Mga scheme para sa pagprotekta sa mga device mula sa mga surge ng kasalukuyang at boltahe. Power supply overload protection circuit sa KU202 Simpleng kasalukuyang proteksyon

Ang pagpapatupad ng isang circuit ng proteksyon ay hindi mahirap, lalo na dahil ito ay napakahalaga para sa pagprotekta sa lahat ng iyong mga aparato mula sa mga short circuit at labis na karga. Kung ang isang maikling circuit ay nangyayari sa aparato para sa anumang kadahilanan, maaari itong humantong sa hindi na mapananauli na mga kahihinatnan para dito. Upang maprotektahan ka mula sa mga hindi kinakailangang gastos at ang aparato mula sa pagkasunog, sapat na upang gumawa ng isang maliit na pagbabago ayon sa diagram sa ibaba.

Mahalagang tandaan na ang buong circuit ay binuo sa isang pantulong na pares ng mga transistors. Upang maunawaan, bigyang-kahulugan natin ang kahulugan ng parirala. Ang mga transistor na may parehong mga parameter, ngunit ang iba't ibang direksyon ng p-n junctions ay tinatawag na isang komplementaryong pares.

Yung. lahat ng mga parameter ng boltahe, kasalukuyang, kapangyarihan at iba pang mga transistor ay ganap na pareho. Ang pagkakaiba ay lilitaw lamang sa uri ng transistor p-n-p o n-p-n. Magbibigay din kami ng mga halimbawa ng mga komplementaryong pares upang gawing mas madali ang iyong pagbili. Mula sa Russian nomenclature: KT361/KT315, KT3107/KT3102, KT814/KT815, KT816/KT817, KT818/KT819. Ang BD139/BD140 ay perpekto para sa mga imported. Ang relay ay dapat piliin para sa isang operating boltahe na hindi bababa sa 12 V, 10-20 A.

Prinsipyo ng pagpapatakbo:

Kapag ang isang tiyak na threshold ay lumampas (ang threshold ay itinakda ng isang variable na risistor, sa eksperimento), ang mga switch ng komplementaryong pares ng mga transistors ay sarado. Ang boltahe sa output ng device ay nawawala at ang LED ay umiilaw, na nagpapahiwatig na ang sistema ng proteksyon ng device ay na-activate.

Ang pindutan sa pagitan ng transistor ay nagpapahintulot sa iyo na i-reset ang proteksyon (sa isang nakatigil na estado ito ay sarado, ibig sabihin, ito ay gumagana upang buksan). Maaari mong i-reset ang proteksyon sa ibang paraan, i-off at i-on lang ang unit. May kaugnayan ang proteksyon para sa mga power supply o singil ng baterya.

Ang isang disenyo ng proteksyon para sa anumang uri ng power supply ay ipinakita. Maaaring gumana ang circuit ng proteksyon na ito kasama ng anumang power supply - mga mains, switching at DC na baterya. Ang schematic decoupling ng naturang yunit ng proteksyon ay medyo simple at binubuo ng ilang bahagi.

Sirkit ng proteksyon ng power supply

Ang bahagi ng kapangyarihan - isang malakas na field-effect transistor - ay hindi umiinit sa panahon ng operasyon, samakatuwid hindi rin ito nangangailangan ng heat sink. Ang circuit ay kasabay ng isang proteksyon laban sa labis na karga, labis na karga at maikling circuit sa output, ang kasalukuyang operasyon ng proteksyon ay maaaring mapili sa pamamagitan ng pagpili ng paglaban ng shunt risistor, sa aking kaso ang kasalukuyang ay 8 Amperes, 6 resistors ng 5 watts 0.1 Ohm konektado sa parallel ay ginamit. Ang shunt ay maaari ding gawin mula sa mga resistor na may lakas na 1-3 watts.

Ang proteksyon ay maaaring mas tumpak na nababagay sa pamamagitan ng pagpili ng paglaban ng trimming risistor. Sirkit ng proteksyon ng suplay ng kuryente, kasalukuyang regulator ng limitasyon Power supply ng proteksyon circuit, kasalukuyang regulator ng limitasyon

~~~Sa kaganapan ng isang maikling circuit at labis na karga ng output ng yunit, ang proteksyon ay agad na gagana, na patayin ang pinagmumulan ng kuryente. Ang isang LED indicator ay magsasaad na ang proteksyon ay na-trigger. Kahit na ang output ay nag-short-circuit sa loob ng ilang sampu-sampung segundo, ang field-effect transistor ay nananatiling malamig.

~~~Ang field-effect transistor ay hindi kritikal; ang anumang switch na may kasalukuyang 15-20 Amps o mas mataas at ang operating voltage na 20-60 Volts ay magagawa. Tamang-tama ang mga susi mula sa linyang IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 o mas malakas - IRF3205, IRL3705, IRL2505 at iba pa.

~~~Mahusay din ang circuit na ito para sa pagprotekta ng charger para sa mga baterya ng kotse; kung biglang nabaligtad ang polarity ng koneksyon, walang masamang mangyayari sa charger; ise-save ng proteksyon ang device sa mga ganitong sitwasyon.

~~~Salamat sa mabilis na operasyon ng proteksyon, maaari itong matagumpay na magamit para sa mga pulsed circuit; sa kaganapan ng isang maikling circuit, ang proteksyon ay gagana nang mas mabilis kaysa sa mga power switch ng switching power supply ay may oras na masunog. Ang circuit ay angkop din para sa mga pulse inverters, bilang kasalukuyang proteksyon. Kung mayroong isang overload o short circuit sa pangalawang circuit ng inverter, ang mga power transistors ng inverter ay agad na lumilipad, at ang gayong proteksyon ay maiiwasan ito na mangyari.

Mga komento
Proteksyon ng short circuit, ang polarity reversal at overload ay binuo sa isang hiwalay na board. Ang power transistor ay ginamit sa serye ng IRFZ44, ngunit kung ninanais, maaari itong mapalitan ng isang mas malakas na IRF3205 o sa anumang iba pang power switch na may katulad na mga parameter. Maaari mong gamitin ang mga susi mula sa linya ng IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 at iba pang mga key na may kasalukuyang higit sa 20 Amperes. Sa panahon ng operasyon, ang field-effect transistor ay nananatiling yelo. samakatuwid ito ay hindi nangangailangan ng isang heat sink.

Ang pangalawang transistor ay hindi rin kritikal; sa aking kaso, isang mataas na boltahe na bipolar transistor ng serye ng MJE13003 ang ginamit, ngunit mayroong isang malaking pagpipilian. Ang kasalukuyang proteksyon ay pinili batay sa shunt resistance - sa aking kaso, 6 0.1 Ohm resistors kahanay, ang proteksyon ay na-trigger sa isang load ng 6-7 Amps. Maaari mong itakda ito nang mas tumpak sa pamamagitan ng pag-ikot ng variable na risistor, kaya itinakda ko ang kasalukuyang operating sa paligid ng 5 Amps.

Ang kapangyarihan ng power supply ay medyo disente, ang output kasalukuyang umabot sa 6-7 Amps, na sapat na upang singilin ang isang baterya ng kotse.
Pinili ko ang mga shunt resistors na may kapangyarihan na 5 watts, ngunit posible rin ang 2-3 watts.

Kung ang lahat ay tapos na nang tama, ang yunit ay magsisimulang gumana kaagad, isara ang output, ang proteksyon na LED ay dapat lumiwanag, na magpapailaw hangga't ang mga output wire ay nasa short-circuit mode.
Kung gumagana ang lahat ayon sa nararapat, pagkatapos ay magpatuloy pa tayo. Pagtitipon ng circuit ng tagapagpahiwatig.

Ang circuit ay kinopya mula sa isang battery screwdriver charger. Ang pulang indicator ay nagpapahiwatig na mayroong output boltahe sa power supply output, ang berdeng indicator ay nagpapakita ng proseso ng pagsingil. Sa ganitong pag-aayos ng mga bahagi, ang berdeng indicator ay unti-unting mawawala at sa wakas ay mawawala kapag ang boltahe sa baterya ay 12.2-12.4 Volts; kapag ang baterya ay nadiskonekta, ang indicator ay hindi sisindi.

Upang maprotektahan ang power supply kapag nagdidisenyo ng iba't ibang mga circuit, inirerekomenda na magdagdag ng overcurrent protection unit sa output ng power supply. Ang isang simpleng circuit ng aparato ay binuo gamit ang isang thyristor bilang isang elemento ng kontrol sa proteksyon ng boltahe.

Hangga't ang supply boltahe sa input ay nasa loob ng normal na mga limitasyon, ang zener diode at thyristor ay sarado, at ang kasalukuyang daloy sa load. Kapag ang supply boltahe ay lumampas sa 15.2V, bubukas ang zener diode, na sinusundan ng thyristor, dahil may potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng cathode nito at ng control electrode na sapat upang i-unlock ito. Thyristor VS1 konektado sa parallel sa output ng power supply, kapag overloaded, break ang fuse sa loob ng ilang microseconds kung ang output boltahe ay higit sa pinahihintulutang halaga. Ang threshold para sa pagbubukas ng thyristor, ibig sabihin, ang pag-trigger ng proteksyon, ay depende sa teknikal na data ng zener diode. Kung ang fuse ay pumutok, ang isang piezo sound emitter na may built-in na generator ay i-on, na magsenyas ng isang panlabas na kasalanan, na nagpapahiwatig din ng isang posibleng maikling circuit sa pagkarga. Tutunog ang alarma hanggang sa madiskonekta ang utility power o load device.

Video ng circuit ng proteksyon sa supply ng kuryente na gumagana

Ang mga device ay nangangailangan ng power supply unit (PSU), na may adjustable na output voltage at ang kakayahang i-regulate ang antas ng overcurrent na proteksyon sa isang malawak na hanay. Kapag na-trigger ang proteksyon, dapat awtomatikong i-off ang load (nakakonektang device).

Ang isang paghahanap sa Internet ay nagbunga ng ilang angkop na mga circuit ng supply ng kuryente. Nakipag-ayos ako sa isa sa kanila. Ang circuit ay madaling gawin at i-set up, binubuo ng mga naa-access na bahagi, at tumutupad sa nakasaad na mga kinakailangan.

Ang power supply na iminungkahi para sa paggawa ay batay sa LM358 operational amplifier at ay may mga sumusunod na katangian:
Input na boltahe, V - 24...29
Output stabilized boltahe, V - 1...20 (27)
Kasalukuyang operasyon ng proteksyon, A - 0.03...2.0

Larawan 2. Sirkit ng suplay ng kuryente

Paglalarawan ng power supply

Ang adjustable voltage stabilizer ay binuo sa DA1.1 operational amplifier. Ang input ng amplifier (pin 3) ay tumatanggap ng boltahe ng sanggunian mula sa motor ng variable na risistor R2, ang katatagan nito ay sinisiguro ng zener diode VD1, at ang inverting input (pin 2) ay tumatanggap ng boltahe mula sa emitter ng transistor VT1 sa pamamagitan ng boltahe divider R10R7. Gamit ang variable na risistor R2, maaari mong baguhin ang output boltahe ng power supply.
Ang overcurrent protection unit ay ginawa sa DA1.2 operational amplifier; inihahambing nito ang mga boltahe sa mga op-amp input. Ang input 5 sa pamamagitan ng risistor R14 ay tumatanggap ng boltahe mula sa load current sensor - risistor R13. Ang inverting input (pin 6) ay tumatanggap ng reference na boltahe, ang katatagan nito ay sinisiguro ng diode VD2 na may stabilization voltage na mga 0.6 V.

Hangga't ang pagbaba ng boltahe na nilikha ng kasalukuyang load sa risistor R13 ay mas mababa kaysa sa kapuri-puri na halaga, ang boltahe sa output (pin 7) ng op-amp DA1.2 ay malapit sa zero. Kung ang load current ay lumampas sa pinahihintulutang set level, ang boltahe sa kasalukuyang sensor ay tataas at ang boltahe sa output ng op-amp DA1.2 ay tataas halos sa supply voltage. Kasabay nito, ang HL1 LED ay i-on, na nagpapahiwatig ng labis, at ang VT2 transistor ay magbubukas, shunting ang VD1 zener diode na may risistor R12. Bilang isang resulta, ang transistor VT1 ay magsasara, ang output boltahe ng power supply ay bababa sa halos zero at ang load ay patayin. Upang i-on ang load kailangan mong pindutin ang pindutan ng SA1. Ang antas ng proteksyon ay nababagay gamit ang variable na risistor R5.

Paggawa ng PSU

1. Ang batayan ng power supply at ang mga katangian ng output nito ay tinutukoy ng kasalukuyang pinagmumulan - ang ginamit na transpormer. Sa aking kaso, ginamit ang isang toroidal transformer mula sa isang washing machine. Ang transpormer ay may dalawang output windings para sa 8V at 15V. Sa pamamagitan ng pagkonekta sa parehong windings sa serye at pagdaragdag ng isang rectifier bridge gamit ang medium-power diodes na KD202M na magagamit, nakakuha ako ng pare-parehong pinagmumulan ng boltahe na 23V, 2A para sa power supply.

Larawan 3. Transformer at rectifier bridge.

2. Ang isa pang bahagi ng supply ng kuryente ay ang katawan ng aparato. Sa kasong ito, nakitang nagamit ang slide projector ng mga bata na nakatambay sa garahe. Sa pamamagitan ng pag-alis ng labis at pagproseso ng mga butas sa harap na bahagi para sa pag-install ng isang nagpapahiwatig na microammeter, nakuha ang isang blangkong power supply housing.

Larawan 4. Blanko ang katawan ng PSU

3. Ang electronic circuit ay naka-mount sa isang universal mounting plate na may sukat na 45 x 65 mm. Ang layout ng mga bahagi sa board ay depende sa mga sukat ng mga bahagi na matatagpuan sa sakahan. Sa halip na mga resistors R6 (pagtatakda ng kasalukuyang operating) at R10 (paglilimita sa maximum na boltahe ng output), ang mga trimming resistors na may halaga na nadagdagan ng 1.5 beses ay naka-install sa board. Pagkatapos i-set up ang power supply, maaari silang mapalitan ng mga permanente.

Larawan 5. Circuit board

4. Pagtitipon ng board at mga remote na elemento ng electronic circuit nang buo para sa pagsubok, pagtatakda at pagsasaayos ng mga parameter ng output.

Larawan 6. Power supply control unit

5. Paggawa at pagsasaayos ng isang shunt at karagdagang resistensya para sa paggamit ng microammeter bilang ammeter o power supply voltmeter. Ang karagdagang paglaban ay binubuo ng permanenteng at trimming resistors na konektado sa serye (nakalarawan sa itaas). Ang shunt (nakalarawan sa ibaba) ay kasama sa pangunahing kasalukuyang circuit at binubuo ng isang wire na may mababang resistensya. Ang laki ng wire ay tinutukoy ng pinakamataas na kasalukuyang output. Kapag nagsusukat ng kasalukuyang, ang aparato ay konektado sa parallel sa shunt.

Larawan 7. Microammeter, shunt at karagdagang pagtutol

Ang pagsasaayos ng haba ng shunt at ang halaga ng karagdagang pagtutol ay isinasagawa gamit ang naaangkop na koneksyon sa aparato na may kontrol para sa pagsunod gamit ang isang multimeter. Ang device ay inililipat sa Ammeter/Voltmeter mode gamit ang toggle switch alinsunod sa diagram:

Larawan 8. Control mode switching diagram

6. Pagmamarka at pagproseso ng front panel ng power supply unit, pag-install ng mga malalayong bahagi. Sa bersyong ito, ang front panel ay may kasamang microammeter (toggle switch para sa paglipat ng A/V control mode sa kanan ng device), mga terminal ng output, boltahe at kasalukuyang regulator, at mga indicator ng operating mode. Upang mabawasan ang mga pagkalugi at dahil sa madalas na paggamit, ang isang hiwalay na nagpapatatag na 5 V na output ay ibinibigay din. Bakit ang boltahe mula sa 8V transformer winding ay ibinibigay sa pangalawang rectifier bridge at isang tipikal na 7805 circuit na may built-in na proteksyon.

Larawan 9. Front panel

7. Pagpupulong ng PSU. Ang lahat ng mga elemento ng power supply ay naka-install sa pabahay. Sa embodiment na ito, ang radiator ng control transistor VT1 ay isang aluminum plate na 5 mm ang kapal, na naayos sa itaas na bahagi ng pabalat ng pabahay, na nagsisilbing karagdagang radiator. Ang transistor ay naayos sa radiator sa pamamagitan ng isang electrically insulating gasket.

Ngayon ang aking artikulo ay magiging isang eksklusibong teoretikal na kalikasan, o sa halip, hindi ito naglalaman ng "hardware" tulad ng sa mga nakaraang artikulo, ngunit huwag magalit - hindi ito naging mas kapaki-pakinabang. Ang katotohanan ay ang problema ng pagprotekta sa mga elektronikong sangkap ay direktang nakakaapekto sa pagiging maaasahan ng mga aparato, ang kanilang buhay ng serbisyo, at samakatuwid ang iyong mahalagang kalamangan sa kompetisyon - ang kakayahang magbigay ng pangmatagalang warranty ng produkto. Ang pagpapatupad ng proteksyon ay may kinalaman hindi lamang sa aking paboritong power electronics, kundi pati na rin sa anumang device sa prinsipyo, kaya kahit na nagdidisenyo ka ng IoT crafts at mayroon kang katamtamang 100 mA, kailangan mo pa ring maunawaan kung paano matiyak na walang problema ang pagpapatakbo ng iyong device. .

Ang kasalukuyang proteksyon o short circuit (short circuit) na proteksyon ay marahil ang pinakakaraniwang uri ng proteksyon dahil ang kapabayaan sa bagay na ito ay nagdudulot ng mapangwasak na mga kahihinatnan sa literal na kahulugan. Bilang halimbawa, iminumungkahi ko ang pagtingin sa isang boltahe stabilizer na malungkot dahil sa isang maikling circuit:

Ang diagnosis dito ay simple - isang error ang naganap sa stabilizer at ang mga ultra-high na alon ay nagsimulang dumaloy sa circuit; ang proteksyon ay dapat na naka-off ang aparato, ngunit may nangyaring mali. Matapos basahin ang artikulo, tila sa akin ay mahulaan mo mismo kung ano ang maaaring maging problema.

Kung tungkol sa pagkarga mismo... Kung mayroon kang isang elektronikong aparato na kasing laki ng isang kahon ng posporo, walang ganoong mga alon, kung gayon huwag isipin na hindi ka maaaring maging malungkot tulad ng stabilizer. Tiyak na ayaw mong magsunog ng mga bundle ng $10-$1000 chips? Kung gayon, pagkatapos ay inaanyayahan kita na maging pamilyar sa mga prinsipyo at pamamaraan ng pagharap sa mga maikling circuit!

Layunin ng artikulo

Tina-target ko ang aking artikulo sa mga taong para sa kung saan ang electronics ay isang libangan at mga baguhan na developer, kaya lahat ay sasabihin "sa isang sulyap" para sa isang mas makabuluhang pag-unawa sa kung ano ang nangyayari. Para sa mga nais ng akademikong touch, pumunta at basahin ang anumang aklat-aralin sa unibersidad sa electrical engineering + ang "classics" ng Horowitz, Hill "The Art of Circuit Design".

Hiwalay, nais kong sabihin na ang lahat ng mga solusyon ay batay sa hardware, iyon ay, nang walang mga microcontroller at iba pang mga perversion. Sa mga nagdaang taon, ito ay naging medyo naka-istilong mag-program kung saan ito kinakailangan at kung saan ito ay hindi kinakailangan. Madalas kong obserbahan ang kasalukuyang "proteksyon", na ipinatupad sa pamamagitan lamang ng pagsukat ng boltahe ng ADC sa ilang arduino o microcontroller, at pagkatapos ay nabigo pa rin ang mga device. Mahigpit kong ipinapayo sa iyo na huwag gawin ang parehong! Pag-uusapan ko ang problemang ito nang mas detalyado sa ibang pagkakataon.

Kaunti tungkol sa mga short circuit currents

Upang magsimulang makabuo ng mga paraan ng proteksyon, kailangan mo munang maunawaan kung ano ang aming nilalabanan. Ano ang "short circuit"? Ang paboritong batas ng Ohm ay makakatulong sa amin dito; isaalang-alang ang perpektong kaso:

Basta? Sa totoo lang, ang circuit na ito ay ang katumbas na circuit ng halos anumang elektronikong aparato, iyon ay, mayroong isang mapagkukunan ng enerhiya na nagbibigay nito sa pagkarga, at ito ay umiinit at gumagawa o hindi gumagawa ng ibang bagay.

Sumang-ayon tayo na ang kapangyarihan ng pinagmulan ay nagpapahintulot sa boltahe na maging pare-pareho, iyon ay, "hindi lumubog" sa ilalim ng anumang pagkarga. Sa panahon ng normal na operasyon, ang kasalukuyang kumikilos sa circuit ay magiging katumbas ng:

Ngayon isipin na si Uncle Vasya ay naghulog ng isang wrench sa mga wire na papunta sa bombilya at ang aming load ay bumaba ng 100 beses, iyon ay, sa halip na R ito ay naging 0.01 * R at sa tulong ng mga simpleng kalkulasyon nakakakuha kami ng kasalukuyang 100 beses na mas malaki. Kung ang bombilya ay natupok ng 5A, ngayon ang kasalukuyang mula sa pagkarga ay magiging mga 500A, na sapat na upang matunaw ang susi ni Uncle Vasya. Ngayon isang maliit na konklusyon ...

Short circuit- isang makabuluhang pagbaba sa paglaban ng pagkarga, na humahantong sa isang makabuluhang pagtaas sa kasalukuyang sa circuit.

Ito ay nagkakahalaga ng pag-unawa na ang mga short-circuit na alon ay kadalasang daan-daan at libu-libong beses na mas malaki kaysa sa na-rate na kasalukuyang, at kahit na isang maikling panahon ay sapat na para mabigo ang aparato. Dito, malamang na maaalala ng marami ang mga electromechanical protection device ("awtomatikong mga aparato" at iba pa), ngunit ang lahat dito ay napaka-prosaic... Karaniwan ang isang socket ng sambahayan ay protektado ng isang circuit breaker na may rate na kasalukuyang ng 16A, iyon ay, ang pagsasara ay magaganap. sa 6-7 beses ang kasalukuyang, na kung saan ay tungkol sa 100A. Ang power supply ng laptop ay may kapangyarihan na halos 100 W, iyon ay, ang kasalukuyang ay mas mababa sa 1A. Kahit na magkaroon ng short circuit, hindi ito mapapansin ng makina sa loob ng mahabang panahon at papatayin lamang ang pagkarga kapag nasunog na ang lahat. Ito ay higit na proteksyon sa sunog kaysa sa proteksyon ng kagamitan.

Ngayon tingnan natin ang isa pang madalas na nakakaharap na kaso - sa pamamagitan ng kasalukuyang. Ipapakita ko ito gamit ang halimbawa ng isang dc/dc converter na may kasabay na buck topology; lahat ng MPPT controllers, maraming LED driver at malakas na DC/DC converter sa mga board ay eksaktong binuo dito. Tingnan natin ang converter circuit:

Ang diagram ay nagpapakita ng dalawang opsyon para sa overcurrent: berdeng paraan para sa isang "classic" na short circuit, kapag may pagbaba sa load resistance ("snot" sa pagitan ng mga kalsada pagkatapos ng paghihinang, halimbawa) at orange na landas. Kailan maaaring dumaloy ang kasalukuyang sa orange na landas? Sa tingin ko maraming tao ang nakakaalam na ang open channel resistance ng isang field-effect transistor ay napakaliit; sa modernong low-voltage transistors ito ay 1-10 mOhm. Ngayon isipin natin na ang PWM na may mataas na antas ay dumating sa mga susi nang sabay-sabay, iyon ay, ang parehong mga susi ay binuksan, para sa pinagmulan ng "VCCIN - GND" ito ay katumbas ng pagkonekta ng isang load na may resistensya na mga 2-20 mOhm! Ilapat natin ang dakila at makapangyarihang batas ng Ohm at makakuha ng kasalukuyang halaga na higit sa 250A kahit na may 5V power supply! Bagaman huwag mag-alala, hindi magkakaroon ng ganoong agos - ang mga bahagi at konduktor sa naka-print na circuit board ay masusunog nang mas maaga at masira ang circuit.

Ang error na ito ay madalas na nangyayari sa power system at lalo na sa power electronics. Maaari itong mangyari sa iba't ibang dahilan, halimbawa, dahil sa mga error sa pagkontrol o mga pangmatagalang prosesong lumilipas. Sa huling kaso, kahit na ang "patay na oras" sa iyong converter ay hindi makakatulong.

Sa tingin ko ang problema ay malinaw at pamilyar sa marami sa inyo, ngayon ay malinaw na kung ano ang kailangang harapin at ang natitira na lang ay upang malaman kung PAANO. Ito ay kung ano ang susunod na kuwento ay tungkol sa.

Prinsipyo ng pagpapatakbo ng kasalukuyang proteksyon

Dito kailangan mong ilapat ang ordinaryong lohika at makita ang sanhi-at-epekto na relasyon:
1) Ang pangunahing problema ay ang malaking kasalukuyang sa circuit;
2) Paano maunawaan kung ano ang kasalukuyang halaga? -> Sukatin ito;
3) Sinukat at nakuha ang halaga -> Ihambing ito sa tinukoy na katanggap-tanggap na halaga;
4) Kung lumampas ang halaga -> Idiskonekta ang load mula sa kasalukuyang pinagmulan.

Sukatin ang kasalukuyang -> Alamin kung nalampasan na ang pinapahintulutang kasalukuyang -> Idiskonekta ang pagkarga

Ganap na anumang proteksyon, hindi lamang kasalukuyang, ay binuo sa ganitong paraan. Depende sa pisikal na dami kung saan itinayo ang proteksyon, iba't ibang mga teknikal na problema at pamamaraan para sa paglutas ng mga ito ay lilitaw sa paraan ng pagpapatupad, ngunit ang kakanyahan ay hindi nagbabago.

Ngayon ay ipinapanukala kong dumaan sa buong security chain upang malutas ang lahat ng mga teknikal na problema na lumitaw. Ang mabuting proteksyon ay proteksyon na pinaplano nang maaga at ito ay gumagana. Nangangahulugan ito na hindi natin magagawa nang walang pagmomodelo, gagamitin ko ang sikat at libre MultiSIM Blue, na aktibong isinusulong ng Mouser. Maaari mong i-download ito doon - link. Sasabihin ko rin nang maaga na sa loob ng balangkas ng artikulong ito ay hindi ako susuriin sa circuitry at punan ang iyong ulo ng mga hindi kinakailangang bagay sa yugtong ito, alamin lamang na ang lahat ay magiging mas kumplikado sa totoong hardware.

Kasalukuyang pagsukat

Ito ang unang punto sa aming chain at marahil ang pinakamadaling maunawaan. Mayroong ilang mga paraan upang masukat ang kasalukuyang sa isang circuit, at ang bawat isa ay may sariling mga pakinabang at disadvantages; kung alin ang partikular na gagamitin sa iyong gawain ay nasa iyo ang pagpapasya. Sasabihin ko sa iyo, batay sa aking karanasan, tungkol sa mga kalamangan at kahinaan na ito. Ang ilan sa mga ito ay "pangkalahatang tinatanggap", at ang ilan ay ang aking mga pananaw sa mundo; pakitandaan na hindi ko man lang sinusubukang magpanggap na isang uri ng katotohanan.

1) Kasalukuyang shunt. Ang batayan ng mga batayan ay "gumagana" sa parehong dakila at makapangyarihang batas ng Ohm. Ang pinakasimpleng, pinakamura, pinakamabilis at sa pangkalahatan ang pinakamahusay na paraan, ngunit may ilang mga kawalan:

A) Walang galvanic isolation. Kakailanganin mong ipatupad ito nang hiwalay, halimbawa, gamit ang isang high-speed optocoupler. Hindi ito mahirap ipatupad, ngunit nangangailangan ito ng karagdagang espasyo sa board, decoupled dc/dc at iba pang mga bahagi na nagkakahalaga ng pera at magdagdag ng mga pangkalahatang dimensyon. Kahit na ang galvanic isolation ay hindi palaging kinakailangan, siyempre.

B) Sa mataas na agos, bumibilis ang pag-init ng mundo. Tulad ng isinulat ko kanina, lahat ito ay "gumagana" sa batas ng Ohm, na nangangahulugang ito ay nagpapainit at nagpapainit sa kapaligiran. Ito ay humahantong sa pagbaba ng kahusayan at ang pangangailangan upang palamig ang paglilipat. Mayroong isang paraan upang mabawasan ang kawalan na ito - upang mabawasan ang shunt resistance. Sa kasamaang palad, hindi ito maaaring bawasan nang walang katiyakan at sa lahat Hindi ko inirerekomenda na bawasan ito sa mas mababa sa 1 mOhm, kung mayroon ka pa ring kaunting karanasan, dahil ang pangangailangan ay lumitaw upang labanan ang pagkagambala at ang mga kinakailangan para sa yugto ng disenyo ng pagtaas ng naka-print na circuit board.

Sa aking mga device gusto kong gamitin ang mga shunt na ito PA2512FKF7W0R002E:

Ang kasalukuyang pagsukat ay nangyayari sa pamamagitan ng pagsukat sa pagbaba ng boltahe sa shunt, halimbawa, kapag ang isang kasalukuyang 30A ay dumadaloy sa shunt magkakaroon ng pagbaba:

Ibig sabihin, kapag nakakuha tayo ng drop na 60 mV sa shunt, nangangahulugan ito na naabot na natin ang limitasyon at kung tataas pa ang drop, kakailanganin nating i-off ang ating device o load. Ngayon kalkulahin natin kung gaano karaming init ang ilalabas sa ating shunt:

Hindi naman kaunti diba? Ang puntong ito ay dapat isaalang-alang, dahil Ang maximum na kapangyarihan ng aking shunt ay 2 W at hindi ito maaaring lumampas, at hindi mo rin dapat ihinang ang mga shunt na may mababang natutunaw na panghinang - maaari itong matanggal, nakita ko rin iyon.

• Gumamit ng mga shunt kapag mayroon kang mataas na boltahe at hindi masyadong mataas na alon
• Subaybayan ang dami ng init na nabuo ng shunt
• Gumamit ng mga shunts kung saan kailangan mo ng maximum na performance
• Gumamit lamang ng mga shunt mula sa mga espesyal na materyales: constantan, manganin at iba pa

2) Hall effect kasalukuyang mga sensor. Dito ko pahihintulutan ang aking sarili sa aking sariling pag-uuri, na ganap na sumasalamin sa kakanyahan ng iba't ibang mga solusyon para sa epekto na ito, lalo na: mura At mahal.

A) mura, halimbawa, ACS712 at mga katulad nito. Kabilang sa mga pakinabang, maaari kong tandaan ang kadalian ng paggamit at ang pagkakaroon ng galvanic isolation, ngunit doon nagtatapos ang mga pakinabang. Ang pangunahing kawalan ay ang labis na hindi matatag na pag-uugali sa ilalim ng impluwensya ng RF interference. Ang anumang dc/dc o malakas na reaktibong pagkarga ay interference, iyon ay, sa 90% ng mga kaso ang mga sensor na ito ay walang silbi, dahil sila ay "nababaliw" at sa halip ay nagpapakita ng lagay ng panahon sa Mars. Ngunit ito ay hindi para sa wala na sila ay ginawa?

Ang mga ito ba ay galvanically isolated at nakakasukat ng matataas na alon? Oo. Ayaw ng panghihimasok? Oo rin. Saan ilalagay ang mga ito? Iyan ay tama, sa isang mababang-responsibilidad na sistema ng pagsubaybay at para sa pagsukat ng kasalukuyang pagkonsumo mula sa mga baterya. Mayroon akong mga ito sa mga inverter para sa mga solar power plant at wind power plant para sa isang husay na pagtatasa ng kasalukuyang pagkonsumo mula sa baterya, na nagpapahintulot sa iyo na palawigin ang ikot ng buhay ng mga baterya. Ang mga sensor na ito ay ganito ang hitsura:

B) Mahal. Mayroon silang lahat ng mga pakinabang ng mga mura, ngunit wala ang kanilang mga disadvantages. Isang halimbawa ng naturang sensor LEM LTS 15-NP:

Ano ang mayroon tayo bilang isang resulta:
1) Mataas na pagganap;
2) Galvanic na paghihiwalay;
3) Dali ng paggamit;
4) Malaking sinusukat na alon anuman ang boltahe;
5) Mataas na katumpakan ng pagsukat;
6) Kahit na ang mga "masasamang" EMP ay hindi nakakasagabal sa trabaho; nakakaapekto sa katumpakan.

Ngunit ano ang downside pagkatapos? Malinaw na nakita ito ng mga nagbukas ng link sa itaas - ito ang presyo. $18, Karl! At kahit na para sa isang serye ng 1000+ piraso, ang presyo ay hindi bababa sa $10, at ang aktwal na pagbili ay magiging $12-13. Hindi mo ito mai-install sa isang power supply unit para sa isang pares ng mga bucks, ngunit gusto ko ito... Ibuod:

A) Ito ang pinakamahusay na solusyon sa prinsipyo para sa pagsukat ng kasalukuyang, ngunit mahal;
b) Gamitin ang mga sensor na ito sa malupit na kondisyon ng pagpapatakbo;
c) Gamitin ang mga sensor na ito sa mga kritikal na bahagi;
d) Gamitin ang mga ito kung ang iyong aparato ay nagkakahalaga ng maraming pera, halimbawa, isang 5-10 kW UPS, kung saan tiyak na mabibigyang-katwiran nito ang sarili nito, dahil ang presyo ng aparato ay magiging ilang libong dolyar.

3) Kasalukuyang transpormer. Karaniwang solusyon sa maraming device. Mayroong dalawang minus - hindi sila gumagana sa direktang kasalukuyang at may mga nonlinear na katangian. Mga kalamangan - mura, maaasahan at maaari mong sukatin ang napakalaking alon. Nasa kasalukuyang mga transformer na ang mga sistema ng automation at proteksyon ay itinayo sa RU-0.4, 6, 10, 35 kV na mga negosyo, at doon libu-libong amperes ay medyo normal.

Upang maging matapat, sinusubukan kong huwag gamitin ang mga ito, dahil hindi ko gusto ang mga ito, ngunit ginagamit ko pa rin ang mga ito sa iba't ibang mga control cabinet at iba pang mga AC system, dahil Nagkakahalaga sila ng ilang dolyar at nagbibigay ng galvanic isolation, hindi $15-20 tulad ng mga LEM, at ganap nilang ginagawa ang kanilang gawain sa isang 50 Hz network. Karaniwang ganito ang hitsura nila, ngunit lumilitaw din ang mga ito sa lahat ng uri ng mga EFD core:

Marahil ay maaari nating tapusin ang mga kasalukuyang pamamaraan ng pagsukat. Napag-usapan ko ang tungkol sa mga pangunahing, ngunit siyempre hindi lahat. Upang mapalawak ang iyong sariling mga abot-tanaw at kaalaman, ipinapayo ko sa iyo na hindi bababa sa google at tumingin sa iba't ibang mga sensor sa parehong digikey.

Nasusukat na Voltage Drop Gain

Ang karagdagang pagtatayo ng sistema ng proteksyon ay ibabatay sa shunt bilang kasalukuyang sensor. Bumuo tayo ng isang sistema na may dating inihayag na kasalukuyang halaga na 30A. Sa shunt nakakakuha kami ng isang patak ng 60 mV at narito ang 2 mga problemang teknikal na lumitaw:

A) Ito ay hindi maginhawa upang sukatin at ihambing ang isang signal na may amplitude na 60 mV. Ang mga ADC ay karaniwang may sukat na saklaw na 3.3V, ibig sabihin, na may 12 bits ng kapasidad ay nakakakuha tayo ng isang hakbang sa quantization:

Nangangahulugan ito na para sa hanay ng 0-60 mV, na tumutugma sa 0-30A, makakakuha tayo ng isang maliit na bilang ng mga hakbang:

Nalaman namin na ang lalim ng pagsukat ay magiging:

Ito ay nagkakahalaga ng pag-unawa na ito ay isang idealized figure at sa katotohanan sila ay maraming beses na mas masahol pa, dahil... Ang ADC mismo ay may error, lalo na sa paligid ng zero. Siyempre, hindi kami gagamit ng ADC para sa proteksyon, ngunit kailangan naming sukatin ang kasalukuyang mula sa parehong paglilipat upang makabuo ng isang control system. Narito ang gawain ay malinaw na ipaliwanag, ngunit ito ay may kaugnayan din para sa mga comparator, na sa lugar ng potensyal sa lupa (0V kadalasan) ay nagpapatakbo ng napaka-unstable, kahit na rail-to-rail.

B) Kung gusto naming mag-drag ng signal na may amplitude na 60 mV sa buong board, pagkatapos pagkatapos ng 5-10 cm ay wala nang matitira dito dahil sa interference, at sa sandali ng short circuit tiyak na hindi na namin kailangang umasa ka, kasi Lalong tataas ang EMR. Siyempre, maaari mong i-hang ang circuit ng proteksyon nang direkta sa binti ng shunt, ngunit hindi namin mapupuksa ang unang problema.

Para malutas ang mga problemang ito kailangan namin ng operational amplifier (op-amp). Hindi ko sasabihin kung paano ito gumagana - ang paksa ay madaling i-google, ngunit pag-uusapan natin ang tungkol sa mga kritikal na parameter at pagpili ng op-amp. Una, tukuyin natin ang scheme. Sinabi ko na hindi magkakaroon ng anumang mga espesyal na grasya dito, kaya't takpan natin ang op-amp ng negatibong feedback (NFB) at kumuha ng amplifier na may alam na pakinabang. Imodelo ko ang pagkilos na ito sa MultiSIM (naki-click ang larawan):

Maaari mong i-download ang file para sa simulation sa bahay - .

Ang pinagmumulan ng boltahe na V2 ay gumaganap bilang aming paglilipat, o sa halip, ginagaya nito ang pagbaba ng boltahe sa kabuuan nito. Para sa kalinawan, pinili ko ang isang drop-off na halaga ng 100 mV, ngayon kailangan naming palakasin ang signal upang ilipat ito sa isang mas maginhawang boltahe, kadalasan sa pagitan ng 1/2 at 2/3 V ref. Ito ay magbibigay-daan sa iyo upang makakuha ng isang malaking bilang ng mga hakbang sa quantization sa kasalukuyang hanay + mag-iwan ng margin para sa mga sukat upang masuri kung gaano masama ang lahat at kalkulahin ang kasalukuyang oras ng pagtaas, ito ay mahalaga sa mga kumplikadong reactive load control system. Ang pakinabang sa kasong ito ay katumbas ng:

Sa ganitong paraan mayroon kaming pagkakataon na palakasin ang aming signal sa kinakailangang antas. Ngayon tingnan natin kung anong mga parameter ang dapat mong bigyang pansin:

• Ang op amp ay dapat na rail-to-rail upang sapat na mahawakan ang mga signal malapit sa ground potential (GND)
• Ito ay nagkakahalaga ng pagpili ng isang op-amp na may mataas na slew rate ng output signal. Para sa paborito kong OPA376, ang parameter na ito ay 2V/µs, na nagbibigay-daan sa iyong makamit ang maximum na halaga ng output ng op-amp na katumbas ng VCC 3.3V sa loob lamang ng 2 µs. Ang bilis na ito ay sapat na upang i-save ang anumang converter o load na may mga frequency hanggang 200 kHz. Dapat na maunawaan at i-on ang mga parameter na ito kapag pumipili ng op-amp, kung hindi, may pagkakataong maglagay ng op-amp para sa $10 kung saan sapat na ang amplifier para sa $1.
• Ang bandwidth na pinili ng op-amp ay dapat na hindi bababa sa 10 beses na mas malaki kaysa sa maximum na dalas ng paglipat ng load. Muli, hanapin ang "golden mean" sa ratio ng presyo/pagganap, lahat ay mabuti sa katamtaman

Sa karamihan ng aking mga proyekto ay gumagamit ako ng isang op-amp mula sa Texas Instruments - OPA376, ang mga katangian ng pagganap nito ay sapat upang ipatupad ang proteksyon sa karamihan ng mga gawain at ang tag ng presyo na $1 ay medyo maganda. Kung kailangan mo ng mas mura, pagkatapos ay tumingin sa mga solusyon mula sa ST, at kung mas mura pa, pagkatapos ay sa Microchip at Micrel. Para sa mga relihiyosong kadahilanan, TI at Linear lang ang ginagamit ko, dahil gusto ko ito at mas mapayapa ang pagtulog.

Pagdaragdag ng pagiging totoo sa sistema ng seguridad

Magdagdag tayo ngayon ng shunt, load, power source at iba pang attribute sa simulator na maglalapit sa ating modelo sa realidad. Ang resultang resulta ay ganito (naki-click na larawan):

Maaari mong i-download ang simulation file para sa MultiSIM - .

Dito nakita na natin ang ating shunt R1 na may paglaban ng parehong 2 mOhm, pumili ako ng power source na 310V (rectified network) at ang load para dito ay isang 10.2 Ohm resistor, na muli, ayon sa batas ng Ohm, ay nagbibigay sa amin ng kasalukuyang :

Tulad ng nakikita mo, ang dating kinakalkula na 60 mV ay bumababa sa shunt at pinalalakas namin ito sa pakinabang:

Sa output nakatanggap kami ng isang amplified signal na may amplitude na 3.1V. Sumang-ayon, maaari mong ipakain ito sa ADC, sa comparator at i-drag ito sa buong board ng 20-40 mm nang walang anumang takot o pagkasira sa katatagan. Patuloy kaming gagana sa signal na ito.

Paghahambing ng mga Signal Gamit ang isang Comparator

Kumpare- ito ay isang circuit na tumatanggap ng 2 signal bilang input, at kung ang signal amplitude sa direktang input (+) ay mas malaki kaysa sa inverse input (-), pagkatapos ay may lalabas na log sa output. 1 (VCC). Kung hindi, mag-log. 0 (GND).

Sa pormal na paraan, maaaring i-on ang anumang op-amp bilang isang comparator, ngunit ang ganitong solusyon sa mga tuntunin ng mga katangian ng pagganap ay magiging mas mababa kaysa sa comparator sa mga tuntunin ng bilis at ratio ng presyo/resulta. Sa aming kaso, mas mataas ang pagganap, mas mataas ang posibilidad na ang proteksyon ay magkakaroon ng oras upang gumana at i-save ang device. Gusto kong gumamit ng comparator, muli mula sa Texas Instruments - LMV7271. Ano ang dapat mong bigyang pansin:

• Ang pagkaantala ng tugon ay, sa katunayan, ang pangunahing limiter ng bilis. Para sa comparator na nabanggit sa itaas, ang oras na ito ay humigit-kumulang 880 ns, na medyo mabilis at sa maraming mga gawain ay medyo kalabisan sa presyong $2, at maaari kang pumili ng mas pinakamainam na comparator
• Muli, ipinapayo ko sa iyo na gumamit ng isang rail-to-rail comparator, kung hindi man ang output ay hindi magiging 5V, ngunit mas mababa. Tutulungan ka ng simulator na i-verify ito; pumili ng isang bagay na hindi rail-to-rail at eksperimento. Ang signal mula sa comparator ay karaniwang pinapakain sa driver failure input (SD) at magiging maganda kung mayroong isang matatag na signal ng TTL doon
• Pumili ng comparator na may push-pull na output kaysa sa open-drain at iba pa. Maginhawa ito at hinulaan namin ang mga katangian ng pagganap para sa output

Ngayon magdagdag tayo ng isang comparator sa aming proyekto sa simulator at tingnan ang operasyon nito sa mode kapag ang proteksyon ay hindi gumana at ang kasalukuyang ay hindi lalampas sa emergency (naki-click na imahe):

Maaari mong i-download ang file para sa simulation sa MultiSIM - .

Ano ang kailangan natin... Kung ang kasalukuyang lumampas sa 30A, kinakailangan na mayroong isang log sa output ng comparator. 0 (GND), ang signal na ito ay magpapakain sa SD o EN input ng driver at i-off ito. Sa normal na estado, ang output ay dapat na isang log. 1 (5V TTL) at i-on ang power switch driver (halimbawa, ang "folk" IR2110 at hindi gaanong sinaunang mga.

Bumalik tayo sa ating lohika:
1) Sinukat namin ang kasalukuyang sa shunt at nakakuha ng 56.4 mV;
2) Pinalakas namin ang aming signal na may factor na 50.78 at nakakuha kami ng 2.88V sa output ng op-amp;
3) Naglalapat kami ng reference signal kung saan ihahambing namin sa direktang input ng comparator. Itinakda namin ito gamit ang isang divider sa R2 at itinakda ito sa 3.1V - tumutugma ito sa isang kasalukuyang humigit-kumulang 30A. Inaayos ng risistor na ito ang threshold ng proteksyon!
4) Ngayon inilapat namin ang signal mula sa op-amp na output sa kabaligtaran at ihambing ang dalawang signal: 3.1V > 2.88V. Sa direktang input (+) ang boltahe ay mas mataas kaysa sa inverse input (-), na nangangahulugang ang kasalukuyang ay hindi lalampas at ang output ay log. 1 - gumagana ang mga driver, ngunit ang aming LED1 ay hindi naiilawan.

Ngayon ay pinapataas namin ang kasalukuyang sa isang halaga ng >30A (twist R8 at bawasan ang paglaban) at tingnan ang resulta (naki-click na imahe):

Suriin natin ang mga punto mula sa ating “lohika”:
1) Sinukat namin ang kasalukuyang sa shunt at nakakuha ng 68.9 mV;
2) Pinalakas namin ang aming signal na may factor na 50.78 at nakakuha kami ng 3.4V sa output ng op-amp;
4) Ngayon inilapat namin ang signal mula sa op-amp na output sa kabaligtaran at ihambing ang dalawang signal: 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.

Bakit hardware?

Ang sagot sa tanong na ito ay simple - anumang programmable na solusyon sa isang MK, na may panlabas na ADC, atbp., ay maaaring "mag-freeze" lamang at kahit na ikaw ay isang medyo karampatang manunulat ng software at naka-on ang isang watchdog timer at iba pang anti-freeze mga proteksyon - habang pinoproseso ang lahat, masusunog ang iyong device.

Pinapayagan ka ng proteksyon ng hardware na ipatupad ang isang system na may pagganap sa loob ng ilang microseconds, at kung pinapayagan ng badyet, pagkatapos ay sa loob ng 100-200 ns, na karaniwang sapat para sa anumang gawain. Gayundin, ang proteksyon ng hardware ay hindi magagawang mag-freeze at i-save ang device, kahit na sa ilang kadahilanan ay nagyelo ang iyong control microcontroller o DSP. Ipapatay ng proteksyon ang driver, tahimik na magre-restart ang iyong control circuit, subukan ang hardware at mag-ulat ng error, halimbawa, sa Modbus, o magsisimula kung maayos ang lahat.

Ito ay nagkakahalaga na tandaan dito na ang mga dalubhasang controller para sa pagbuo ng mga power converter ay may mga espesyal na input na nagbibigay-daan sa iyo upang hindi paganahin ang pagbuo ng isang PWM signal sa hardware. Halimbawa, ang minamahal na STM32 ay may BKIN input para dito.

Hiwalay, ito ay nagkakahalaga ng pagsasabi tungkol sa isang bagay tulad ng CPLD. Sa esensya, ito ay isang set ng high-speed logic at ang pagiging maaasahan nito ay maihahambing sa isang solusyon sa hardware. Medyo bait na maglagay ng maliit na CPLD sa board at magpatupad ng proteksyon ng hardware, deadtime at iba pang amenities dito, kung dc/dc o ilang uri ng control cabinet ang pinag-uusapan. Ginagawa ng CPLD na napaka-flexible at maginhawa ang solusyong ito.

Epilogue

Malamang yun lang. Sana ay nasiyahan ka sa pagbabasa ng artikulong ito at magbibigay ito sa iyo ng ilang bagong kaalaman o i-refresh ang mga luma. Palaging subukang isipin nang maaga kung aling mga module sa iyong device ang dapat ipatupad sa hardware at alin sa software. Kadalasan ang pagpapatupad ng hardware ay mga order ng magnitude na mas simple kaysa sa pagpapatupad ng software, at ito ay humahantong sa pagtitipid sa oras ng pag-unlad at, nang naaayon, ang gastos nito.

Ang format ng isang artikulo na walang hardware ay bago sa akin at nais kong hilingin sa iyo na ipahayag ang iyong opinyon sa survey.

Ang mga rehistradong user lamang ang maaaring lumahok sa survey. , Pakiusap.