prąd ograniczający zwarcie do 20A

Analogowy nowicjusz tutaj i pierwszy raz na tym forum ... dziękuję za przeczytanie!

To, co mam, to kontrola pirotechniki. Rozpracowałem wszystkie elementy sterowania cyfrowego, ale bity analogowe nie są moją mocną stroną.

Akumulator samochodowy zasila ten zestaw, a kanały wyjściowe będą przełączane za pomocą SCR, IGBT lub zwykłych przekaźników samochodowych. Chcę ograniczyć prąd, aby te komponenty nie były nadużywane, i aby wiele kanałów mogło odbierać wysoki prąd, nawet jeśli niektóre mają rezystancję nieco wyższą niż inne.

Większość obwodów, które widzę, dotyczy ładowania akumulatora lub mają znacznie niższy prąd. Oto najprostsza rzecz, jaką do tej pory wymyśliłem:

Zasadniczo używam wzmocnienia prądu każdej części mojej pary darlington, aby ograniczyć prąd do obciążenia. Chciałbym wyrazić opinię na temat tego projektu lub wskazać coś bardziej odpowiedniego (co, jak powiedziałem, było trudne do zlokalizowania, biorąc pod uwagę pomysł, że obciążenie może być krótkie).

Drobne problemy obejmują:

Wydaje mi się, że potrzebuję diody tłumiącej (lub czapki?) Wokół mojego obciążenia i diody gdzieś w pobliżu przełącznika.

Problem z ograniczaniem prądu za pomocą sterownika liniowego, takiego jak ten, polega na tym, że sterownik rozprasza energię proporcjonalnie do spadającego na niego napięcia. Jeśli obciążenie spadnie większość napięcia, sterownik może być w stanie przetrwać. Ale jeśli obciążenie spadnie tylko o kilka woltów przy 20 A, wówczas kierowca rozproszy dużą ilość energii.

Przy 20 A i 12 woltach obwód rozproszy Moc = V x I = 12 x 20 = 240 W. To znaczna ilość.

Jeśli ładujesz spada 10 V przy 20 A, kierowca musi upuścić pozostałe 2 wolty. Zatem rozpraszanie obciążenia wynosi 10 V x 20 A = 200 W, a rozpraszanie sterowników wynosi 2 V x 20 A = 40 W. 40 watów w Darlington wymaga dość znacznego radiatora, aby się nie nagrzać. Jeśli zamkniesz go szybko i jeśli tylko jeden lub dwa z nich są w tym trybie, być może będziesz w stanie „uciec”. Ale jeśli pewna liczba obciążeń pozostaje przez pewien czas na granicy prądu, „wystąpią problemy”.

Jednym z rozwiązań jest posiadanie kontrolera, który wyłączy się całkowicie, gdy przekroczę 10 A, zaczeka chwilę i spróbuje ponownie. Problem polega na tym, że do 20 A wszystko jest w porządku, ale jeśli obciążenie próbuje przyjąć więcej niż 20 A, jest ono ograniczone do wybuchów o wartości 20 A = znacznie mniej niż 20A średnio.

Jednym z rozwiązań jest „PWM” przełącznika, gdy jest on w ograniczaniu prądu - przełącznik jest tylko włączony lub wyłączony - i wyregulować współczynnik o / off tak, aby średnia = 20A. Obwód do tego celu może być tańszy i prostszy niż może się wydawać. Opamp lub na obwód i kilka elementów pasywnych. Lub pakiet bramkowy CMOS Schmitt i trochę gry.

„Najlepszym” sposobem jest użycie sterownika trybu przełączania, który ogranicza prąd o wartości 20 A i odcina dostępną energię tylko w razie potrzeby. Mogą to być również proste tranzystory 92 w minimalistycznej formie), ale potrzebuje irytującego induktora na obwód.

Jak pokazano, wynik będzie BARDZO niedokładny, ponieważ wzmocnienie prądu pary tranzystorów Darlington będzie bardzo nieprecyzyjne. O ile nie wybierzesz podczas testu (np. Ustaw rezystor bazowy za pomocą potencjometru), będzie to bardzo niedokładne i nadal nie będzie dobre długoterminowo. Dam ci tanie obwody dla kierowcy ograniczającego prąd. ale najpierw zobaczmy, dokąd zmierza pytanie.

Tak, potrzebujesz diody w poprzek obciążenia, jeśli jest ona indukcyjna, o takiej polaryzacji, że zwykle nie przewodzi.

Rozproszenie w kontrolerze i dlaczego:

Przepływ prądu z 12V przez obciążenie i sterownik do ziemi wynosi

• I = V / R.

R jest sumą wszystkich rezystorów w danej ścieżce szeregowej.

Dla 20A przy 12V

• R = V / I = 12/20 = 0,6 oma.

Jeśli ograniczasz prąd do 20 A, tworzysz zmienną elektronicznie wartość R, która automatycznie dostosowuje całkowitą wartość R w obwodzie do 0,6 oma, jeżeli obciążenie jest mniejsze niż 0,6.

Jeśli obciążenie jest WIĘCEJ niż 0,6 oma, kontroler pozostaje mocno włączony, ponieważ prąd jest mniejszy niż 20 A.

W twoim przykładzie z zapalnikiem 0.1R sterownik musi dodać 0,6-0,1 = 0,5 oma.

• Moc w zapalniku = I ^ 2 x R = 20 ^ 2 x 0,1 = 40 watów.

• Moc rozproszona w sterowniku = 20 ^ 2 x .5 = 200 watów.

Kontroler „robi się gorący” :-).

Ograniczenie prądu PWM:

PWM = modulacja szerokości impulsu powoduje pełne włączenie obciążenia, powiedz X%, jeśli czas i wyłączy się na 100-X% czasu

Jeśli włączysz całkowicie obciążenie, a następnie całkowicie wyłączysz w cyklu roboczym 1: 5, średni prąd wyniesie 20 A.

I on = 12 / 0,1 = 120 A!

I off = 0

(1 x 120 A + 5 x 0 A) / 6 = 20 średnia

Akumulator musi być w stanie zapewnić wartości szczytowe 120 A.

Dodanie cewki szeregowej do obciążenia i „diody zapadkowej” zamienia obwód w „konwerter buck”, np. Taki jak ten

Jeśli przełącznik jest włączony na N-tym czasie, napięcie wyjściowe wyniesie 1 / N-ty z Vin.

Normalnym podejściem jest monitorowanie Iout i dostosowanie okresu włączenia, aby ograniczyć maksymalny prąd zgodnie z potrzebami.

Oto przykład, który właśnie to robi.

Nie jest to dokładnie to, czego chcesz, ale pokazuje zasadę. To jest obwód sterownika przekaźnika dostarczony przez Richarda Prossera, skomentowany przeze mnie. Zastąpienie odpowiedniego induktora L1 i umieszczenie obciążenia tuż poniżej L1 zapewnia ograniczone zasilanie prądem. To staje się trochę „zajęte” tym, czego chcesz.

Zastosowanie chronionego prądu ograniczającego MOSFET

Sugerowano użycie chronionego prądem MOSFET-a, takiego jak zabezpieczony przetwornik niskiej mocy ON Semiconductor NCV8401 z ograniczeniem prądu i temperatury

Mocą NCV8401 jest wyłączenie, jeśli utrzymuje się wysoki prąd zwarciowy, i ograniczenie maksymalnego prądu, który może płynąć, gdy wystąpi błąd. Takie urządzenia robią to dobrze, ale nie mają na celu utrzymywania prądu ograniczającego przez długi czas. Próbowałem podłączyć takie urządzenie bezpośrednio do akumulatora samochodowego i włączyć je. Nie ma problemu - ograniczają się i przywracają do normalnej pracy po usunięciu stanu przeciążenia.

Są to cudowne urządzenia i niezwykle przydatne w ich miejscu, ale nie spełnią pierwotnie ustalonego celu, jakim jest utrzymywanie stałego prądu 20 Amp w obciążeniu, np. W warunkach awarii Z WYJĄTKIEM, jeśli pochłonie je ciepło, aby przyjąć pełny prąd zwarciowy - co wymaga rozpraszanie mocy do 12 x 20 A = 240 W w sterowniku, w najgorszym przypadku. NCV8401 ma odporność termiczną złącza na obudowę wynoszącą 1,6 C / W i maksymalną temperaturę złącza 150 C. Nawet na idealnym radiatorze (0 C / W) w temperaturze 25 ° C, który pozwoliłby maksymalnie (150-25) / 1,6 = 78 watów. W praktyce około 40 watów byłoby bardzo dobre, nawet z niezwykle sprawnym systemem radiatora.

Jeśli specyfikacja została zmieniona, to dobrze, ale jeśli chcesz stale pobierać ograniczoną wartość 20 A (do zatrzymania lub wybuchu), istnieją tylko dwa sposoby. Zarówno

• (1) Zaakceptuj całkowite rozproszenie 12 x 20 A = 240 W, a kierowca rozproszy to, czego nie pobiera obciążenie lub

• (2) Użyj przełączania konwersji energii, aby sterownik zapewniał 20 A przy dowolnym napięciu wymaganym do obciążenia. Sterownik zajmuje się wyłącznie energią z nieefektywnej konwersji. Na przykład, jeśli obciążenie wynosi 0,2 oma, to przy 20 A, obciążenie = I x R = 20 A x 0,2 = 4 wolty. Moc obciążenia wynosi albo I ^ 2 x R = 400 x 0,2 = 80 W, LUB = V x I = 4 V x 20 A = 80 W (oczywiście, oczywiście).

W takim przypadku, jeśli napięcie 4 V jest zasilane przez konwerter trybu przełączania, który jest efektywny w% (0 <= Z <= 100). W powyższym przykładzie, w którym Pload = 80 Watt, a jeśli konwerter ma wartość Z = 70 (%), wówczas konwerter trybu przełączania rozprasza tylko (100-Z) / obciążenie 100 x P = 0,3 x 80 W = 24 waty. Jest to nadal znaczne, ale znacznie mniejsze niż 240-80 = 160 watów, które zostałyby rozproszone za pomocą ogranicznika liniowego. Więc ...

Ogranicznik prądu regulatora przełączającego

Jest to pomyślany jako inny przykład niż jako ostateczne rozwiązanie. Można go wprowadzić do eksploatacji, ale lepszym rozwiązaniem byłoby wykonanie od podstaw projektu opartego na tej zasadzie.

Obwód, który wykona prawie dokładnie to, co chcesz, można zbudować za pomocą np. MC34063 w obwodzie z rys. 11a lub 11b tutaj Arkusz danych MC34063

Prawdopodobnie byłoby tak łatwo użyć pakietu komparatorów (np. LM393, LM339 itp.), Aby zaimplementować coś podobnego, ponieważ można wykonać rzeczywiste wykrywanie prądu obciążenia zamiast cyklu poprzez wykrywanie cyklu wykonane tutaj, ale to zadziała.

Odnośne obwody MC34063 można zmodyfikować, aby w razie potrzeby korzystały z zewnętrznego MOSFETU z kanałem N lub P. FET rzeczywiście mają w zwyczaju zawodzić zwarcie. Zaprojektowanie tak, aby rzadko, jeśli kiedykolwiek zawiodło, sprawia, że ​​jest to mniej problematyczne :-).

Tutaj napięcie wyjściowe można ustawić na „wysokie”, ponieważ naszym celem jest konwersja energii i ograniczenie prądu. np. jeśli obciążenie wynosi 0,4 R, a nominalne napięcie docelowe wynosi 12 V, wówczas ogranicznik prądu ograniczy to, co się naprawdę wydarzy. Zamiast ogranicznika cykl po cyklu można dodać czujnik niskiego prądu obciążenia bocznego i użyć go do ograniczenia napięcia napędu, aby zapewnić docelowy prąd obciążenia.

Ogranicznik liniowy z opornikiem schodkowym

Najłatwiejszym sposobem może być dostarczenie zestawu rezystorów przełączanych, które mogą być przełączane binarnie w celu ograniczenia prądu obciążenia do 20A. Licznik zlicza wartość rezystora w górę, jeśli prąd jest zbyt wysoki, a w dół, jeśli jest zbyt niski. Strata mocy wynosi 240 W przy 20 A, zawsze gdy obciążenie jest mniejsze niż 0,6 R, ALE rezystory wykonują pracę, a tranzystory bipolarne lub tranzystory polowe stosowane jako przełączniki obciążenia mogą działać chłodno. Nie jest to zbyt trudne, ale podejście „denerwująco surowe” :-).

Sugerowałbym użycie tranzystorów MOSFET zamiast tranzystora darlington. Darlington może mieć kilka woltów, a przy 20 A rozproszy aż 40 W. Nie chcemy tego. Istnieją tranzystory MOSFET o bardzo niskim , które rozproszą tylko ułamek tego. $R_{DS(ON)}$

Nie potrzebujesz ogranicznika prądu w przypadku zwarcia, ale odcięcia zasilania. W przypadku zwarcia bateria 12 V (?) Będzie przekraczać przełączające tranzystory MOSFET i nawet przy ograniczniku prądu 20 A będą musiały poradzić sobie z 240 W (!). Istnieją sztuczki dotyczące ograniczników prądu składanych, które zmniejszają prąd do bezpieczniejszego poziomu po zwarciu, ale moim pomysłem jest to, że najlepiej jest całkowicie odciąć.

Zasada: zmierz napięcie na tranzystorach MOSFET. Jeśli wzrośnie powyżej pewnego progu, takiego jak 1V, zresetuj ustawiony flipflop, którego wyjście steruje MOSFET-ami. Po usunięciu zwarcia tranzystory MOSFET pozostają wyłączone, a resetowany flipflop musi być ponownie ustawiony, aby ponownie uruchomić zasilanie.

Po zbudowaniu wcześniej kontrolerów pyro i wykonaniu różnych wdrożeń bezpieczeństwa przemysłowego na urządzeniach CNC itp., Nigdy nie należy nigdy zezwalać na kontrolę bezpieczeństwa za pośrednictwem obwodu logicznego.

Jako minimum należy użyć fizycznego przełącznika w linii prądu stałego do urządzeń piropaliwowych jako części klucza uzbrajania. Czy zastanawiałeś się, co się stanie, jeśli powiesz, że FET ulega zwarciu ... robią ... obwód strzelający będzie aktywny, facet idzie zmienić pyro na następny i zdmuchuje rękę.

Wszystkie obwody bezpieczeństwa maszyn przechodzą przez zatwierdzone przekaźniki bezpieczeństwa, przekaźniki fizyczne, które mogą przeciąć napęd na silniki itp., Nigdy nie polegają na zabiciu sygnału do silnika napędowego ... prawdopodobnie również zabijają ten sygnał, ale zawsze istnieje przekaźnik fizyczny również. Powinieneś w 100% uwzględnić sposób odłączenia 12 V od tranzystorów polowych w ramach obwodu bezpieczeństwa.

Powinieneś również ograniczyć czas, te, które zbudowałem, obejmowały sprawdzenie ciągłości kilku ma, aby wskazać, czy przed uruchomieniem kanału był dobry obwód, i oczywiście, aby pokazać ciągłość po uruchomieniu urządzenia, nie udało się zapalić ...

Moja własna odpowiedź: ten obwód jest obiecujący w moich testach na płycie. Planuję zastąpić wyjście LED innym obwodem, aby ściągnąć bramę MOSFET-a mocy.

http://www.edaboard.com/thread166245.html#post701080

Nadal muszę opracować sposób współistnienia tego odcięcia z moim istniejącym schematem kontroli, ale jest to proste.

DRUGA odpowiedź, którą prawdopodobnie zaimplementuję:

Zamierzałem to zrobić z przekaźnikami samochodowymi pierwotnie dla niezawodności i solidności. Później poszedłem tą ścieżką półprzewodnikową, ponieważ fizyczne rozmiary przekaźników oraz ich uprzęży i ​​gniazd stały się trochę irytujące, i odkryłem tanie IGBT i / lub SCR do kontrolowania kanałów, i po prostu chciałem zrobić ten obecny program ograniczający przed nimi prąd ograniczający zestaw 4 kanałów do 20A łącznie.

Odsuńmy na bok, jak sądzę, będę używał jednego z tych wspaniałych urządzeń na kanał: ON Samozabezpieczający MOSFET Semiconductor NCV8401 . Są przeznaczone jako zamienniki przekaźników samochodowych i ku mojemu zdziwieniu kosztują tylko 0,80 USD za sztukę. Jestem pewien, że Motorola (ON) radziła sobie lepiej niż kiedykolwiek wcześniej dzięki wewnętrznemu ograniczeniu prądu i temperatury. Będę musiał poradzić sobie z problemami cieplnymi i prawdopodobnie będę musiał lutować duże kawałki drutu miedzianego na mojej płytce drukowanej, aby poradzić sobie z prądem, ale ponieważ jest to krótki cykl pracy, myślę, że mogę to zrobić bez podpalenia.

Dziękuję panom za pomoc

Oto jak bym to zrobił. Obwód pozwala na duży prąd początkowy (ograniczony przez C1 ESR i rezystancję U2 źródła prądu), ale utrzymuje prąd z akumulatora poniżej 20A przez cały czas (przy założeniu 15V według twojego schematu). Powinno to zapewnić dobrą zdolność szybkiego zapłonu, dobrze radząc sobie ze skrzynką „źle zanurzonego zapłonnika”.

Edytuj - po dalszej przemyśleniu istnieje kilka problemów związanych z bezpieczeństwem na tym schemacie. Wkrótce zmienię tę odpowiedź, wprowadzając aktualizację, która rozwiązuje te problemy.

Żarówka. Żarówka o mocy 240 W połączona szeregowo z obciążeniem ograniczy prąd najgorszego przypadku do 20 A, jednocześnie służąc jako prosty przewodnik. Dodatkowe informacje zwrotne od operatora i awaryjne odłączenie. Jasność proporcjonalna do prądu płynącego w danym momencie. Rozbicie obwiedni żarówki, a żarnik szybko się wypali, przerywając obwód.