Zaštitni krug tranzistora od kratkog spoja. FET zaštita od kratkog spoja
Predstavljen je dizajn zaštite za napajanje bilo koje vrste. Ova zaštitna shema može raditi zajedno sa bilo kojim izvorom napajanja - mrežnim, prekidačkim i DC baterijama.
Šematski odvajanje takve zaštitne jedinice je relativno jednostavno i sastoji se od nekoliko komponenti.
Snažni dio - moćni tranzistor s efektom polja - ne pregrijava se tokom rada, stoga mu nije potreban ni hladnjak.
Šema je također zaštita od preokret snage, preopterećenja I KZ na izlazu se struja rada zaštite može odabrati odabirom otpora šant otpornika, u mom slučaju struja je 8A, koristi se 6 otpornika 5 vati 0,1 oma povezanih paralelno.
Shunt može se napraviti i od otpornika snage 1-3 vata.
Preciznije, zaštita se može podesiti odabirom otpora podešavanja otpornika.
U slučaju kratkog spoja i preopterećenja izlaza jedinice, zaštita će odmah proraditi, isključujući izvor napajanja. LED indikator će vas obavijestiti o radu zaštite. Čak i sa kratkim spojem na izlazu u trajanju od nekoliko desetina sekundi, tranzistor s efektom polja ostaje hladan.
Tranzistor sa efektom polja nije kritičan, svi ključevi sa strujom od 15-20 i više Ampera i s radnim naponom od 20-60 Volti su dovoljni. Ključevi iz asortimana savršeno pristaju IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 ili moćnije IRF3205, IRL3705, IRL2505 i slično.
Ovaj sklop je odličan i kao zaštita punjača akumulatori za automobile, ako ste iznenada pomiješali polaritet veze, onda sa punjač ništa loše se neće dogoditi, zaštita će spasiti uređaj u takvim situacijama.
Zbog brzog rada zaštite, može se uspješno koristiti za impulsna kola; u slučaju kratkog spoja zaštita će raditi brže nego što prekidači za napajanje prekidača napajanja imaju vremena da pregore. Kolo je pogodno i za impulsne pretvarače, kao strujna zaštita. U slučaju preopterećenja ili kratkog spoja u sekundarnom krugu pretvarača, energetski tranzistori pretvarača trenutno izlete, a takva zaštita će spriječiti da se to dogodi.
Srdačan pozdrav - AKA KASYAN
Predstavljen je dizajn zaštite za napajanje bilo koje vrste. Ova zaštitna shema može raditi zajedno sa bilo kojim izvorom napajanja - mrežnim, prekidačkim i DC baterijama. Šematski odvajanje takve zaštitne jedinice je relativno jednostavno i sastoji se od nekoliko komponenti.
Zaštitni krug napajanja
Snažni dio - moćni tranzistor s efektom polja - ne pregrijava se tokom rada, stoga mu nije potreban ni hladnjak. Krug je istovremeno zaštita od preokretanja snage, preopterećenja i kratkog spoja na izlazu, struja zaštite se može odabrati odabirom otpora šant otpornika, u mom slučaju struja je 8 ampera, 6 otpornika 5 vati 0,1 ohma koriste se paralelno. Šant se može napraviti i od otpornika snage 1-3 vata.
Preciznije, zaštita se može podesiti odabirom otpora podešavanja otpornika. Zaštitni krug napajanja, Regulator za ograničavanje struje Zaštitni krug napajanja, Regulator za ograničavanje struje
~~~ U slučaju kratkog spoja i preopterećenja izlaza jedinice, zaštita će trenutno proraditi, isključujući izvor napajanja. LED indikator će vas obavijestiti o radu zaštite. Čak i sa kratkim spojem na izlazu u trajanju od nekoliko desetina sekundi, tranzistor s efektom polja ostaje hladan
~~~ Tranzistor sa efektom polja nije kritičan, bilo koji ključ sa strujom od 15-20 i više Ampera i sa radnim naponom od 20-60 Volti će odgovarati. Savršeni su tasteri iz linije IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 ili moćniji - IRF3205, IRL3705, IRL2505 i sl.
~~~ Ovo kolo je odlično i kao zaštita punjača za automobilske akumulatore, ako ste iznenada obrnuli polaritet veze, onda se punjaču ništa loše neće desiti, zaštita će spasiti uređaj u takvim situacijama.
~~~ Zahvaljujući brzom radu zaštite, može se uspješno koristiti za impulsna kola; u slučaju kratkog spoja zaštita će raditi brže nego što prekidači za napajanje impulsnog napajanja imaju vremena da pregore. Kolo je pogodno i za impulsne pretvarače, kao strujna zaštita. U slučaju preopterećenja ili kratkog spoja u sekundarnom krugu pretvarača, energetski tranzistori pretvarača trenutno izlete, a takva zaštita će spriječiti da se to dogodi.
Komentari
Zaštita od kratkog spoja, preokret polariteta i preopterećenje sastavljeni su na posebnoj ploči. Tranzistor snage korišten je u seriji IRFZ44, ali po želji se može zamijeniti snažnijim IRF3205 ili bilo kojim drugim prekidačem za napajanje koji ima slične parametre. Možete koristiti ključeve iz linije IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 i druge ključeve sa strujom većom od 20 Ampera. Tokom rada, tranzistor sa efektom polja ostaje ledeno hladan. tako da hladnjak nije potreban.
Drugi tranzistor također nije kritičan, u mom slučaju korišten je visokonaponski bipolarni tranzistor serije MJE13003, ali izbor je velik. Zaštitna struja se bira na osnovu otpora šanta - u mom slučaju, 6 otpornika od 0,1 Ohma paralelno, zaštita se pokreće pri opterećenju od 6-7 Ampera. Tačnije, možete podesiti rotiranjem promjenjivog otpornika, tako da sam struju okidanja podesio u području od 5 Ampera.
Snaga napajanja je sasvim pristojna, izlazna struja doseže 6-7 ampera, što je sasvim dovoljno za punjenje automobilske baterije.
Odabrao sam šant otpornike snage 5 vata, ali može biti i 2-3 vata.
Ako je sve urađeno kako treba, jedinica odmah počinje s radom, zatvorite izlaz, treba upaliti zaštitni LED koji će svijetliti sve dok su izlazne žice u režimu kratkog spoja.
Ako sve radi kako treba, nastavite dalje. Sastavljamo shemu indikatora.
Krug je izvučen iz punjača akumulatorskog odvijača. Crveni indikator pokazuje da postoji izlazni napon na izlazu PSU, zeleni indikator označava proces punjenja. Sa ovakvim rasporedom komponenti, zeleni indikator će se postepeno gasiti i konačno će se ugasiti kada napon na bateriji bude 12,2-12,4 Volta, kada je baterija isključena, indikator neće svijetliti. 
Ovaj krug je jednostavno tranzistorsko napajanje opremljeno zaštitom od kratkog spoja (kratkog spoja). Njegova shema je prikazana na slici.
Glavni parametri:
- Izlazni napon - 0..12V;
- Maksimalna izlazna struja je 400 mA.
Shema funkcionira na sljedeći način. Ulazni napon mreže od 220V pretvara se transformatorom u 16-17V, a zatim se ispravlja diodama VD1-VD4. Ispravljeno talasanje napona filtrira se kondenzatorom C1. Nadalje, ispravljeni napon se dovodi do VD6 zener diode, koja stabilizira napon na svojim terminalima do 12V. Ostatak napona se gasi na otporniku R2. Zatim se napon podešava promjenjivim otpornikom R3 na željeni nivo u rasponu od 0-12V. Nakon toga slijedi strujni pojačivač na tranzistorima VT2 i VT3, koji pojačava struju do nivoa od 400 mA. Opterećenje strujnog pojačala je otpornik R5. Kondenzator C2 dodatno filtrira talasanje izlaznog napona.
Odbrana funkcioniše ovako. U nedostatku kratkog spoja na izlazu, napon na priključcima VT1 je blizu nule i tranzistor je zatvoren. Kolo R1-VD5 obezbeđuje prednapon na svojoj bazi na nivou od 0,4-0,7 V (pad napona preko otvorenog p-n spoj dioda). Ova pristranost je dovoljna da otvori tranzistor na određenom nivou napona kolektor-emiter. Čim dođe do kratkog spoja na izlazu, napon kolektor-emiter postaje različit od nule i jednak naponu na izlazu bloka. Tranzistor VT1 se otvara, a otpor njegovog kolektorskog spoja postaje blizu nule, a samim tim i na zener diodi. Dakle, nulti ulazni napon se dovodi do strujnog pojačala, vrlo mala struja će teći kroz tranzistore VT2, VT3 i oni neće otkazati. Zaštita se deaktivira odmah kada se otkloni kratki spoj.
Detalji
Transformator može biti bilo koji s površinom poprečnog presjeka jezgre od 4 cm 2 ili više. Primarni namotaj sadrži 2200 zavoja žice PEV-0,18, sekundarni - 150-170 zavoja žice PEV-0,45. Prikladan je i gotov transformator za vertikalno skeniranje iz starih cijevnih televizora serije TVK110L2 ili slično. Diode VD1-VD4 mogu biti D302-D305, D229Zh-D229L ili bilo koje za struju od najmanje 1 A i reverzni napon od najmanje 55 V. Tranzistori VT1, VT2 mogu biti bilo koji niskofrekventni niskonaponski, npr. , MP39-MP42. Mogu se koristiti i moderniji silikonski tranzistori, na primjer, KT361, KT203, KT209, KT503, KT3107 i drugi. Kao VT3 - germanij P213-P215 ili moderniji silikonski moćni niskofrekventni KT814, KT816, KT818 i drugi. Prilikom zamjene VT1 može se ispostaviti da zaštita od kratkog spoja ne radi. Zatim još jednu diodu (ili dvije, ako je potrebno) treba spojiti u seriju s VD5. Ako je VT1 silicij, onda je bolje koristiti silikonske diode, na primjer, KD209 (A-B).
U zaključku, treba napomenuti da umjesto p-n-p šema mogu se koristiti tranzistori i slični po parametrima NPN tranzistori(ne umjesto bilo kojeg od VT1-VT3, već umjesto svih njih). Tada ćete morati promijeniti polaritet dioda, zener diode, kondenzatora, diodnog mosta. Na izlazu će, odnosno, polaritet napona biti drugačiji.
Lista radio elemenata
| Oznaka | Tip | Denominacija | Količina | Bilješka | Prodavnica | Moja beležnica |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VT1, VT2 | bipolarni tranzistor | MP42B | 2 | MP39-MP42, KT361, KT203, KT209, KT503, KT3107 | U notes | |
| VT3 | bipolarni tranzistor | P213B | 1 | P213-P215, KT814, KT816, KT818 | U notes | |
| VD1-VD4 | Diode | D242B | 4 | D302-D305, D229J-D229L | U notes | |
| VD5 | Diode | KD226B | 1 | U notes | ||
| VD6 | zener dioda | D814D | 1 | U notes | ||
| C1 | 2000uF, 25V | 1 | U notes | |||
| C2 | elektrolitički kondenzator | 500 uF. 25 V | 1 | U notes | ||
| R1 | Otpornik | 10 kOhm | 1 | U notes | ||
| R2 | Otpornik | 360 ohma | 1 | U notes | ||
| R3 | Varijabilni otpornik | 4,7 kOhm | 1 | U notes | ||
| R4, R5 | Otpornik |
Danas će moj članak biti isključivo teorijske prirode, odnosno neće sadržavati hardver kao u prethodnim člancima, ali nemojte se obeshrabriti - nije postao manje koristan. Činjenica je da problem zaštite elektronskih komponenti direktno utiče na pouzdanost uređaja, njihov resurs, a samim tim i na vašu važnu konkurentsku prednost - Mogućnost davanja dugoročne garancije na proizvod. Implementacija zaštite se ne odnosi samo na moju omiljenu energetsku elektroniku, već i na bilo koji uređaj u principu, pa čak i ako dizajnirate IoT zanate i imate skromnih 100 mA, još uvijek morate razumjeti kako osigurati nesmetan rad svog uređaja.
Strujna zaštita ili zaštita od kratkog spoja (SC) je vjerovatno najčešći tip zaštite jer zanemarivanje po ovom pitanju izaziva razorne posljedice u doslovnom smislu. Na primjer, predlažem da pogledamo regulator napona, koji je postao tužan zbog kratkog spoja koji je nastao:
Dijagnoza je ovdje jednostavna - došlo je do greške u stabilizatoru i ultra-visoke struje su počele teći u krugu, zaštita je trebala isključiti uređaj, ali nešto je pošlo po zlu. Nakon čitanja članka, čini mi se da i sami možete pretpostaviti u čemu bi mogao biti problem.
Što se tiče samog opterećenja ... Ako imate elektronski uređaj veličine kutije šibica, nema takvih struja, onda nemojte misliti da ne možete postati tužni kao stabilizator. Sigurno ne želite spaliti snopove mikro krugova za 10-1000 dolara? Ako je tako, onda vas pozivam da se upoznate s principima i metodama rješavanja kratkih spojeva!
Svrha članka
Svoj članak fokusiram na ljude kojima je elektronika hobi i programere početnike, tako da će sve biti rečeno „na prste“ za smislenije razumijevanje onoga što se događa. Za one koji žele da budu akademski - idemo i čitamo bilo koje univerzitetske udžbenike iz elektrotehnike + "klasike" od Horowitza, Hill "The Art of Circuitry".Posebno bih rekao da će sva rješenja biti hardverska, odnosno bez mikrokontrolera i drugih perverzija. Posljednjih godina postalo je prilično moderno programirati tamo gdje je potrebno, a ne potrebno. Često posmatram trenutnu „zaštitu“, koja se sprovodi banalnim merenjem ADC napona od strane nekog arduina ili mikrokontrolera, a onda uređaji i dalje otkazuju. Preporučujem vam da ne radite isto! Ja ću detaljnije o ovom problemu.
Malo o strujama kratkog spoja
Da biste počeli smišljati metode zaštite, prvo morate razumjeti protiv čega se uopće borimo. Šta je "kratki spoj"? Ovdje će nam pomoći Ohmov omiljeni zakon, razmotrimo idealan slučaj:
Samo? Zapravo, ovo kolo je ekvivalentno kolo gotovo svakog elektroničkog uređaja, odnosno postoji izvor energije koji ga daje opterećenju, a on se zagrijava i radi ili ne radi nešto drugo.
Slažemo se da snaga izvora omogućava da napon bude konstantan, odnosno da se "ne popušta" pod bilo kojim opterećenjem. At normalan rad struja koja djeluje u kolu bit će jednaka:
Sada zamislite da je ujak Vasya ispustio ključ na žice koje vode do sijalice i naše opterećenje se smanjilo 100 puta, odnosno umjesto R postalo je 0,01 * R i uz pomoć jednostavnih proračuna dobili smo struju 100 puta više. Ako je sijalica trošila 5A, sada će se struja iz opterećenja uzeti od oko 500A, što je sasvim dovoljno da se rastopi ključ ujaka Vasje. Sad mali zaključak...
Kratki spoj- značajno smanjenje otpora opterećenja, što dovodi do značajnog povećanja struje u krugu.
Treba shvatiti da su struje kratkog spoja obično stotine i hiljade puta veće od nazivne struje, a čak je i kratak vremenski period dovoljan da uređaj pokvari. Ovdje će se sigurno mnogi sjetiti elektromehaničkih zaštitnih uređaja („automatski uređaji“ i drugi), ali ovdje je sve vrlo prozaično ... Obično je kućna utičnica zaštićena automatskim uređajem s nazivnom strujom od 16A, tj. , do gašenja će doći pri 6-7 puta većoj struji, što je već oko 100A. Napajanje laptopa ima snagu od oko 100 W, odnosno struja je manja od 1A. Čak i ako dođe do kratkog spoja, mašina to neće primijetiti dugo vremena i isključit će opterećenje tek kada je sve već izgorjelo. To je više zaštita od požara nego tehnološka zaštita.
Pogledajmo sada još jedan slučaj koji se često javlja - kroz struju. Pokazat ću to na primjeru dc/dc pretvarača sa sinhronom buck topologijom, svi MPPT kontroleri, mnogi LED drajveri i moćni DC/DC pretvarači na pločama su izgrađeni upravo na njemu. Gledamo krug pretvarača:
Dijagram prikazuje dvije opcije za prekomjernu struju: zelena staza za "klasični" kratki spoj, kada je došlo do smanjenja otpora opterećenja ("šmrcva" između puteva nakon lemljenja, na primjer) i narandžasta staza. Kada struja može teći narandžastom putanjom? Mislim da mnogi ljudi znaju da je otpor otvorenog kanala tranzistora s efektom polja vrlo mali, za moderne niskonaponske tranzistore iznosi 1-10 mOhm. Sada zamislite da je PWM sa visokim nivoom došao do tastera istovremeno, odnosno da su oba ključa otvorena, za izvor “VCCIN - GND”, ovo je ekvivalentno povezivanju opterećenja sa otporom od oko 2-20 mOhm ! Primijenimo veliki i moćni Ohmov zakon i dobijemo trenutnu vrijednost veću od 250A čak i sa napajanjem od 5V! Ne brinite, ipak, neće biti toliko struje - komponente i provodnici na PCB-u će prije izgorjeti i prekinuti strujni krug.
Ova greška se vrlo često javlja u sistemu napajanja, a posebno u energetskoj elektronici. Može se pojaviti iz različitih razloga, na primjer, zbog kontrolne greške ili dugih tranzijenta. U potonjem slučaju, čak ni "mrtvo vrijeme" (deadtime) u vašem pretvaraču neće sačuvati.
Mislim da je problem jasan i mnogima od vas je poznato, sada je jasno sa čime se treba boriti i ostaje samo da se shvati KAKO. Ovo će biti sljedeća priča.
Princip rada strujne zaštite
Ovdje je potrebno primijeniti uobičajenu logiku i vidjeti uzročnu vezu:1) Glavni problem je velika vrijednost struje u kolu;
2) Kako razumjeti koja je vrijednost struje? -> Izmjerite;
3) Izmjerili smo i dobili vrijednost -> Uporediti je sa zadatom dozvoljenom vrijednošću;
4) Ako je vrijednost prekoračena -> Isključite opterećenje sa izvora struje.
Izmjerite struju -> Saznajte da li je dozvoljena struja prekoračena -> Isključite opterećenjeApsolutno svaka zaštita, ne samo za struju, izgrađena je na ovaj način. Ovisno o fizičkoj veličini na kojoj je zaštita izgrađena, na putu do implementacije pojavit će se različiti tehnički problemi i metode za njihovo rješavanje, ali suština je nepromijenjena.
Sada predlažem da prođemo kroz cijeli lanac zaštite zgrada kako bismo riješili sve tehničke probleme koji se pojave. Dobra zaštita je zaštita koja je unaprijed predviđena i funkcionira. Tako da ne možemo bez modeliranja, koristit ću popularno i besplatno MultiSIM Plava, koji Mouser aktivno promovira. Možete ga preuzeti tamo - link. Također ću unaprijed reći da u okviru ovog članka neću ulaziti u sofisticiranost kola i puniti vam glavu nepotrebnim stvarima u ovoj fazi, samo znajte da će sve biti malo složenije u stvarnom hardveru.
Mjerenje struje
Ovo je prva tačka u našem lancu i verovatno najlakša za razumevanje. Postoji nekoliko načina za mjerenje struje u strujnom kolu, a svaki ima svoje prednosti i nedostatke, a koji ćete koristiti posebno u svom zadatku ovisi o vama. Reći ću, na osnovu svog iskustva, upravo o ovim prednostima i nedostacima. Neki od njih su „općeprihvaćeni“, a neki su moj pogled na svijet, imajte na umu da se ni ne trudim da se pretvaram da sam neka istina.1) strujni šant. Temelj temelja, sve “radi” po istom velikom i moćnom Ohmovom zakonu. Najlakši, najjeftiniji, najbrži i općenito najbolji način, ali s nizom nedostataka:
A) Nedostatak galvanske izolacije. Morat ćete ga implementirati zasebno, na primjer, pomoću optokaplera velike brzine. Ovo nije teško implementirati, ali zahtijeva dodatni prostor na ploči, odvojene dc/dc i druge komponente koje koštaju i dodaju ukupne dimenzije. Iako galvanska izolacija nije uvijek potrebna, naravno.
B) Ubrzava globalno zagrijavanje pri velikim strujama. Kao što sam ranije napisao, sve to “radi” po Ohmovom zakonu, što znači da zagrijava i zagrijava atmosferu. To dovodi do smanjenja efikasnosti i potrebe za hlađenjem šanta. Postoji način da se minimizira ovaj nedostatak - da se smanji otpor šanta. Nažalost, ne može se beskonačno smanjivati i općenito Ne bih preporučio smanjenje na manje od 1 mΩ, ako još uvijek imate malo iskustva, jer postoji potreba da se nosite sa smetnjama i zahtjevi za fazu dizajna PCB-a se povećavaju.
U svojim uređajima volim da koristim ove šantove PA2512FKF7W0R002E:
Mjerenje struje se događa mjerenjem pada napona na šantu, na primjer, kada teče struja od 30A, šant će pasti:
Odnosno, kada dobijemo pad od 60 mV na šantu, to će značiti da smo dostigli granicu, a ako se pad dodatno poveća, onda će naš uređaj ili opterećenje morati da se isključi. Sada izračunajmo koliko će se topline osloboditi naš šant:
Ne puno, zar ne? Ovaj trenutak se mora uzeti u obzir, jer. maksimalna snaga mog šanta je 2 W i ne može se prekoračiti, također se ne isplati lemiti šantove topljivim lemom - može se odlemiti, vidio sam ovo.
- Koristite šantove kada imate visoke napone i ne baš velike struje.
- Pratite količinu toplote koja se stvara na šantu
- Koristite shuntove tamo gdje su vam potrebne maksimalne performanse
- Koristite šantove samo od specijalnih materijala: konstantan, manganin i sl
A) jeftino, na primjer, ACS712 i slično. Od pluseva mogu primijetiti jednostavnost korištenja i prisutnost galvanske izolacije, tu se plusevi završavaju. Glavni nedostatak je izuzetno nestabilno ponašanje pod uticajem RF smetnji. Bilo koji DC/DC ili snažno reaktivno opterećenje je smetnja, odnosno u 90% slučajeva ovi senzori su beskorisni, jer „polude“ i više pokazuju vrijeme na Marsu. Ali zašto to rade?
Da li su galvanski izolirani i mogu li mjeriti velike struje? Da. Ne volite smetnje? Također da. Gdje ih staviti? Tako je, u sistem za praćenje niske odgovornosti i za mjerenje trenutne potrošnje iz baterija. Imam ih u inverterima za solarne elektrane i vjetroelektrane za kvalitativnu procjenu trenutne potrošnje iz baterije, što vam omogućava da produžite životni ciklus baterija. Ovi senzori izgledaju ovako: 
B) Skupo. Imaju sve prednosti jeftine, ali nemaju svoje nedostatke. Primjer takvog senzora LEM LTS 15-NP: 
Šta završavamo sa:
1) Visoke performanse;
2) Galvanska izolacija;
3) jednostavnost upotrebe;
4) Velike merene struje bez obzira na napon;
5) Visoka tačnost merenja;
6) Čak i "zli" EMR ne ometaju rad i ne; utiče na tačnost.
Ali šta je onda loša strana? Oni koji su otvorili link iznad jasno su to vidjeli - ovo je cijena. $18 Carl! Čak i za seriju od 1000+ komada, cijena neće pasti ispod 10 USD, a stvarna kupovina će biti 12-13 USD. Ne možete ovo staviti u BP za par dolara, ali kako želite... rezimirati:
A) To Najbolja odluka u principu za mjerenje struje, ali skupo;
b) Koristite ove senzore u teškim okruženjima;
c) Koristite ove senzore u kritičnim čvorovima;
d) Koristite ih ako vaš uređaj košta puno novca, na primjer UPS od 5-10 kW, gdje će se sigurno opravdati, jer će cijena uređaja biti nekoliko hiljada dolara.
3) Strujni transformator. Standardno rješenje u mnogim uređajima. Minus dva - ne rade s istosmjernom strujom i imaju nelinearne karakteristike. Prednosti - jeftino, pouzdano i možete mjeriti samo ogromne struje. Upravo se na strujnim transformatorima ugrađuju sistemi automatizacije i zaštite u RU-0,4, 6, 10, 35 kV u preduzećima i tamo su hiljade ampera sasvim normalna pojava.
Da budem iskren, trudim se da ih ne koristim, jer ih ne volim, ali ih ipak ugrađujem u razne kontrolne ormare i druge sisteme na naizmjeničnu struju, jer. koštaju par $ i daju galvansku izolaciju, a ne 15-20 $ kao LEM i savršeno obavljaju svoj zadatak u mreži od 50 Hz. Obično izgledaju ovako, ali se mogu naći i na bilo kojoj EFD jezgri:
Možda s metodama mjerenja struje možete završiti. Govorio sam o glavnim, ali naravno ne o svim. Da proširim vlastite vidike i znanje, savjetujem vam da dodatno bar proguglate i pogledate razne senzore na istom digikeyju.
Pojačanje izmjerenog pada napona
Dalja izgradnja sistema zaštite baziraće se na šantu kao strujnom senzoru. Izgradimo sistem sa prethodno najavljenom trenutnom vrijednošću od 30A. Na šantu dobijamo pad od 60 mV i tu nastaju 2 tehnička problema:A) Nezgodno je mjeriti i upoređivati signal s amplitudom od 60 mV. ADC-ovi obično imaju opseg mjerenja od 3,3V, odnosno, sa 12 bita dubine bita, dobijamo korak kvantizacije:
To znači da ćemo za raspon 0-60mV, što odgovara 0-30A, dobiti mali broj koraka:
Dobijamo da će dubina bita mjerenja biti samo:
Treba shvatiti da je riječ o idealiziranoj figuri i u stvarnosti će biti višestruko gori, jer. Sam ADC ima grešku, posebno oko nule. Naravno, nećemo koristiti ADC za zaštitu, ali ćemo morati mjeriti struju iz istog šanta da bismo izgradili kontrolni sistem. Ovdje je zadatak bio da se jasno objasni, ali to vrijedi i za komparatore, koji u području potencijala zemlje (obično 0V) rade vrlo nestabilno, čak i rail-to-rail.
B) Ako želimo prevući signal amplitude 60 mV preko ploče, onda nakon 5-10 cm od njega neće ostati ništa zbog smetnji, a u trenutku kratkog spoja definitivno nećemo morati osloniti se na to, jer EMP će se dalje povećavati. Naravno, zaštitni krug možete objesiti direktno na nogu šanta, ali nećemo se riješiti prvog problema.
Za rješavanje ovih problema potrebno nam je operaciono pojačalo (op-amp). Neću govoriti o tome kako to funkcionira - tema je odlično proguglana, ali ćemo razgovarati o kritičnim parametrima i izboru op-pojačala. Prvo, hajde da definišemo šemu. Rekao sam da neće biti posebnih povlastica, pa pokrivamo op-pojačalo negativnom povratnom spregom (NFB) i dobijamo pojačalo sa poznatim faktorima pojačanja. Ovu radnju ću simulirati u MultiSIM-u (na sliku se može kliknuti):
Možete preuzeti fajl za simulaciju kod kuće - .
Izvor napona V2 igra ulogu našeg šanta, odnosno simulira pad napona na njemu. Radi jasnoće, odabrao sam vrijednost pada od 100 mV, sada trebamo pojačati signal tako da se prenese na pogodniji napon, obično između 1/2 i 2/3 V ref. Ovo će vam omogućiti da dobijete veliki broj koraka kvantizacije u trenutnom opsegu + ostavite marginu za mjerenja kako biste procijenili koliko je sve loše i izračunali vrijeme porasta struje, ovo je važno u složenim sistemima kontrole reaktivnog opterećenja. Dobitak je u ovom slučaju jednak:
Tako smo u mogućnosti da pojačamo svoj signal do potrebnog nivoa. Sada pogledajmo na koje parametre treba obratiti pažnju:
- Op-amp mora biti rail-to-rail da bi adekvatno upravljao signalima blizu potencijala zemlje (GND)
- Vrijedi odabrati operacijsko pojačalo sa velikom stopom napona. Moj omiljeni OPA376 ima ovu postavku postavljenu na 2V/µs, što omogućava postizanje maksimalnog izlaza op-ampa od 3.3V VCC za samo 2µs. Ova brzina je dovoljna da spasi bilo koji pretvarač ili opterećenje sa frekvencijama do 200 kHz. Ove parametre treba razumjeti i uključiti pri odabiru op-pojačala, inače postoji šansa da se stavi op-pojačalo za 10 dolara gdje bi pojačalo za 1 dolar bilo dovoljno
- Širina pojasa odabrana od strane op-pojačala mora biti najmanje 10 puta veća od maksimalne frekvencije prebacivanja opterećenja. Opet tražite "zlatnu sredinu" u omjeru "cijena / karakteristike performansi", sve je dobro umjereno
Dodavanje realizma sigurnosnom sistemu
Dodajmo sada shunt, opterećenje, napajanje i druge atribute u simulatoru koji će naš model približiti stvarnosti. Rezultat je sljedeći (slika na koju se može kliknuti):
Možete preuzeti datoteku simulacije za MultiSIM - .
Ovdje već vidimo naš šant R1 sa istim otporom od 2 mOhm, izabrao sam napajanje od 310V (ispravljena mreža) i opterećenje za njega je otpornik od 10,2 Ohma, koji nam opet, prema Ohmovom zakonu, daje struju:
Na šantu, kao što vidite, padaju prethodno izračunati 60 mV, a mi ih pojačavamo sa pojačanjem:
Na izlazu dobijamo pojačani signal amplitude 3,1V. Slažem se, već se može primijeniti na ADC, i na komparator i provlačiti kroz ploču 20-40 mm bez ikakvih strahova i pogoršanja stabilnosti. Nastavićemo da radimo sa ovim signalom.
Poređenje signala s komparatorom
komparator- ovo je kolo koje prima 2 signala na ulazu i ako je amplituda signala na direktnom ulazu (+) veća nego na inverznom (-), tada se na izlazu pojavljuje log. 1 (VCC). U suprotnom, log. 0 (GND).
Formalno, bilo koje operacijsko pojačalo može se uključiti kao komparator, ali takvo rješenje u pogledu karakteristika performansi bit će inferiornije od komparatora u smislu brzine i omjera "cijena / rezultat". U našem slučaju, što je veća brzina, veća je vjerovatnoća da će zaštita imati vremena da razradi i spasi uređaj. Volim da koristim komparator, opet iz Texas Instrumentsa - LMV7271. Na šta treba obratiti pažnju:
- Kašnjenje odgovora je, u stvari, glavni limitator performansi. Za gornji komparator ovo vrijeme je oko 880 ns, što je dovoljno brzo i u mnogim problemima je donekle suvišno po cijeni od 2$ i možete odabrati optimalniji komparator
- Opet - savjetujem vam da koristite rail-to-rail komparator, inače izlaz neće biti 5V, već manji. Simulator će vam pomoći da to provjerite, odaberete nešto što nije željeznicom i eksperimentirajte. Signal iz komparatora se obično dovodi do alarmnog ulaza vozača (SD) i bilo bi lijepo imati stabilan TTL signal tamo
- Odaberite komparator sa push-pull izlazom, a ne otvorenim odvodom i drugim. Ovo je zgodno i mi smo predvideli karakteristike performansi za izlaz
Možete preuzeti fajl za simulaciju u MultiSIM - .
Ono što nam treba... Neophodno je u slučaju prekoračenja struje veće od 30A, kako bi na izlazu komparatora bio log. 0 (GND), ovaj signal će se primijeniti na SD ili EN ulaz vozača i isključiti ga. U normalnom stanju, izlaz bi trebao biti dnevnik. 1 (5V TTL) i omogući rad drajvera ključa za napajanje (na primjer, "narodni" IR2110 i manje drevni).
Vratimo se našoj logici:
1) Izmjerili smo struju na šantu i dobili 56,4 mV;
2) Pojačali smo naš signal sa faktorom 50,78 i dobili op-amp od 2,88V na izlazu;
3) Primjenjujemo referentni signal na direktni ulaz komparatora sa kojim ćemo upoređivati. Postavljamo ga pomoću razdjelnika na R2 i postavljamo ga na 3,1V - to odgovara struji od oko 30A. Ovaj otpornik reguliše zaštitni prag!
4) Sada primjenjujemo signal sa izlaza op-pojačala na inverzni i upoređujemo dva signala: 3.1V> 2.88V. Na direktnom ulazu (+) napon je veći nego na inverznom ulazu (-), što znači da struja nije prekoračena i izlaz je log. 1 - drajveri rade, ali naš LED1 je isključen.
Sada povećavamo struju na vrijednost > 30A (okrenuti R8 i smanjiti otpor) i pogledati rezultat (slika na koju se može kliknuti):
Pogledajmo tačke iz naše "logike":
1) Izmjerili smo struju na šantu i dobili 68,9 mV;
2) Pojačali smo naš signal sa faktorom 50,78 i dobili 3,4V op-amp na izlazu;
4) Sada primjenjujemo signal sa izlaza op-pojačala na inverzni i upoređujemo dva signala: 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.
Zašto hardver?
Odgovor na ovo pitanje je jednostavan - bilo koje programabilno rješenje na MK-u, s vanjskim ADC-om, itd., može jednostavno "zamrznuti", pa čak i ako ste prilično kompetentan soft writer i uključite watchdog timer i druge zaštite od zamrzavanja, vaš uređaj će pregorjeti dok se sve obrađuje.Hardverska zaštita vam omogućava da implementirate sistem brzinom u roku od nekoliko mikrosekundi, a ako budžet dozvoljava, onda unutar 100-200 ns, što je općenito dovoljno za bilo koji zadatak. Takođe, hardverska zaštita neće moći da se „zamrzne“ i sačuvaće uređaj, čak i ako se iz nekog razloga „zamrzne“ vaš kontrolni mikrokontroler ili DSP. Zaštita će onemogućiti drajver, vaš kontrolni krug će se tiho ponovo pokrenuti, testirati hardver i ili dati grešku, na primjer, u Modbusu, ili pokrenuti ako je sve u redu.
Ovdje je vrijedno napomenuti da u specijaliziranim kontrolerima za izgradnju energetskih pretvarača postoje posebni ulazi koji vam omogućavaju da isključite generiranje PWM signala u hardveru. Na primjer, svima omiljeni STM32 ima BKIN ulaz za ovo.
Također bismo trebali reći više o takvoj stvari kao što je CPLD. Zapravo, ovo je skup logike velike brzine i u smislu pouzdanosti je uporediv sa hardverskim rješenjem. Bilo bi sasvim razumno staviti mali CPLD na ploču i u njega implementirati hardverske zaštite, deadtime i ostale užitke, ako je riječ o dc/dc ili nekakvim upravljačkim ormarićima. CPLD vam omogućava da takvo rješenje učinite vrlo fleksibilnim i praktičnim.
Epilog
To je vjerovatno sve. Nadam se da ste uživali čitajući ovaj članak i da će vam dati neka nova znanja ili osvježiti stara. Uvijek pokušajte unaprijed razmisliti koje module u vašem uređaju treba implementirati u hardver, a koji u softver. Često je implementacija hardvera redova veličine lakše implementirati softvera, a to dovodi do uštede vremena na razvoju i, shodno tome, njegove cijene.Format članka bez hardvera je nov za mene i zamoliću vas da izrazite svoje mišljenje u anketi.
Ovo je nevjerovatno koristan gadget koji će zaštititi vaš dom od kratkih spojeva prilikom provjere nekog od uređaja koji se testira. Postoje slučajevi kada je potrebno provjeriti električni uređaj na odsutnost kratkog spoja, na primjer, nakon popravka. A kako ne biste ugrozili svoju mrežu, osigurali se i izbjegli neugodne posljedice, pomoći će vam ovaj vrlo jednostavan uređaj.
Trebaće
- Utičnica.
- Prekidač sa ključem, iznad glave.
- Žarulja sa žarnom niti 40 - 100 W sa patronom.
- Dvožilna žica u dvostrukoj izolaciji 1 metar.
- Vilica je sklopiva.
- Samorezni vijci.
Svi dijelovi će biti pričvršćeni na drveni kvadrat od iverice ili drugog materijala.
Bolje je koristiti zidno grlo za lampu, ali ako ga nemate, izrađujemo obimni nosač od tankog lima.
I izbaci kvadrat od debelog drveta.
Bit će priloženo ovako.
Montaža utičnice sa zaštitom od kratkog spoja
Shema cjelokupne instalacije.
Kao što vidite, svi elementi su povezani u seriju.
Prije svega, sastavljamo utikač spajanjem žice na njega.
Budući da su utičnica i prekidač montirani na zid, za žicu ćemo napraviti rezove sa okruglom turpijom sa strane. To se može uraditi oštrim nožem.
Drveni kvadrat pričvrstimo samoreznim vijcima na bazu. Pokupite tako da ne prođu.
Uložak sa lampom sa nosačem pričvrstimo na drveni kvadrat.
Rastavljamo utičnicu i prekidač. Pričvršćujemo vijcima na bazu.
Povezujemo žice na kertridž.
Za potpunu pouzdanost, sve žice su zalemljene. To jest: čistimo, savijamo prsten, lemimo lemilom sa lemom i fluksom.
Žicu za napajanje fiksiramo najlonskim sponama.
Krug je sastavljen, instalacija je spremna za testiranje.
Za testiranje umetnite punjač iz utičnice mobitel. Pritisnemo prekidač - lampa ne svijetli. Dakle, nema kratkog spoja.
Zatim uzimamo snažnije opterećenje: napajanje iz računara. Uključi. Lampa sa žarnom niti treperi na početku, a zatim se gasi. To je normalno, jer se u bloku nalaze snažni kondenzatori koji se na početku inficiraju.
Imitiramo kratki spoj - ubacujemo pincetu u utičnicu. Upali, lampa je upaljena.
Ovo je tako divan i prijeko potreban alat.
Takva instalacija je pogodna ne samo za uređaje male snage, već i za moćne. Svakako veš mašina ili električni štednjak neće raditi, ali po svjetlini sjaja možete shvatiti da nema kratkog spoja.
Lično koristim sličan uređaj skoro cijeli život, provjeravajući sve novosastavljene.
