Schema för att skydda enheter från överspänningar av ström och spänning. Strömförsörjningsskyddskrets mot överbelastning på KU202 Enkelt strömskydd

Att implementera en skyddskrets är inte svårt, särskilt eftersom det är mycket viktigt att skydda alla dina enheter från kortslutning och överbelastning. Om det av någon anledning uppstår en kortslutning i enheten kan detta leda till irreparable konsekvenser för den. För att skydda dig från onödiga kostnader och enheten från utbrändhet räcker det att göra en liten revidering, enligt schemat nedan.

Det är viktigt att notera att hela kretsen är byggd på ett komplementärt par transistorer. För att förstå, låt oss dechiffrera meningen med frasen. Ett komplementärt par kallas transistorer med samma parametrar, men olika riktningar av p-n-övergångar.

De där. alla parametrar för spänning, ström, effekt och andra för transistorer är exakt desamma. Skillnaden visar sig endast i typen av transistor p-n-p eller n-p-n. Vi kommer också att ge exempel på kompletterande par för att göra det lättare för dig att köpa. Från den ryska nomenklaturen: KT361/KT315, KT3107/KT3102, KT814/KT815, KT816/KT817, KT818/KT819. BD139 / BD140 är perfekta som import. Reläet måste väljas för en driftspänning på minst 12 V, 10-20 A.

Funktionsprincip:

När ett visst tröskelvärde överskrids (tröskeln ställs in av ett variabelt motstånd, empiriskt), stängs nycklarna för ett komplementärt transistorpar. Spänningen vid enhetens utgång försvinner och lysdioden tänds, vilket indikerar driften av enhetens skyddssystem.

Knappen mellan transistorn låter dig återställa skyddet (i stationärt tillstånd är det stängt, d.v.s. det fungerar för att öppna). Du kan återställa skyddet på annat sätt, stäng bara av och sätt på enheten. Skydd är relevant för nätaggregat eller batteriladdare.

En skyddsdesign för en strömförsörjning av vilken typ som helst presenteras. Detta skyddsschema kan fungera tillsammans med vilken strömförsörjning som helst - elnät, strömbrytare och DC-batterier. Den schematiska frånkopplingen av en sådan skyddsenhet är relativt enkel och består av flera komponenter.

Strömförsörjningsskyddskrets

Kraftdelen - en kraftfull fälteffekttransistor - överhettas inte under drift, därför behöver den inte heller en kylfläns. Kretsen är samtidigt skydd mot effektomkastning, överbelastning och kortslutning vid utgången, skyddsströmmen kan väljas genom att välja resistans på shuntmotståndet, i mitt fall är strömmen 8 ampere, 6 motstånd 5 watt 0,1 ohm används parallellt. Shunten kan även tillverkas av motstånd med en effekt på 1-3 watt.

Mer exakt kan skyddet justeras genom att välja resistansen för inställningsmotståndet. Strömförsörjningsskyddskrets, strömbegränsande regulator Strömförsörjningsskyddskrets, strömbegränsande regulator

~~~ I händelse av kortslutning och överbelastning av enhetens utgång, kommer skyddet att fungera omedelbart och stänger av strömkällan. LED-indikatorn kommer att informera dig om skyddsfunktionen. Även med en utgångskortslutning under ett par tiotals sekunder förblir fälteffekttransistorn kall

~~~ Fälteffekttransistorn är inte kritisk, alla nycklar med en ström på 15-20 och över Ampere och med en driftspänning på 20-60 Volt duger. Nycklar från IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 eller mer kraftfulla - IRF3205, IRL3705, IRL2505 och liknande är perfekta.

~~~ Denna krets är också bra som ett skydd för en laddare för bilbatterier, om du plötsligt vänder på polariteten på anslutningen, kommer inget dåligt att hända med laddaren, skyddet kommer att rädda enheten i sådana situationer.

~~~ Tack vare skyddets snabba funktion kan det med framgång användas för impulskretsar, vid kortslutning kommer skyddet att fungera snabbare än vad impulsströmförsörjningens strömbrytare hinner brinna ut. Kretsen är även lämplig för pulsväxelriktare, som strömskydd. I händelse av överbelastning eller kortslutning i växelriktarens sekundära krets, flyger växelriktarens krafttransistorer ut direkt, och ett sådant skydd kommer att förhindra att detta händer.

Kommentarer
Kortslutningsskydd, polaritetsomkastning och överbelastning monteras på ett separat kort. Effekttransistorn användes i IRFZ44-serien, men om så önskas kan den ersättas med en kraftfullare IRF3205 eller med någon annan strömbrytare som har liknande parametrar. Du kan använda nycklar från linjen IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 och andra nycklar med en ström på mer än 20 Ampere. Under drift förblir fälteffekttransistorn iskall. så ingen kylfläns behövs.

Den andra transistorn är inte heller kritisk, i mitt fall användes en bipolär högspänningstransistor av MJE13003-serien, men valet är stort. Skyddsströmmen väljs utifrån resistansen i shunten - i mitt fall 6 motstånd på 0,1 Ohm parallellt, skyddet utlöses vid en belastning på 6-7 Ampere. Mer exakt kan du justera genom att vrida det variabla motståndet, så jag ställer in utlösningsströmmen i området 5 Ampere.

Strömförsörjningens kraft är ganska anständig, utströmmen når 6-7 ampere, vilket är tillräckligt för att ladda ett bilbatteri.
Jag valde shuntmotstånd med en effekt på 5 watt, men det kan också vara 2-3 watt.

Om allt är gjort på rätt sätt, så börjar enheten att arbeta omedelbart, stäng utgången, skyddslysdioden ska lysa, vilket kommer att lysa så länge utgångsledningarna är i kortslutningsläge.
Om allt fungerar som det ska, gå vidare. Vi sätter ihop indikatorschemat.

Kretsen dras från laddaren till en batteriskruvmejsel. Den röda indikatorn indikerar att det finns en utspänning vid PSU-utgången, den gröna indikatorn indikerar laddningsprocessen. Med detta arrangemang av komponenter kommer den gröna indikatorn gradvis att slockna och slutligen slockna när spänningen på batteriet är 12,2-12,4 volt, när batteriet är frånkopplat tänds inte indikatorn.

För att skydda strömförsörjningen vid design av olika kretsar, rekommenderas att lägga till en överströmsskyddsenhet till PSU-utgången. En enkel enhetskrets är byggd med en tyristor som ett spänningsskyddskontrollelement.

Så länge matningsspänningen vid ingången ligger inom det normala området, är zenerdioden och tyristorn stängda, flyter strömmen till lasten. När matningsspänningen överstiger 15,2V öppnas zenerdioden, följt av tyristorn, eftersom det finns en potentialskillnad mellan dess katod och styrelektroden som är tillräcklig för att låsa upp den. Ansluten parallellt med strömförsörjningens utgång bryter tyristorn VS1, vid överbelastning, säkringen inom några mikrosekunder om utspänningen är över det tillåtna värdet. Tröskeln för att öppna tyristorn, nämligen skyddsoperationen, beror på zenerdiodens tekniska data. Om säkringen går kommer en piezoljudsändare med en inbyggd generator att slås på, vilket signalerar ett externt fel, vilket också indikerar en möjlig kortslutning i lasten. Larmet ljuder tills den allmänna strömmen eller laddningsenheten stängs av.

Video av driften av strömförsörjningsskyddskretsen

Enheterna kräver en strömförsörjningsenhet (PSU), som har en utspänningsjustering och möjlighet att justera nivån på överströmsskyddsdrift över ett brett område. När skyddet utlöses ska belastningen (ansluten enhet) automatiskt stängas av.

En internetsökning gav flera lämpliga strömförsörjningskretsar. Stannade till vid en av dem. Systemet är enkelt att tillverka och sätta upp, består av tillgängliga delar, uppfyller de angivna kraven.

Strömförsörjningen som föreslås för tillverkning är baserad på operationsförstärkaren LM358 och har följande egenskaper:
Inspänning, V - 24...29
Utgångsstabiliserad spänning, V - 1...20 (27)
Skyddsmanöverström, A - 0,03...2,0

Foto 2. PSU-schema

Beskrivning av PSU:s arbete

Den justerbara spänningsregulatorn är monterad på en operationsförstärkare DA1.1. Förstärkarens ingång (stift 3) tar emot en exemplifierande spänning från motorn till det variabla motståndet R2, för vars stabilitet zenerdioden VD1 är ansvarig, och spänningen tillförs den inverterande ingången (stift 2) från emittern av transistorn VT1 genom spänningsdelaren R10R7. Med hjälp av ett variabelt motstånd R2 kan du ändra utgångsspänningen på PSU.
Överströmsskyddsenheten är gjord på operationsförstärkaren DA1.2, den jämför spänningen vid op-förstärkarens ingångar. Spänning tillförs ingång 5 genom motstånd R14 från belastningsströmgivaren - motstånd R13. En exemplifierande spänning tillförs den inverterande ingången (stift 6), för vars stabilitet VD2-dioden med en stabiliseringsspänning på ca 0,6 V ansvarar.

Så länge som spänningsfallet som skapas av belastningsströmmen över motståndet R13 är mindre än det exemplifierande, är utgångsspänningen (stift 7) för op-amp DA1.2 nära noll. I händelse av att belastningsströmmen överskrider den tillåtna inställda nivån kommer spänningen på strömsensorn att öka och spänningen vid utgången av op-amp DA1.2 kommer att öka nästan till matningsspänningen. I det här fallet kommer HL1-lysdioden att tändas, vilket signalerar ett överskott, transistorn VT2 öppnas och shuntar Zener-dioden VD1 med motståndet R12. Som ett resultat kommer transistorn VT1 att stänga, PSU-utgångsspänningen minskar till nästan noll och belastningen kommer att stängas av. För att slå på lasten, tryck på SA1-knappen. Skyddsnivån justeras med hjälp av ett variabelt motstånd R5.

PSU tillverkning

1. Grunden för strömförsörjningen, dess utgångsegenskaper bestäms av strömkällan - transformatorn som används. I mitt fall användes en ringkärltransformator från en tvättmaskin. Transformatorn har två utgångslindningar för 8v och 15v. Genom att seriekoppla båda lindningarna och lägga till en likriktarbrygga på KD202M mellaneffektsdioder som finns tillgängliga fick jag en konstant spänningskälla på 23v, 2a för nätaggregatet.

Foto 3. Transformator och likriktarbrygga.

2. En annan definierande del av PSU är enhetens kropp. I det här fallet har en bildprojektor för barn som stör i garaget hittat tillämpning. Efter att ha tagit bort överskottet och bearbetade hålen i den främre delen för att installera en indikerande mikroamperemeter, fick vi ett tomt för PSU-fodralet.

Foto 4. PSU-hus tomt

3. Den elektroniska kretsen är monterad på en 45 x 65 mm universell monteringsplatta. Layouten av delar på brädet beror på dimensionerna som finns i komponentgården. Istället för motstånden R6 (inställning av driftström) och R10 (begränsar den maximala utspänningen), installeras trimmotstånd med en 1,5-faldig ökning av klassificeringen på kortet. I slutet av PSU-inställningarna kan de ersättas med permanenta.

Bild 5. Kretskort

4. Montering av kortet och externa delar av den elektroniska kretsen i sin helhet för testning, inställning och justering av utgångsparametrarna.

Bild 6. PSU styrenhet

5. Tillverkning och montering av en shunt och ytterligare motstånd för att använda en mikroamperemeter som PSU amperemeter eller voltmeter. Ytterligare resistans består av seriekopplade konstant- och trimmotstånd (bilden ovan). Shunten (bilden nedan) ingår i huvudströmkretsen och består av en tråd med lågt motstånd. Trådens tvärsnitt bestäms av den maximala utströmmen. Vid strömmätning kopplas enheten parallellt med shunten.

Foto 7. Mikroamperemeter, shunt och ytterligare motstånd

Justering av shuntlängden och värdet av ytterligare motstånd utförs med lämplig anslutning till enheten med kontroll för överensstämmelse med en multimeter. Att byta enheten till Amperemeter / Voltmeter-läge utförs med en vippomkopplare i enlighet med diagrammet:

Foto 8. Schema för att byta styrläge

6. Märkning och bearbetning av PSU-frontpanelen, installation av fjärrdelar. I denna version är en mikroamperemeter placerad på frontpanelen (vippströmbrytare för att växla A/V-kontrollläge till höger om enheten), utgångsterminaler, spännings- och strömregulatorer och driftlägesindikatorer. För att minska förlusterna och på grund av frekvent användning matades en separat stabiliserad 5 V-utgång ut. Varför tillförs spänningen från transformatorlindningen vid 8V till den andra likriktarbryggan och en typisk 7805-krets med inbyggt skydd.

Foto 9. Frontpanel

7. PSU montering. Alla delar av PSU:n är installerade i höljet. I denna utföringsform är styrtransistorns VT1 radiator en 5 mm tjock aluminiumplatta, fixerad i den övre delen av höljeslocket, som fungerar som en extra radiator. Transistorn är fäst vid kylflänsen genom en elektriskt isolerande packning.

Idag kommer min artikel att vara av uteslutande teoretisk karaktär, eller snarare, den kommer inte att innehålla hårdvara som i tidigare artiklar, men avskräcks inte - den har inte blivit mindre användbar. Faktum är att problemet med att skydda elektroniska komponenter direkt påverkar tillförlitligheten hos enheter, deras resurser och därför din viktiga konkurrensfördel - Möjlighet att ge långvarig produktgaranti. Implementeringen av skydd berör inte bara min favoritkraftelektronik, utan också vilken enhet som helst i princip, så även om du designar IoT-hantverk och har blygsamma 100 mA, måste du fortfarande förstå hur du säkerställer en problemfri drift av din enhet.

Strömskydd eller kortslutningsskydd (SC) är förmodligen den vanligaste typen av skydd eftersom försummelse i denna fråga orsakar förödande konsekvenser i bokstavlig mening. Till exempel föreslår jag att titta på spänningsregulatorn, som blev ledsen av kortslutningen som uppstod:

Diagnosen här är enkel - ett fel inträffade i stabilisatorn och ultrahöga strömmar började flyta i kretsen, för gott, skyddet borde ha stängt av enheten, men något gick fel. Efter att ha läst artikeln verkar det som om du själv kan gissa vad problemet kan vara.

När det gäller själva belastningen ... Om du har en elektronisk enhet i storleken av en tändsticksask, det finns inga sådana strömmar, tänk då inte att du inte kan bli lika ledsen som en stabilisator. Visst vill du inte bränna buntar av mikrokretsar för $ 10-1000? Om så är fallet, inbjuder jag dig att bekanta dig med principerna och metoderna för att hantera kortslutningar!

Syftet med artikeln

Jag fokuserar min artikel på människor för vilka elektronik är en hobby och nybörjare, så allt kommer att berättas "på fingrarna" för en mer meningsfull förståelse av vad som händer. För den som vill vara akademisk - vi går och läser valfri universitetslärobok om elektroteknik + "klassiker" av Horowitz, Hill "The Art of Circuitry".

Separat skulle jag vilja säga att alla lösningar kommer att vara hårdvarubaserade, det vill säga utan mikrokontroller och andra perversioner. På senare år har det blivit ganska modernt att programmera där det är nödvändigt och inte nödvändigt. Jag observerar ofta ström "skydd", som implementeras av en banal mätning av ADC-spänningen av någon arduino eller mikrokontroller, och sedan misslyckas enheterna fortfarande. Jag råder dig starkt att inte göra detsamma! Jag kommer att gå in mer i detalj om detta problem.

Lite om kortslutningsströmmar

För att börja komma på skyddsmetoder måste du först förstå vad vi överhuvudtaget kämpar mot. Vad är en "kortslutning"? Ohms favoritlag kommer att hjälpa oss här, överväg det ideala fallet:

Bara? Egentligen är denna krets en likvärdig krets av nästan vilken elektronisk enhet som helst, det vill säga det finns en energikälla som ger den till lasten, och den värms upp och gör eller inte gör något annat.

Vi är överens om att källans effekt gör att spänningen är konstant, det vill säga "inte sjunka" under någon belastning. Under normal drift kommer strömmen som verkar i kretsen att vara lika med:

Föreställ dig nu att farbror Vasya tappade en skiftnyckel på ledningarna som leder till glödlampan och vår belastning minskade 100 gånger, det vill säga istället för R blev det 0,01 * R och med hjälp av enkla beräkningar får vi en ström 100 gånger mer. Om glödlampan förbrukade 5A, kommer nu strömmen från lasten att tas från cirka 500A, vilket är tillräckligt för att smälta farbror Vasyas nyckel. Nu en liten slutsats...

Kortslutning- en signifikant minskning av belastningsmotståndet, vilket leder till en betydande ökning av strömmen i kretsen.

Det bör förstås att kortslutningsströmmar vanligtvis är hundratals och tusentals gånger större än märkströmmen, och även en kort tidsperiod är tillräckligt för att enheten ska misslyckas. Här kommer säkert många att minnas elektromekaniska skyddsanordningar ("automatiska anordningar" och andra), men allt är väldigt prosaiskt här ... Vanligtvis skyddas ett hushållsuttag av en automatisk anordning med en märkström på 16A, dvs. , kommer en avstängning att ske vid 6-7 gånger strömmen, vilket redan är cirka 100A. Den bärbara datorns strömförsörjning har en effekt på cirka 100 W, det vill säga strömmen är mindre än 1A. Även om en kortslutning uppstår kommer maskinen inte att märka detta på länge och kommer att stänga av belastningen först när allt redan har brunnit ut. Det är mer ett brandskydd än ett teknikskydd.

Låt oss nu titta på ett annat ofta förekommande fall - genom ström. Jag kommer att visa det med exemplet med en DC / DC-omvandlare med en synkron buck-topologi, alla MPPT-kontroller, många LED-drivrutiner och kraftfulla DC / DC-omvandlare på korten är byggda exakt på den. Vi tittar på omvandlarkretsen:

Diagrammet visar två alternativ för överström: grön väg för en "klassisk" kortslutning, när det var en minskning av belastningsmotståndet ("snot" mellan vägar efter lödning, till exempel) och orange väg. När kan ström flyta i den orangea banan? Jag tror att många vet att den öppna kanalresistansen hos en fälteffekttransistor är väldigt liten, för moderna lågspänningstransistorer är den 1-10 mOhm. Föreställ dig nu att en PWM med hög nivå kom till nycklarna samtidigt, det vill säga båda nycklarna öppnade, för "VCCIN - GND" -källan, detta motsvarar att ansluta en last med ett motstånd på cirka 2-20 mOhm ! Låt oss tillämpa den stora och mäktiga Ohms lag och få ett strömvärde på mer än 250A även med en 5V-matning! Oroa dig dock inte, det blir inte så mycket ström - komponenterna och ledarna på kretskortet kommer att brinna ut tidigare och bryta kretsen.

Detta fel uppstår mycket ofta i strömförsörjningssystemet och speciellt i kraftelektronik. Det kan uppstå av olika anledningar, till exempel på grund av ett kontrollfel eller långa transienter. I det senare fallet sparas inte ens "dödtiden" (dödtiden) i din omvandlare.

Jag tror att problemet är klart och många av er är bekanta, nu är det klart vad som måste bekämpas och det återstår bara att ta reda på HUR. Det här blir nästa historia.

Principen för drift av strömskydd

Här är det nödvändigt att tillämpa den vanliga logiken och se orsakssambandet:
1) Huvudproblemet är det stora värdet av strömmen i kretsen;
2) Hur förstår man vilket värde av ström? -> Mät det;
3) Vi mätte och fick värdet -> Jämför det med det givna tillåtna värdet;
4) Om värdet överskrids -> Koppla bort belastningen från strömkällan.

Mät strömmen -> Ta reda på om den tillåtna strömmen har överskridits -> Koppla bort belastningen

Absolut vilket skydd som helst, inte bara för ström, är byggt på detta sätt. Beroende på den fysiska kvantiteten som skyddet är byggt på kommer olika tekniska problem och metoder för att lösa dem att uppstå på vägen till implementering, men kärnan är oförändrad.

Nu föreslår jag att gå igenom hela kedjan av byggskydd i ordning och reda och lösa alla tekniska problem som uppstår. Ett bra skydd är ett på förhand förutsett skydd och det fungerar. Så vi kan inte göra utan modellering, jag kommer att använda den populära och gratis MultiSIM blå, som aktivt främjas av Mouser. Du kan ladda ner den där - länk. Jag kommer också att säga i förväg att jag inom ramen för denna artikel inte kommer att fördjupa mig i kretsförfining och fylla ditt huvud med onödiga saker i detta skede, bara veta att allt kommer att vara lite mer komplicerat i riktig hårdvara.

Strömmätning

Detta är den första punkten i vår kedja och förmodligen den lättaste att förstå. Det finns flera sätt att mäta strömmen i en krets, och var och en har sina egna fördelar och nackdelar, vilket du ska använda specifikt i din uppgift är upp till dig. Jag kommer att berätta, baserat på min erfarenhet, om just dessa fördelar och nackdelar. Vissa av dem är "allmänt accepterade", och några av dem är min världsbild, observera att jag inte ens försöker låtsas vara någon form av sanning.

1) Aktuell shunt. Grunden för grunderna, allt "verkar" på samma stora och kraftfulla Ohms lag. Det enklaste, billigaste, snabbaste och generellt bästa sättet, men med ett antal nackdelar:

A) Brist på galvanisk isolering. Du måste implementera det separat, till exempel med en höghastighetsoptokopplare. Detta är inte svårt att implementera, men kräver extra kortutrymme, frikopplad dc/dc och andra komponenter som kostar pengar och lägger till övergripande dimensioner. Även om galvanisk isolering inte alltid behövs, förstås.

B) Accelererar den globala uppvärmningen vid höga strömmar. Som jag skrev tidigare, "fungerar" allt enligt Ohms lag, vilket betyder att det värms upp och värmer upp atmosfären. Detta leder till en minskning av effektiviteten och behovet av att kyla shunten. Det finns ett sätt att minimera denna nackdel - att minska shuntens motstånd. Tyvärr går det inte att minska oändligt och generellt Jag skulle inte rekommendera att minska den med mindre än 1 mΩ, om du fortfarande har liten erfarenhet, eftersom det finns ett behov av att hantera störningar och kraven för PCB-designstadiet ökar.

I mina enheter gillar jag att använda dessa shunts PA2512FKF7W0R002E:

Strömmätning sker genom att mäta spänningsfallet över shunten, till exempel när en ström på 30A flyter, kommer shunten att falla:

Det vill säga när vi får ett fall på 60 mV på shunten kommer detta att innebära att vi har nått gränsen, och om fallet ökar ytterligare så kommer vår enhet eller belastning att behöva stängas av. Låt oss nu beräkna hur mycket värme som kommer att släppas ut på vår shunt:

Inte mycket, eller hur? Detta ögonblick måste beaktas, eftersom. maxeffekten på min shunt är 2 W och den kan inte överskridas, det är inte heller värt att löda shuntarna med smältlod - det går att löda bort, jag har sett detta.

Använd shuntar när du har höga spänningar och inte särskilt höga strömmar.
Övervaka mängden värme som genereras på shunten
Använd shuntar där du behöver maximal prestanda
Använd endast shuntar av specialmaterial: konstantan, manganin och liknande

2) Halleffektströmsensorer. Här kommer jag att tillåta mig min egen klassificering, som helt återspeglar kärnan i olika beslut om denna effekt, nämligen: billig Och dyr.

A) billig t.ex. ACS712 och liknande. Av plusen kan jag notera användarvänligheten och närvaron av galvanisk isolering, det är där plusen slutar. Den största nackdelen är det extremt instabila beteendet under påverkan av RF-störningar. Varje likström / likström eller en kraftfull reaktiv belastning är störningar, det vill säga i 90% av fallen är dessa sensorer värdelösa, eftersom de "blir galna" och snarare visar vädret på Mars. Men varför gör de det?

Är de galvaniskt isolerade och kan mäta höga strömmar? Ja. Gillar du inte störningar? Också ja. Var ska man placera dem? Det stämmer, till ett övervakningssystem med lågt ansvar och för att mäta strömförbrukning från batterier. Jag har dem i växelriktare för solkraftverk och vindkraftsparker för en kvalitativ bedömning av strömförbrukningen från batteriet, vilket gör att du kan förlänga batteriernas livscykel. Dessa sensorer ser ut så här:

B) Dyr. De har alla fördelar med billigt, men har inte sina nackdelar. Ett exempel på en sådan LEM LTS 15-NP-sensor:

Vad slutar vi med:
1) Hög prestanda;
2) Galvanisk isolering;
3) Lätt att använda;
4) Stora uppmätta strömmar oavsett spänning;
5) Hög mätnoggrannhet;
6) Även "onda" EMR stör inte arbetet och gör det inte; påverka noggrannheten.

Men vad är nackdelen då? De som öppnade länken ovan såg det tydligt – det här är priset. 18 $ Carl! Och även för en serie på 1000+ stycken kommer priset inte att falla under $10, och det verkliga köpet kommer att vara $12-13. Du kan inte lägga detta i en BP för ett par dollar, men som du skulle vilja ... Sammanfatta:

A) Detta är den bästa lösningen i princip för att mäta ström, men dyr;
b) Använd dessa sensorer i tuffa miljöer;
c) Använd dessa sensorer i kritiska noder;
d) Använd dem om din enhet kostar mycket pengar, till exempel en 5-10 kW UPS, där det definitivt kommer att motivera sig själv, eftersom priset på enheten kommer att vara flera tusen dollar.

3) Strömtransformator. Standardlösning i många enheter. Minus två - de fungerar inte med likström och har icke-linjära egenskaper. Plus - billig, pålitlig och du kan mäta bara enorma strömmar. Det är på nuvarande transformatorer som automations- och skyddssystem byggs i RU-0.4, 6, 10, 35 kV hos företag, och där är tusentals ampere ett ganska normalt fenomen.

För att vara ärlig försöker jag att inte använda dem, eftersom jag inte gillar dem, men jag installerar dem fortfarande i olika styrskåp och andra system på växelström, eftersom. de kostar ett par dollar och ger galvanisk isolering, och inte $15-20 som LEM, och de utför perfekt sin uppgift i ett 50 Hz nätverk. De ser vanligtvis ut så här, men de kan också hittas på alla EFD-kärnor:

Kanske med metoderna för att mäta ström kan du avsluta. Jag pratade om de viktigaste, men naturligtvis inte om alla. För att vidga mina egna vyer och kunskaper råder jag dig att dessutom åtminstone googla och titta på olika sensorer på samma digikey.

Förstärkning av det uppmätta spänningsfallet

Ytterligare konstruktion av skyddssystemet kommer att baseras på shunten som strömsensor. Låt oss bygga ett system med det tidigare aviserade nuvarande värdet på 30A. På shunten får vi ett fall på 60 mV, och här uppstår 2 tekniska problem:

A) Det är obekvämt att mäta och jämföra en signal med en amplitud på 60 mV. ADC:er har vanligtvis ett mätområde på 3,3V, det vill säga med 12 bitars bitdjup får vi ett kvantiseringssteg:

Det betyder att för området 0-60mV, vilket motsvarar 0-30A, kommer vi att få ett litet antal steg:

Vi får att bitdjupet för mätningen bara blir:

Det bör förstås att detta är en idealiserad figur och i verkligheten kommer de att vara många gånger värre, eftersom. ADC själv har ett fel, speciellt runt noll. Naturligtvis kommer vi inte att använda ADC för skydd, men vi måste mäta strömmen från samma shunt för att bygga ett styrsystem. Här var uppgiften att tydligt förklara, men detta gäller även för komparatorer, som i området för jordpotentialen (vanligtvis 0V) fungerar mycket instabilt, även räls-till-räls.

B) Om vi vill dra en signal med en amplitud på 60 mV över linjen, kommer ingenting att finnas kvar av den på grund av störningar efter 5-10 cm, och vid tidpunkten för en kortslutning behöver vi definitivt inte lita på det, eftersom EMP kommer att öka ytterligare. Naturligtvis kan du hänga skyddskretsen direkt på shuntens ben, men vi blir inte av med det första problemet.

För att lösa dessa problem behöver vi en operationsförstärkare (op-amp). Jag kommer inte att prata om hur det fungerar - ämnet är utmärkt googlat, men vi kommer att prata om kritiska parametrar och valet av en op-amp. Låt oss först definiera schemat. Jag sa att det inte kommer att finnas några speciella graces, så vi täcker op-förstärkaren med negativ feedback (NFB) och får en förstärkare med kända förstärkningsfaktorer. Jag kommer att simulera denna åtgärd i MultiSIM (bilden är klickbar):

Du kan ladda ner filen för simulering hemma - .

Spänningskällan V2 spelar rollen som vår shunt, eller snarare, den simulerar ett spänningsfall över den. För tydlighetens skull har jag valt ett fallvärde på 100 mV, nu måste vi förstärka signalen så att den överförs till en mer bekväm spänning, vanligtvis mellan 1/2 och 2/3 V ref . Detta kommer att tillåta dig att få ett stort antal kvantiseringssteg i det aktuella området + lämna en marginal för mätningar för att bedöma hur dåligt allt är och beräkna aktuell stigtid, detta är viktigt i komplexa reaktiva lastkontrollsystem. Vinsten i detta fall är lika med:

Således kan vi förstärka vår signal till den nivå som krävs. Låt oss nu titta på vilka parametrar du bör vara uppmärksam på:

Op-amp måste vara rail-to-rail för att korrekt hantera signaler nära jordpotential (GND)
Det är värt att välja en op-förstärkare med hög svänghastighet. Min favorit OPA376 har den här inställningen inställd på 2V/µs, vilket gör det möjligt att nå en maximal op-amp-utgång på 3,3V VCC på bara 2µs. Denna hastighet är tillräcklig för att spara vilken omvandlare eller belastning som helst med frekvenser upp till 200 kHz. Dessa parametrar bör förstås och slås på när du väljer en op-amp, annars finns det en chans att sätta en op-amp för $ 10 där en förstärkare för $ 1 skulle räcka
Den bandbredd som väljs av op-amp måste vara minst 10 gånger större än lastens maximala omkopplingsfrekvens. Återigen, leta efter den "gyllene medelvägen" i förhållandet "pris / prestandaegenskaper", allt är bra med måtta

I de flesta av mina projekt använder jag en op-amp från Texas Instruments - OPA376, dess prestandaegenskaper räcker för att implementera skydd i de flesta uppgifter och prislappen på $ 1 är ganska bra för sig själv. Behöver du billigare så titta på lösningar från ST, och om ännu billigare så hos Microchip och Micrel. Av religiösa skäl använder jag bara TI och Linear, eftersom jag gillar det och sover lugnare.

Tillför realism till säkerhetssystemet

Låt oss nu lägga till en shunt, last, strömförsörjning och andra attribut i simulatorn som kommer att föra vår modell närmare verkligheten. Resultatet är följande (klickbar bild):

Du kan ladda ner simuleringsfilen för MultiSIM - .

Här ser vi redan vår shunt R1 med samma motstånd på 2 mOhm, jag valde en 310V strömförsörjning (likriktat nätverk) och belastningen för den är ett 10,2 Ohm motstånd, vilket återigen, enligt Ohms lag, ger oss en ström:

På shunten, som du kan se, faller det tidigare beräknade 60 mV, och vi förstärker dem med en förstärkning:

Vid utgången får vi en förstärkt signal med en amplitud på 3,1V. Håller med, det kan redan appliceras på ADC och på komparatorn och dras genom brädet 20-40 mm utan rädsla och försämring av stabiliteten. Vi kommer att fortsätta arbeta med denna signal.

Jämföra signaler med en komparator

Komparator- detta är en krets som accepterar 2 signaler vid ingången och om signalamplituden vid direktingången (+) är större än vid inversen (-), så visas en logg vid utgången. 1 (VCC). Logga annars. 0 (GND).

Formellt kan vilken op-förstärkare som helst slås på som en komparator, men en sådan lösning när det gäller prestandaegenskaper kommer att vara sämre än komparatorn när det gäller hastighet och förhållandet "pris / resultat". I vårt fall, ju högre hastighet, desto större är sannolikheten att skyddet hinner lösa sig och rädda enheten. Jag gillar att använda en komparator, återigen från Texas Instruments - LMV7271. Vad du bör vara uppmärksam på:

Svarsfördröjningen är faktiskt den huvudsakliga prestandabegränsaren. För ovanstående komparator är denna tid cirka 880 ns, vilket är tillräckligt snabbt och i många problem är något överflödigt till ett pris av $ 2 och du kan välja en mer optimal komparator
Återigen - jag råder dig att använda en rail-to-rail komparator, annars blir uteffekten inte 5V, men mindre. Simulatorn hjälper dig att verifiera detta, välja något som inte är räls-till-räls och experimentera. Signalen från komparatorn matas vanligtvis till förarlarmingången (SD) och det skulle vara trevligt att ha en stabil TTL-signal där
Välj en komparator med push-pull-utgång, inte open-drain och andra. Detta är bekvämt och vi har förutspått prestandaegenskaper för output

Låt oss nu lägga till en komparator till vårt projekt i simulatorn och titta på dess funktion i läget när skyddet inte fungerade och strömmen inte överstiger nödsituationen (klickbar bild):

Du kan ladda ner filen för simulering i MultiSIM - .

Vad vi behöver ... Det är nödvändigt om strömmen överskrids med mer än 30A, så att det finns en logg vid utgången av komparatorn. 0 (GND), kommer denna signal att tillämpas på SD- eller EN-ingången på föraren och stänga av den. I normalt tillstånd bör utgången vara en logg. 1 (5V TTL) och aktivera driften av strömnyckeldrivrutinen (till exempel den "folkliga" IR2110 och mindre gamla).

Tillbaka till vår logik:
1) Vi mätte strömmen på shunten och fick 56,4 mV;
2) Vi förstärkte vår signal med en faktor på 50,78 och fick en op-amp på 2,88V vid utgången;
3) Vi applicerar en referenssignal till den direkta ingången på komparatorn som vi kommer att jämföra med. Vi ställer in den med hjälp av en delare på R2 och ställer in den på 3,1V - detta motsvarar en ström på cirka 30A. Detta motstånd reglerar skyddströskeln!
4) Nu applicerar vi signalen från op-förstärkarens utgång till den inversa och jämför de två signalerna: 3.1V> 2.88V. Vid direktingången (+) är spänningen högre än vid inversingången (-), vilket innebär att strömmen inte överskrids och utgången loggar. 1 - drivrutinerna fungerar, men vår LED1 är släckt.

Nu ökar vi strömmen till ett värde > 30A (vrid R8 och minska motståndet) och tittar på resultatet (klickbar bild):

Låt oss granska punkterna från vår "logik":
1) Vi mätte strömmen på shunten och fick 68,9 mV;
2) Vi förstärkte vår signal med en faktor på 50,78 och fick 3,4V op-amp vid utgången;
4) Nu applicerar vi signalen från op-förstärkarens utgång till den inversa och jämför de två signalerna: 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.

Varför hårdvara?

Svaret på denna fråga är enkelt - alla programmerbara lösningar på MK, med en extern ADC, etc., kan helt enkelt "frysa" och även om du är en ganska kompetent mjukskrivare och slår på watchdog-timern och andra frysskydd, enheten kommer att brinna ut medan allt bearbetas.

Hårdvaruskydd låter dig implementera ett system med en hastighet inom några mikrosekunder, och om budgeten tillåter, då inom 100-200 ns, vilket i allmänhet räcker för alla uppgifter. Hårdvaruskyddet kommer inte heller att kunna "frysa" och kommer att spara enheten, även om din kontrollmikrokontroller eller DSP av någon anledning "fryser". Skyddet kommer att inaktivera föraren, din styrkrets kommer tyst att starta om, testa hårdvaran och antingen ge ett fel, till exempel i Modbus, eller starta om allt är bra.

Det är värt att notera här att det i specialiserade styrenheter för att bygga kraftomvandlare finns speciella ingångar som gör att du kan stänga av genereringen av en PWM-signal i hårdvara. Till exempel har allas favorit STM32 en BKIN-ingång för detta.

Vi borde också säga mer om en sådan sak som CPLD. I själva verket är detta en uppsättning höghastighetslogik och när det gäller tillförlitlighet är den jämförbar med en hårdvarulösning. Det skulle vara ganska sunt förnuft att sätta en liten CPLD på kortet och implementera hårdvaruskydd, dödtid och andra nöjen i den, om vi pratar om dc / dc eller någon form av kontrollskåp. CPLD låter dig göra en sådan lösning mycket flexibel och bekväm.

Epilog

Det är nog allt. Jag hoppas att du tyckte om att läsa den här artikeln och att den kommer att ge dig lite ny kunskap eller uppdatera de gamla. Försök alltid i förväg tänka på vilka moduler i din enhet som ska implementeras i hårdvara och vilka i mjukvara. Ofta är hårdvaruimplementering storleksordningar enklare än mjukvaruimplementering, och detta leder till att man sparar tid på utveckling och följaktligen dess kostnader.

Formatet på artikeln utan hårdvara är nytt för mig och jag kommer att be dig uttrycka din åsikt i undersökningen.

Endast registrerade användare kan delta i undersökningen. , Snälla du.