Устройство защиты бортовой сети "УЗБС-1-800-12" для легковых автомобилей
В отличие от "размыкателей массы", УЗБС осуществляет защитные функции во всех режимах эксплуатации автомобиля (работающий двигатель, заглушенный двигатель, включенное зажигание, выключенное зажигание).
Функционально УЗБС состоит из программируемого контроллера и быстродействующего силового ключа. Контроллер осуществляет постоянный контроль за током потребления от аккумулятора и в случае превышения допустимого значения - отключает отрицательную клемму от электрооборудования автомобиля. Допустимый ток устанавливается контроллером в зависимости от положения ключа зажигания автомобиля. Быстродействие срабатывания защиты составляет 30 мксек., что надежно предотвращает разогрев проводов и оплавление изоляции электропроводки . Кроме того, при выключенном зажигании УЗБС следит за разрядом аккумулятора и отключает его, если разряд превысил 50 % емкости режим предотвратит полный разряд аккумулятора в случае, если оставлены включенными на длительное время энергопотребители (габаритные огни и др.).
УЗБС устанавливают вместо размыкателя массы, при этом блок предохранителей сохраняет свои функции.
Напряжение бортовой сети автомобиля 12 В.
Падение напряжения на контактах при замкнутом ключе при токе 100 А, не более 70 мВ.
Значение тока потребления от аккумулятора, при котором срабатывает защита:
- при выключенном зажигании (25….30) А при включенном зажигании (50-80) А при включенном стартере допустимый ток ограничивается временем действия, зависящим от значения тока.
Возможно, устанавливать иные значения допустимых токов и времени действия по требованию заказчика.
УЗБС сохраняет свою работоспособность при изменении напряжения бортовой сети от 5.5 до 16В - для номинала 12В.
УЗБС сохраняет свою работоспособность при температуре окружающей среды от -400°С до +850°С.
Предусмотрена возможность крепления на отрицательной клемме аккумулятора посредством специального кронштейна.
Возможно выполнение в ином конструктивном исполнении по желанию заказчика.
Подключение к электрооборудованию автомобиля осуществляется следующим образом:
С отрицательной клеммы аккумулятора снимается клеммный контакт, соединяющий его с корпусом автомобиля, и на его место устанавливается специальный кронштейн, соединенный с УЗБС. Второй вывод УЗБС имеет такую же конструкцию контакта, как на аккумуляторе, и к нему подключается корпус автомобиля через клемму отсоединенную от аккумулятора. Питание и управление состоянием УЗБС осуществляется через отдельный разъем.
Основные технические характеристики
При подключении нештатных 12-ти вольтовых устройств к бортовой сети автомобиля всегда есть риск сжечь их или переполюсовкой или перенапряжением, поскольку даже при исправном реле-регуляторе во время пуска двигателя (да и после) напряжение в бортовой сети изменяется самым непредсказуемым образом.
Предлагаемая конструкция состоит из узла защиты от переполюсовки и узла защиты от перенапряжения. Первый собран на диоде VD1. При правильном включении диод закрыт обратным напряжением и не оказывает влияние на работу схемы. Если полярность перепутана или в сети произошел достаточно сильный выброс обратной полярности, то диод открывается. Происходит короткое замыкание, которое пережигает предохранитель FU1.
Узел защиты от перенапряжения собран на аналоге мощного низковольтного варистора, собранного на тиристоре VS1 и стабилитронах VD2VD3. Как только напряжение в бортовой сети превысит норму, тиристор откроется и закоротит вход. Снова сгорает предохранитель FU1.
Лампа HL1 – индикаторная. Она загорается, когда сгорает предохранитель. При желании от этой лампы можно отказаться. При повторении схемы необходимо учитывать нормальный ток потребления нагрузкой, и исходя из этого подбирать номинальный ток предохранителя. В свою очередь и диод VD1, и тиристор VS1 должны выдерживать прямой ток, способный сжечь предохранитель.
Настройка блока защиты сводится к подбору стабилитронов VD2 и VD3. Сумма их напряжений стабилизации и будет напряжением, при котором сработает защита. В нашем случае защита сработает при 14 … 17 В, поскольку напряжение стабилизации стабилитрона Д814А равно 7 … 8.5 В. Вполне очевидно, что вместо двух стабилитронов можно включить и один, и три с соответствующими параметрами, что позволяет более точно выставить напряжение защиты.
Предлагаемая схема предназначена для защиты низковольтной аппаратуры от перенапряжения или переполюсовки и хотя использует для аварийного отключения питающего напряжения плавкую вставку, имеет гораздо более высокое чем предохранитель быстродействие.
Устройство включается последовательно с нагрузкой и дежурном режиме не оказывает на схему питания никакого влияния. Как только напряжение на нагрузке превысит установленное значение, схема управления, собранная на транзисторе VT1, откроет тиристор VS1, который в свою очередь замкнет цепь питания накоротко и выжжет плавкий предохранитель FU1. То же самое произойдет и при неправильном подключении полярности БП, но в этом случае предохранитель сгорит из-за открывшегося диода VD1.
Использование многооборотного резистора в качестве R4 и транзистора с коэффициентом передачи не ниже 400 позволяет регулировать напряжение срабатывания в достаточно широких пределах с точностью до 0.4 В.
В любительских и промышленных радиоприемниках широко применяют никель-кадмиевые аккумуляторы. К сожалению, неприятной особенностью этих аккумуляторов является то, что они выходят из строя в случае неправильного выбора полярности источника зарядного тока.
Для тех, кто может допустить такую оплошность и перепутать полярность включения аккумулятора, и предназначено устройство, принципиальная схема которого изображена на рисунке,
Легко заметить, что аккумуляторную батарею в этом устройстве включают в одну диагональ моста, образованного транзисторами V1-V4, в другую же диагональ включают источник зарядного тока.
При таком включении транзисторов и батареи аккумуляторов направление зарядного тока будет зависеть только от полярности включения батареи.
Например, если положительный полюс батареи аккумуляторов оказался подключенным к верхнему по схеме выводу устройства, то транзисторы V1 и V4 окажутся закрытыми, а зарядный ток потечет через транзисторы V2 и V3. При обратной полярности включения батареи ток потечет через транзисторы V1 и V4. Таким образом, при любом варианте подключения батареи полярность зарядного тока всегда будет правильной.
Примечание: Транзисторы V1-V4 и резисторы R1-R4, R5 выбирают исходя из максимального значения тока зарядки аккумуляторной батареи и номинального напряжения источника зарядного тока.
Литература:
Nabijec: pro flegmatiky. - Sdelovaci technika, 1984, N7, str. 278. Радио N6 , 1983 г.
С помощью семейства интегральных схем компания Maxim Integrated обеспечивает защиту бортовой автомобильной электроники от бросков напряжения в диапазоне от -36 до 90 В без применения дополнительных внешних компонентов. В случае же применения таковых, защита простирается вплоть до 200 В, что авторы статьи доказали на практическом примере, собрав схему защиты на базе микросхемы .
Автомобильной электронике приходится работать при воздействии сильных импульсных помех. В современных автомобилях установлено большое количество электронного оборудования, для работы которого необходимо защищать цепи питания от бросков напряжения, электростатических разрядов и включения при обратной полярности аккумулятора. Согласно ГОСТ 28751-90 электронное устройство, работающее в автомобильной сети, должно выдерживать воздействие помех в диапазоне от минус 1100 В до плюс 300 В (для бортовой сети). Для решения этих проблем существует несколько традиционных вариантов защиты:
- установка дискретных компонентов (варисторы, защитные TVS-диоды, предохранители, индуктивные и емкостные фильтры);
- использование электронных компонентов со встроенной защитой от перегрузок по входу и выходу;
- применение специализированных микросхем с активной защитой.
Каждый из этих способов имеет преимущества и недостатки. Преимущество защиты на дискретных компонентах – низкая стоимость. К недостаткам этого варианта можно отнести зависимость напряжения ограничения от мощности помехи и большое время срабатывания у варистора и предохранителя. Последовательное включение диода на входе защищаемой схемы позволяет реализовать защиту от включения с обратной полярностью, но падение напряжения на диоде уменьшает диапазон допустимых входных напряжений. Кроме того, на последовательно включенном диоде теряется рассеиваемая мощность, так как весь ток протекает через этот диод. Плавкие предохранители необходимо заменять после перегорания. В большинстве случаев для этого требуется ехать на станцию технического обслуживания.
Использование микросхем со встроенной защитой ограничено их выбором и ценой. К тому же, такие микросхемы не справляются с мощными высоковольтными помехами.
Специализированные микросхемы для активной защиты от перенапряжений лишены многих недостатков схем на дискретных электронных компонентах. Основная идея специализированных микросхем защиты – замена дискретных компонентов мощными высоковольтными транзисторами, которые управляются интеллектуальными схемами. Это позволяет расширить функциональность схем защиты при высокой точности параметров ограничения.
Основные положения ГОСТ 28751-90
Электронные устройства, подключаемые к бортовым сетям автомобилей с напряжениями питания 12 или 24 В, должны обеспечивать электромагнитную совместимость и помехоустойчивость, удовлетворяя требованиям межгосударственного стандарта ГОСТ 28751-90. В этом документе описаны требования и методы испытаний для автомобильного оборудования. По устойчивости к воздействиям импульсных помех электронные приборы, устанавливаемые в автомобилях, делятся на функциональные классы, описание которых взято из упомянутого выше ГОСТа и приведено в таблице 1.
Таблица 1. Функциональные классы приборов по устойчивости к воздействию импульсных помех по цепям питания
| Класс | Описание |
| A | Все функции изделий выполняются во время и после воздействия испытательных импульсов |
| B | Все функции изделий выполняются во время и после воздействия испытательных импульсов, однако значения одного или нескольких параметров могут выходить за пределы допусков. После воздействия значения всех параметров восстанавливаются |
| C | Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов, однако после воздействия работоспособность изделия восстанавливается |
| D | Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После воздействия работоспособность изделия восстанавливается простой управляющей операцией |
| E | Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После окончания воздействия работоспособность изделия не восстанавливается без проведения ремонта |
Для конкретного электронного прибора, подключаемого к цепям питания автомобилей с напряжениями 12 или 24 В, должна быть обеспечена его работоспособность в соответствии с одним или несколькими классами, приведенными в таблице 1. Применение специализированных микросхем защиты с дополнением их высоковольтными MOSFET транзисторами позволяет обеспечить защиту от мощных импульсов помех, удовлетворяя условиям сразу нескольких классов из таблицы 1. Для проведения измерений на устойчивость к воздействию помех на вход исследуемой схемы подаются тестовые импульсы с конкретными параметрами.
Параметры тестовых импульсов также приводятся в ГОСТ 28751-90. Наиболее опасный и сложный из этих тестовых импульсов имеет номер 5. Его параметры для разных цепей напряжений питания бортовой сети автомобиля приведены на рисунке 1.
Этот импульс является самым жестким при проведении испытаний на соответствие, т.к. содержит в себе наибольшую энергию. Подача этого импульса при испытаниях, ввиду его сложности, даже не требует соответствия классу А, то есть, при подаче импульса 5 устройство не обязано выполнять все функции во время и после подачи импульса.
Семейство специализированных интегральных схем защиты MAX16126/7/8/9
Для защиты электронных устройств, предназначенных для работы в автомобильных сетях питания, компания Maxim Integrated выпускает семейство интегральных схем (таблица 2). Это семейство позволяет реализовать схему защиты в широком диапазоне напряжений. Сама микросхема защиты / рассчитана для работы в диапазоне -36…90 В без применения дополнительных внешних схем. Однако для расширения диапазона работы производитель рекомендует использование внешнего параметрического стабилизатора , что позволяет существенно расширить диапазон рабочих напряжений. При этом рабочий диапазон будет ограничен предельными характеристиками параметрического стабилизатора и внешних транзисторов.
Таблица 2. Микросхемы серии MAX16126/7/8/9 для защиты автомобильной электроники
Испытание схемы защиты на базе MAX16127 при подаче импульса номер 5
Амплитуда помехи при напряжении аккумулятора 24 В может достигать 200 В при длительности импульса до 350 мс. Именно параметры этого самого «страшного» импульса были использованы при тестировании защитных микросхем серии с дополнительными высоковольтными транзисторами. Для проведения испытаний на базе была собрана схема защиты с допустимым рабочим диапазоном до +400 В (рисунок 2). В качестве ключей были выбраны транзисторы компании STMicroelectronics , параметрический стабилизатор был выполнен на базе стабилитрона CMZ5946B компании ON Semiconductor. Настройка порога срабатывания от перенапряжения была произведена на уровень 32 В при помощи внешних резисторов R3 и R4 согласно технической документации.
Транзистор Т1 используется для защиты при появлении отрицательного напряжения, например, при неправильном включении устройства в цепь («переполюсовка»). В применениях, где необходимы миниатюрные решения и не требуется защита от отрицательных импульсов, транзистор Т1 может не устанавливаться. Транзистор Т2 служит для реализации защиты при появлении повышенного напряжения. При появлении на входе схемы защиты повышенного напряжения, превышающего заданный порог срабатывания (Over Voltage threshold), закрывает транзистор Т2, тем самым препятствуя попаданию повышенного напряжения на выход схемы.
Для макетирования была выбрана микросхема , так как в этом случае используется режим ограничения помехи, при котором выходное напряжение практически не изменяется, и обеспечивается работоспособность питаемого прибора без нарушения его функциональности.
На рисунке 3 показана реакция схемы ограничения на входной импульс с пиковым значением 182 В при отсутствии нагрузки (желтая осциллограмма). Полное напряжение, поступающее на вход схемы ограничения, составляет (24 + 182 = 206) В, где 24 В – это напряжение аккумулятора. Ограниченное напряжение на выходе в этом режиме измерений не превышает (24 + 6 = 32) В, то есть при амплитуде импульса на входе 182 В, выходное напряжение увеличилось на 6 В.
На рисунке 4 изображена осциллограмма при нагрузке 100 Ом. Таким образом, выходное напряжение схемы защиты составило 32 В, а ток – 300 мА, при этой степень подавления входной помехи практически не изменяется. Это говорит о том, что при изменении тока нагрузки в широком диапазоне от нуля до 300 мА режим ограничения помехи практически не меняется, что является большим преимуществом активных схем ограничения по сравнению с решениями на пассивных компонентах.
На рисунке 5 показан фронт ограничения при нарастании входного напряжения. При входном напряжении до 32 В уровень напряжения передается на выход без изменения. При достижении напряжения на входе около 32 В (этот порог срабатывания можно при необходимости изменить) происходит ограничение выходного напряжения при дальнейшем росте входного напряжения. Обратите внимание, что масштаб по оси времени составляет 2 мс на клетку (масштаб времени на предыдущих осциллограммах был 40 мс).
При подаче импульсов с разной нагрузкой проводилось измерение температуры транзисторных ключей. Ввиду того, что ограничение производится в ключевом режиме, повышение температуры во время ограничения зафиксировано не было. То есть использование ограничивающей микросхемы не предъявляет специальных требований к рассеиваемой мощности транзисторных ключей, дополнительных теплоотводящих конструкций (радиаторов) и т.д. Также стоит отметить, что транзисторы и стабилитроны были выбраны, исходя из их наличия. При дополнительных требованиях к размерам схемы защиты разработчик может выбирать транзисторы в более миниатюрных корпусах.
Использование версии микросхемы с функцией ограничения () позволяет не просто защитить электронное устройство при появлении помехи или намеренном повышении напряжения питания на линии, а дает возможность сохранять работоспособность устройства. То есть в случае намеренных попыток выведения из строя по линиям питания, устройство может вести лог этого события или передавать сигнал тревоги, например по одному из беспроводных каналов (например, GSM). Таким образом, использование семейства / позволяет реализовать устройство, превышающее максимальные степени жесткости по ГОСТ 28751-90.
Литература
- ГОСТ 28751-90
- MAX16126/7/8/9 data sheets
- MAX16127EVKIT data sheet
- MAX17504 data sheet
- http://www.maximintegrated.com/
