yksinomaan teoreettinen, tai pikemminkin se ei sisällä laitteistoa kuten aikaisemmissa artikkeleissa, mutta älä lannistu - siitä ei ole tullut vähemmän hyödyllistä. Tosiasia on, että elektronisten komponenttien suojausongelma vaikuttaa suoraan laitteiden luotettavuuteen, niiden resursseihin ja siten tärkeään kilpailuetuasi - Mahdollisuus antaa pitkäaikainen tuotetakuu. Suojauksen toteutus ei koske vain suosikkini tehoelektroniikkaa, vaan myös periaatteessa mitä tahansa laitetta, joten vaikka suunnittelet IoT-asioita ja sinulla on vaatimaton 100 mA, sinun on silti ymmärrettävä, kuinka varmistaa laitteesi ongelmaton toiminta.

Virtasuojaus tai oikosulkusuojaus (SC) on luultavasti yleisin suojatyyppi, koska laiminlyönnillä tässä asiassa on tuhoisia seurauksia kirjaimellisessa mielessä. Esimerkiksi ehdotan, että katsotaan jännitteensäädintä, josta tuli surullinen oikosulku:

Diagnoosi tässä on yksinkertainen - stabilisaattorissa tapahtui virhe ja piirissä alkoi virrata erittäin suuria virtoja, suojan olisi pitänyt sammuttaa laite, mutta jotain meni pieleen. Artikkelin lukemisen jälkeen minusta näyttää siltä, ​​​​että voit itse arvata, mikä ongelma voisi olla.

Mitä tulee itse kuormaan ... Jos sinulla on tulitikkurasian kokoinen elektroninen laite, sellaisia ​​virtoja ei ole, älä ajattele, että et voi tulla yhtä surulliseksi kuin stabilointiaine. Et varmasti halua polttaa mikropiirinippuja 10-1000 dollarilla? Jos näin on, niin kutsun sinut tutustumaan oikosulkujen käsittelyn periaatteisiin ja menetelmiin!

Artikkelin tarkoitus

Keskityn artikkelini ihmisiin, joille elektroniikka on harrastus, ja aloitteleviin kehittäjiin, joten kaikki kerrotaan "sormilla", jotta ymmärtäisi paremmin mitä tapahtuu. Niille, jotka haluavat olla akateemisia - menemme lukemaan mitä tahansa yliopiston sähkötekniikan oppikirjoja + Horowitzin "klassikoita", Hill "The Art of Circuitry".

Erikseen haluaisin sanoa, että kaikki ratkaisut ovat laitteistopohjaisia, eli ilman mikrokontrollereita ja muita perversioita. Viime vuosina on tullut varsin muodikasta ohjelmoida sinne, missä se on välttämätöntä ja ei välttämätöntä. Havainnoin usein nykyistä "suojausta", joka toteutetaan ADC-jännitteen banaalisella mittauksella jollain arduino- tai mikrokontrollerilla, ja sitten laitteet epäonnistuvat. Suosittelen vahvasti, ettet tee samaa! Käsittelen tätä ongelmaa tarkemmin.

Vähän oikosulkuvirroista

Jotta voit alkaa keksiä suojamenetelmiä, sinun on ensin ymmärrettävä, mitä taistelemme ollenkaan. Mikä on "oikosulku"? Ohmin suosikkilaki auttaa meitä tässä, harkitse ihanteellinen tapaus:

Vain? Itse asiassa tämä piiri on melkein minkä tahansa elektronisen laitteen vastaava piiri, eli siinä on energialähde, joka antaa sen kuormaan, ja se lämpenee ja tekee tai ei tee jotain muuta.

Olemme samaa mieltä siitä, että lähteen teho mahdollistaa jännitteen pysymisen vakiona, eli "ei laskeudu" millään kuormituksella. Normaalin toiminnan aikana piirissä vaikuttava virta on yhtä suuri kuin:

Kuvittele nyt, että Vasya-setä pudotti jakoavaimen hehkulamppuun johtaviin johtoihin ja kuormamme laski 100 kertaa, eli R:n sijaan siitä tuli 0,01 * R ja yksinkertaisten laskelmien avulla saamme 100 kertaa enemmän virtaa. Jos hehkulamppu kulutti 5A, niin nyt kuorman virta otetaan noin 500 A: sta, mikä riittää sulattamaan Vasyan-sedän avaimen. Nyt pieni johtopäätös...

Oikosulku- kuormitusvastuksen merkittävä lasku, mikä johtaa merkittävään virran kasvuun piirissä.

On ymmärrettävä, että oikosulkuvirrat ovat yleensä satoja ja tuhansia kertoja suurempia kuin nimellisvirta, ja lyhytkin aika riittää laitteen epäonnistumiseen. Täällä varmasti monet muistavat sähkömekaaniset suojalaitteet ("automaattiset laitteet" ja muut), mutta kaikki on täällä hyvin proosaa ... Yleensä kotitalouspistorasia on suojattu automaattisella laitteella, jonka nimellisvirta on 16 A, eli , sammutus tapahtuu 6-7 kertaa virralla, joka on jo noin 100A. Kannettavan tietokoneen virtalähteen teho on noin 100 W, eli virta on alle 1A. Vaikka oikosulku tapahtuisi, kone ei huomaa tätä pitkään aikaan ja sammuttaa kuorman vasta, kun kaikki on jo palanut. Se on enemmän palosuojaus kuin tekninen suoja.

Katsotaanpa nyt toista usein esiintyvää tapausta - virran kautta. Näytän sen esimerkillä dc / DC-muuntimesta, jossa on synkroninen buck-topologia, kaikki MPPT-ohjaimet, monet LED-ohjaimet ja tehokkaat DC / DC-muuntimet levyillä on rakennettu täsmälleen siihen. Katsomme muuntimen piiriä:

Kaavio näyttää kaksi vaihtoehtoa ylivirralle: vihreä polku"klassiseen" oikosulkuun, kun kuormituskestävyys heikkeni (esim. "räkä" teiden välissä juottamisen jälkeen) ja oranssi polku. Milloin virta voi virrata oranssilla tiellä? Luulen, että monet tietävät, että kenttätransistorin avoimen kanavan resistanssi on hyvin pieni, nykyaikaisilla pienjännitetransistoreilla se on 1-10 mOhm. Kuvittele nyt, että korkean tason PWM tuli näppäimiin samanaikaisesti, eli molemmat avaimet avautuivat "VCCIN - GND" -lähteelle, tämä vastaa kuorman kytkemistä, jonka vastus on noin 2-20 mOhm ! Sovelletaan mahtavaa ja mahtavaa Ohmin lakia ja saadaan yli 250A virta-arvo jopa 5V jännitteellä! Älä kuitenkaan huoli, virtaa ei ole niin paljon - piirilevyn komponentit ja johtimet palavat nopeammin ja rikkovat piirin.

Tämä virhe esiintyy hyvin usein virransyöttöjärjestelmässä ja erityisesti tehoelektroniikassa. Se voi johtua useista syistä, esimerkiksi ohjausvirheestä tai pitkistä transienteista. Jälkimmäisessä tapauksessa edes muuntimesi "kuollut aika" (deadtime) ei säästä.

Luulen, että ongelma on selvä ja monet teistä ovat tuttuja, nyt on selvää, mitä on taisteltava, ja on vain selvitettävä MITEN. Tästä tulee seuraava tarina.

Virtasuojan toimintaperiaate

Tässä on tarpeen soveltaa tavallista logiikkaa ja nähdä syy-yhteys:
1) Suurin ongelma on virran suuri arvo piirissä;
2) Kuinka ymmärtää virran arvo? -> Mittaa se;
3) Mittasimme ja saimme arvon -> Vertaa sitä annettuun sallittuun arvoon;
4) Jos arvo ylittyy -> Irrota kuorma virtalähteestä.

Mittaa virta -> Selvitä, onko sallittu virta ylitetty -> Irrota kuorma

Ehdottomasti mikä tahansa suojaus, ei vain virralle, on rakennettu tällä tavalla. Riippuen fyysisestä suuresta, jolle suojaus on rakennettu, toteutukseen tulee erilaisia ​​teknisiä ongelmia ja menetelmiä niiden ratkaisemiseksi, mutta olemus on ennallaan.

Nyt ehdotan, että käydään läpi koko rakennussuojeluketju järjestyksessä ja ratkaistaan ​​kaikki esiin tulevat tekniset ongelmat. Hyvä suoja on suoja, joka on ennakoitu etukäteen ja se toimii. Joten emme tule toimeen ilman mallintamista, käytän suosittua ja ilmaista MultiSIM sininen, jota Mouser edistää aktiivisesti. Voit ladata sen sieltä - linkki. Sanon myös etukäteen, että tämän artikkelin puitteissa en syvenny piirien hienostuneisuuteen ja täytä päätäsi tarpeettomilla asioilla tässä vaiheessa, tiedän vain, että kaikki on hieman monimutkaisempaa todellisessa laitteistossa.

Virran mittaus

Tämä on ketjumme ensimmäinen kohta ja luultavasti helpoin ymmärtää. Piirin virran mittaamiseen on useita tapoja, ja jokaisella on omat etunsa ja haittansa, joista voit päättää, mitä käytät tehtävässäsi. Kerron kokemukseni perusteella juuri näistä eduista ja haitoista. Jotkut niistä ovat "yleisesti hyväksyttyjä", ja osa niistä on minun maailmankatsomustani, huomaa, etten edes yritä teeskennellä olevani jonkinlainen totuus.

1) Nykyinen shuntti. Perustusten perusta, kaikki "toimii" saman suuren ja voimakkaan Ohmin lain mukaan. Helpoin, halvin, nopein ja yleensä paras tapa, mutta siinä on useita haittoja:

A) Galvaanisen eristyksen puute. Sinun on toteutettava se erikseen, esimerkiksi käyttämällä nopeaa optoerotinta. Tämä ei ole vaikea toteuttaa, mutta vaatii lisää levytilaa, irrotettua dc / dc ja muita komponentteja, jotka maksavat rahaa ja lisäävät kokonaismittoja. Vaikka galvaanista eristystä ei tietenkään aina tarvita.

B) Kiihdyttää ilmaston lämpenemistä suurilla virroilla. Kuten aiemmin kirjoitin, se kaikki "toimii" Ohmin lain mukaan, mikä tarkoittaa, että se lämmittää ja lämmittää ilmakehän. Tämä johtaa tehokkuuden laskuun ja tarpeeseen jäähdyttää shunttia. On olemassa tapa minimoida tämä haitta - vähentää shuntin vastusta. Valitettavasti sitä ei voi vähentää loputtomasti ja yleisesti En suosittele pienentämään sitä alle 1 mΩ, jos sinulla on vielä vähän kokemusta, koska häiriöitä on käsiteltävä ja vaatimukset piirilevyjen suunnitteluvaiheessa kasvavat.

Laitteissani haluan käyttää näitä shuntteja PA2512FKF7W0R002E:

Virran mittaus tapahtuu mittaamalla jännitehäviö shuntin yli, esimerkiksi kun virtaa 30A, shuntti putoaa:

Eli kun saamme 60 mV pudotuksen shunttiin, tämä tarkoittaa, että olemme saavuttaneet rajan, ja jos pudotus kasvaa edelleen, laite tai kuorma on sammutettava. Lasketaan nyt kuinka paljon lämpöä vapautuu shuntissamme:

Ei paljon, eikö? Tämä hetki on otettava huomioon, koska. suntin maksimiteho on 2 W ja sitä ei saa ylittää, ei myöskään kannata juottaa shuntteja sulavalla juottimella - se voidaan juottaa pois, olen nähnyt tämän.

• Käytä shuntteja, kun sinulla on korkea jännite eikä kovin suuri virta.
• Tarkkaile shuntissa syntyvän lämmön määrää
• Käytä shuntteja siellä, missä tarvitset maksimaalista suorituskykyä
• Käytä shuntteja vain erikoismateriaaleista: konstantaani, manganiini ja vastaavat

2) Hall-ilmiövirtaanturit. Tässä sallin itselleni oman luokitteluni, joka heijastaa hyvin erilaisten tätä vaikutusta koskevien päätösten olemusta, nimittäin: halpa Ja kallis.

A) halpa esimerkiksi ACS712 ja vastaavat. Plussasta voin huomioida helppokäyttöisyyden ja galvaanisen eristyksen, siihen plussat loppuvat. Suurin haittapuoli on erittäin epävakaa käyttäytyminen RF-häiriöiden vaikutuksen alaisena. Mikä tahansa dc / dc tai voimakas reaktiivinen kuorma on häiriötä, eli 90% tapauksista nämä anturit ovat hyödyttömiä, koska ne "tulevat hulluksi" ja näyttävät pikemminkin Marsin sään. Mutta miksi he tekevät sen?

Ovatko ne galvaanisesti eristettyjä ja voivat mitata suuria virtoja? Joo. Etkö pidä häiriöistä? Myös kyllä. Mihin ne laitetaan? Aivan oikein, vähävastuulliseen valvontajärjestelmään ja akkujen virrankulutuksen mittaamiseen. Minulla on niitä aurinkovoimaloiden ja tuulivoimaloiden inverttereissä akun virrankulutuksen laadulliseen arviointiin, jonka avulla voit pidentää akkujen elinkaarta. Nämä anturit näyttävät tältä:

B) Kallis. Niillä on kaikki halvan edut, mutta niillä ei ole haittoja. Esimerkki tällaisesta LEM LTS 15-NP -anturista:

Mihin päädymme:
1) Korkea suorituskyky;
2) Galvaaninen eristys;
3) Helppokäyttöisyys;
4) Suuret mitatut virrat jännitteestä riippumatta;
5) korkea mittaustarkkuus;
6) Edes "paha" EMR ei häiritse työtä eivätkä häiritse; vaikuttaa tarkkuuteen.

Mutta mikä sitten on huono puoli? Ne, jotka avasivat yllä olevan linkin, näkivät sen selvästi - tämä on hinta. 18 dollaria Carl! Ja jopa yli 1000 kappaleen sarjan hinta ei putoa alle 10 dollarin, ja todellinen osto on 12-13 dollaria. Et voi laittaa tätä verenpaineeseen parilla taalalla, mutta kuten haluat ... Yhteenveto:

A) Tämä on periaatteessa paras ratkaisu virran mittaamiseen, mutta kallis;
b) Käytä näitä antureita ankarissa ympäristöissä;
c) Käytä näitä antureita kriittisissä solmuissa;
d) Käytä niitä, jos laitteesi maksaa paljon rahaa, esimerkiksi 5-10 kW UPS, missä se varmasti oikeuttaa itsensä, koska laitteen hinta tulee olemaan useita tuhansia dollareita.

3) Virtamuuntaja. Vakioratkaisu monissa laitteissa. Miinus kaksi - ne eivät toimi tasavirralla ja niillä on epälineaariset ominaisuudet. Plussat - halpa, luotettava ja voit mitata vain valtavia virtoja. Juuri virtamuuntajille rakennetaan automaatio- ja suojajärjestelmät RU-0,4, 6, 10, 35 kV yrityksissä, ja siellä tuhannet ampeerit ovat aivan normaali ilmiö.

Ollakseni rehellinen, yritän olla käyttämättä niitä, koska en pidä niistä, mutta silti asensen ne erilaisiin ohjauskaappeihin ja muihin vaihtovirtajärjestelmiin, koska. ne maksavat pari dollaria ja tarjoavat galvaanisen eristyksen, eivät 15-20 dollaria kuten LEMit, ja ne suorittavat tehtävänsä täydellisesti 50 Hz verkossa. Ne näyttävät yleensä tältä, mutta ne löytyvät myös kaikista EFD-ytimistä:

Ehkä virranmittausmenetelmillä voit lopettaa. Puhuin tärkeimmistä, mutta en tietenkään kaikista. Laajentaakseni omaa horisonttiani ja tietämystäni suosittelen lisäksi ainakin googlettamaan ja katsomaan erilaisia ​​antureita samalla digikeyllä.

Mitatun jännitehäviön vahvistus

Suojausjärjestelmän jatkorakentaminen perustuu shunttiin virta-anturina. Rakennetaan järjestelmä, jonka virta-arvo on aiemmin ilmoitettu 30A. Shuntissa saamme 60 mV pudotuksen, ja tässä syntyy 2 teknistä ongelmaa:

A) On hankalaa mitata ja vertailla signaalia, jonka amplitudi on 60 mV. ADC:iden mittausalue on yleensä 3,3 V, eli 12 bitin bittisyvyydellä saamme kvantisointivaiheen:

Tämä tarkoittaa, että alueella 0-60mV, joka vastaa 0-30A, saamme pienen määrän vaiheita:

Saamme, että mittauksen bittisyvyys on vain:

On ymmärrettävä, että tämä on idealisoitu hahmo ja todellisuudessa ne ovat monta kertaa huonompia, koska. Itse ADC:ssä on virhe, varsinkin nollan tienoilla. Emme tietenkään käytä ADC:tä suojaukseen, mutta meidän on mitattava virta samasta shuntista rakentaaksemme ohjausjärjestelmän. Tässä tehtävänä oli selittää selkeästi, mutta tämä pätee myös komparaattoreihin, jotka maapotentiaalin alueella (yleensä 0V) toimivat erittäin epävakaasti, jopa kiskosta kiskoon.

B) Jos haluamme vetää signaalin amplitudilla 60 mV, niin 5-10 cm:n jälkeen siitä ei jää enää mitään häiriön takia, eikä oikosulun aikana välttämättä tarvitse luottaa siihen, koska EMP kasvaa entisestään. Tietysti voit ripustaa suojapiirin suoraan shuntin jalkaan, mutta emme pääse eroon ensimmäisestä ongelmasta.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tarvitsemme operaatiovahvistimen (op-amp). En puhu sen toiminnasta - aihe on erinomaisesti googletettu, mutta puhumme kriittisistä parametreista ja op-vahvistimen valinnasta. Ensin määritellään skeema. Sanoin, että mitään erityistä armoa ei tule, joten peitämme op-vahvistimen negatiivisella palautteella (NFB) ja hankimme vahvistimen tunnetuilla vahvistuskertoimilla. Simuloin tätä toimintoa MultiSIMillä (kuvaa voi klikata):

Voit ladata tiedoston simulaatiota varten kotona - .

Jännitelähde V2 esittää shunttimme roolia, tai pikemminkin se simuloi jännitehäviötä sen yli. Selvyyden vuoksi olen valinnut pudotusarvon 100 mV, nyt meidän on vahvistettava signaalia niin, että se siirretään mukavampaan jännitteeseen, yleensä välillä 1/2 - 2/3 V ref . Näin voit saada suuren määrän kvantisointivaiheita nykyisellä alueella + jättää marginaalin mittauksille, jotta voit arvioida kuinka huonosti kaikki on ja laskea virran nousuaika, tämä on tärkeää monimutkaisissa reaktiivisen kuorman ohjausjärjestelmissä. Voitto tässä tapauksessa on yhtä suuri kuin:

Siten pystymme vahvistamaan signaalimme vaaditulle tasolle. Katsotaanpa nyt, mihin parametreihin sinun tulee kiinnittää huomiota:

• Operaatiovahvistimen on oltava kiskosta kiskoon, jotta se pystyy käsittelemään riittävästi signaaleja lähellä maapotentiaalia (GND)
• Kannattaa valita operaatiovahvistin, jolla on korkea kiertonopeus. Suosikkini OPA376:n asetukseksi on asetettu 2 V/µs, mikä mahdollistaa 3,3 V VCC:n maksimilähdön saavuttamisen vain 2 µs:ssa. Tämä nopeus riittää säästämään minkä tahansa muuntimen tai kuorman jopa 200 kHz:n taajuuksilla. Nämä parametrit on ymmärrettävä ja otettava käyttöön valittaessa op-vahvistin, muuten on mahdollisuus laittaa op-vahvistin 10 dollarilla, jossa vahvistin 1 dollarilla riittäisi
• Operaatiovahvistimen valitseman kaistanleveyden on oltava vähintään 10 kertaa suurempi kuin kuorman maksimikytkentätaajuus. Etsi jälleen "kultaista keskiarvoa" suhteessa "hinta / suorituskykyominaisuudet", kaikki on hyvää maltillisesti

Useimmissa projekteissani käytän Texas Instrumentsin op-vahvistinta - OPA376, sen suorituskykyominaisuudet riittävät suojaamaan useimmissa tehtävissä ja 1 dollarin hintalappu on varsin hyvä itselleen. Jos tarvitset halvempaa, katso ST:n ratkaisuja, ja jos vielä halvempia, niin Microchip ja Micrel. Uskonnollisista syistä käytän vain TI:tä ja Linearia, koska pidän niistä ja nukun rauhallisemmin.

Lisää realismia turvajärjestelmään

Lisätään nyt simulaattoriin shuntti, kuorma, virtalähde ja muut attribuutit, jotka tuovat mallimme lähemmäs todellisuutta. Tulos on seuraava (klikkaava kuva):

Voit ladata simulaatiotiedoston MultiSIM - .

Täällä näemme jo shunttimme R1 samalla 2 mOhmin resistanssilla, valitsin 310 V virtalähteen (tasasuuntainen verkko) ja sen kuormitus on 10,2 ohmin vastus, joka taas Ohmin lain mukaan antaa meille virran:

Shuntissa, kuten näet, aiemmin laskettu 60 mV putoaa, ja vahvistamme niitä vahvistuksella:

Lähdössä saamme vahvistetun signaalin, jonka amplitudi on 3,1 V. Samaa mieltä, sitä voidaan jo soveltaa ADC:hen ja vertailulaitteeseen ja vetää levyn läpi 20-40 mm ilman pelkoa ja vakauden heikkenemistä. Jatkamme työtä tämän signaalin kanssa.

Signaalien vertailu komparaattorilla

vertailija- Tämä on piiri, joka hyväksyy 2 signaalia sisääntulossa ja jos signaalin amplitudi suorassa sisääntulossa (+) on suurempi kuin käänteisessä (-), niin ulostulossa näkyy loki. 1 (VCC). Muussa tapauksessa kirjaudu. 0 (GND).

Muodollisesti mikä tahansa operaatiovahvistin voidaan kytkeä päälle vertailijana, mutta suorituskykyominaisuuksien suhteen tällainen ratkaisu on nopeuden ja "hinta / tulos" -suhteen suhteen huonompi kuin vertailu. Meidän tapauksessamme mitä suurempi nopeus, sitä suurempi on todennäköisyys, että suojalla on aikaa toimia ja tallentaa laite. Haluan käyttää vertailijaa, jälleen Texas Instrumentsilta - LMV7271. Mihin kannattaa kiinnittää huomiota:

• Vastausviive on itse asiassa tärkein suorituskyvyn rajoitin. Yllä olevalle vertailijalle tämä aika on noin 880 ns, mikä on riittävän nopea ja monissa ongelmissa hieman tarpeeton hintaan 2 dollaria ja voit valita optimaalisemman vertailijan
• Jälleen - suosittelen käyttämään kisko-kisko-vertailijaa, muuten lähtö ei ole 5 V, vaan vähemmän. Simulaattori auttaa sinua varmistamaan tämän, valitsemaan jotain muuta kuin rautateitse ja kokeilemaan. Vertailijan signaali syötetään yleensä kuljettajan hälytystuloon (SD) ja siellä olisi hyvä olla vakaa TTL-signaali
• Valitse vertailija, jossa on push-pull-lähtö, ei avoin tyhjennys ja muut. Tämä on kätevää, ja olemme ennustaneet lähdön suorituskykyominaisuudet

Lisätään nyt vertailija projektiimme simulaattorissa ja katsotaan sen toimintaa tilassa, jolloin suojaus ei toiminut eikä virta ylitä hätätilannetta (napsautettava kuva):

Voit ladata tiedoston simulaatiota varten MultiSIM - .

Mitä tarvitsemme ... Se on tarpeen yli 30 A:n virran ylittäessä, jotta vertailulaitteen lähdössä on loki. 0 (GND), tämä signaali koskee ajurin SD- tai EN-tuloa ja sammuttaa sen. Normaalitilassa lähdön tulee olla loki. 1 (5V TTL) ja mahdollistaa virtanäppäinohjaimen toiminnan (esimerkiksi "folk" IR2110 ja vähemmän vanhat).

Takaisin logiikkaamme:
1) Mittasimme virran shuntista ja saimme 56,4 mV;
2) Vahvistimme signaaliamme kertoimella 50,78 ja vastaanotimme 2,88 V:n operaatiovahvistimen lähtöön;
3) Käytämme vertailusignaalia vertailulaitteen suoraan sisääntuloon, johon vertaamme. Asetimme sen R2:n jakajalla ja asetamme sen arvoon 3,1 V - tämä vastaa noin 30 A:n virtaa. Tämä vastus säätelee suojakynnystä!
4) Nyt käytämme signaalia operaatiovahvistimen lähdöstä käänteiseen signaaliin ja vertaamme kahta signaalia: 3.1V> 2.88V. Suoratulossa (+) jännite on suurempi kuin käänteistulossa (-), mikä tarkoittaa, että virtaa ei ylitetä ja lähtö on logaritmi. 1 - ajurit toimivat, mutta LED1 ei pala.

Nyt lisäämme virtaa arvoon > 30A (käännä R8 ja vähennämme vastusta) ja katsomme tulosta (napsautettava kuva):

Tarkastellaan "logiikkamme" kohtia:
1) Mittasimme virran shuntista ja saimme 68,9 mV;
2) Vahvistimme signaaliamme kertoimella 50,78 ja saimme 3,4 V operaatiovahvistimen lähdössä;
4) Nyt käytämme signaalia operaatiovahvistimen lähdöstä käänteiseen signaaliin ja vertaamme kahta signaalia: 3.1V< 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.

Miksi laitteisto?

Vastaus tähän kysymykseen on yksinkertainen - mikä tahansa ohjelmoitava ratkaisu MK:ssa, jossa on ulkoinen ADC jne., voi yksinkertaisesti "jäätyä" ja vaikka olisit melko pätevä pehmeä kirjoittaja ja laittaisit päälle vahtikoiran ajastimen ja muut jäätymissuojat, laite palaa loppuun, kun sitä kaikkea käsitellään.

Laitteistosuojauksen avulla voit toteuttaa järjestelmän nopeudella muutamassa mikrosekunnissa, ja jos budjetti sallii, niin 100-200 ns:n sisällä, mikä riittää yleensä mihin tahansa tehtävään. Laitteistosuojaus ei myöskään pysty "jäätymään" ja säästää laitteen, vaikka ohjausmikrokontrolleri tai DSP jostain syystä "jäätyisi". Suojaus poistaa ajurin käytöstä, ohjauspiirisi käynnistyy hiljaa uudelleen, testaa laitteistoa ja joko antaa virheen esimerkiksi Modbusissa tai käynnistyy jos kaikki on kunnossa.

Tässä on syytä huomata, että tehomuuntimien rakentamiseen tarkoitetuissa erikoissäätimissä on erityisiä tuloja, joiden avulla voit sammuttaa PWM-signaalin generoinnin laitteistossa. Esimerkiksi kaikkien suosikki STM32:ssa on BKIN-tulo tätä varten.

Meidän pitäisi myös sanoa enemmän sellaisesta asiasta kuin CPLD. Itse asiassa tämä on joukko nopeaa logiikkaa ja luotettavuudeltaan se on verrattavissa laitteistoratkaisuun. Olisi ihan tervettä järkeä laittaa laudalle pieni CPLD ja toteuttaa siihen laitteistosuojaukset, deadtime ja muut ilot, jos puhutaan dc/dc:stä tai jostain ohjauskaapeista. CPLD mahdollistaa tällaisen ratkaisun tekemisen erittäin joustavaksi ja käteväksi.

Epilogi

Siinä varmaan kaikki. Toivottavasti pidit tämän artikkelin lukemisesta ja se antaa sinulle uutta tietoa tai päivittää vanhoja. Yritä aina miettiä etukäteen, mitkä laitteesi moduulit tulisi toteuttaa laitteistossa ja mitkä ohjelmistossa. Usein laitteiston toteutus on suuruusluokkaa yksinkertaisempaa kuin ohjelmistototeutus, mikä säästää aikaa kehitystyössä ja vastaavasti sen kustannuksissa.

Artikkelin muoto ilman laitteistoa on minulle uusi ja pyydän sinua ilmaisemaan mielipiteesi kyselyssä.

Vain rekisteröityneet käyttäjät voivat osallistua kyselyyn. , Ole kiltti.