Urządzenia wymagają zasilacza (PSU), który posiada regulowane napięcie wyjściowe oraz możliwość regulacji poziomu zabezpieczenia nadprądowego w szerokim zakresie. Po zadziałaniu zabezpieczenia obciążenie (podłączone urządzenie) powinno automatycznie się wyłączyć.
Wyszukiwanie w Internecie dało kilka odpowiednich obwodów zasilających. Zdecydowałem się na jeden z nich. Obwód jest łatwy w produkcji i konfiguracji, składa się z dostępnych części i spełnia określone wymagania.
Zaproponowany do produkcji zasilacz oparty jest na wzmacniaczu operacyjnym LM358 i ma następujące cechy:
Napięcie wejściowe, V - 24...29
Napięcie wyjściowe stabilizowane, V - 1...20 (27)
Prąd zadziałania zabezpieczenia, A - 0,03...2,0
Zdjęcie 2. Obwód zasilania
Opis zasilacza
Regulowany stabilizator napięcia montowany jest na wzmacniaczu operacyjnym DA1.1. Wejście wzmacniacza (pin 3) otrzymuje napięcie odniesienia z silnika rezystora zmiennego R2, którego stabilność zapewnia dioda Zenera VD1, a wejście odwracające (pin 2) otrzymuje napięcie z emitera tranzystora VT1 przez dzielnik napięcia R10R7. Za pomocą rezystora zmiennego R2 można zmienić napięcie wyjściowe zasilacza.
Zabezpieczenie nadprądowe jest wykonane na wzmacniaczu operacyjnym DA1.2 i porównuje napięcia na wejściach wzmacniacza operacyjnego. Wejście 5 poprzez rezystor R14 otrzymuje napięcie z czujnika prądu obciążenia - rezystor R13. Wejście odwracające (pin 6) otrzymuje napięcie odniesienia, którego stabilność zapewnia dioda VD2 o napięciu stabilizacji około 0,6 V.
Dopóki spadek napięcia wywołany prądem obciążenia na rezystorze R13 jest mniejszy niż wartość przykładowa, napięcie na wyjściu (pin 7) wzmacniacza operacyjnego DA1.2 jest bliskie zeru. Jeśli prąd obciążenia przekroczy dopuszczalny ustawiony poziom, napięcie na czujniku prądu wzrośnie, a napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego DA1.2 wzrośnie prawie do napięcia zasilania. W tym samym czasie zaświeci się dioda LED HL1, sygnalizując nadmiar, a tranzystor VT2 otworzy się, bocznikując diodę Zenera VD1 za pomocą rezystora R12. W rezultacie tranzystor VT1 zamknie się, napięcie wyjściowe zasilacza spadnie prawie do zera, a obciążenie wyłączy się. Aby włączyć obciążenie należy nacisnąć przycisk SA1. Poziom ochrony reguluje się za pomocą rezystora zmiennego R5.
Produkcja zasilaczy
1. Podstawę zasilacza i jego charakterystykę wyjściową określa źródło prądu - zastosowany transformator. W moim przypadku transformator toroidalny z pralka. Transformator posiada dwa uzwojenia wyjściowe na napięcie 8V i 15V. Łącząc oba uzwojenia szeregowo i dodając mostek prostowniczy z wykorzystaniem dostępnych pod ręką diod średniej mocy KD202M, uzyskałem źródło stałego napięcia 23V, 2A dla zasilania.
Fot. 3. Mostek transformatorowy i prostowniczy.
2. Kolejną charakterystyczną częścią zasilacza jest korpus urządzenia. W tym przypadku przydał się rzutnik slajdów dla dzieci kręcący się w garażu. Usuwając nadmiar i obrabiając otwory w przedniej części do montażu mikroamperomierza wskazującego, uzyskano pustą obudowę zasilacza.
Zdjęcie 4. Korpus zasilacza pusty
3. Instalacja obwód elektryczny wykonany na uniwersalnej płycie montażowej o wymiarach 45 x 65 mm. Rozmieszczenie części na planszy zależy od rozmiarów elementów znajdujących się na farmie. Zamiast rezystorów R6 (ustawianie prądu roboczego) i R10 (ograniczające maksymalne napięcie wyjściowe) na płytce instalowane są rezystory dostrajające o wartości zwiększonej 1,5 razy. Po skonfigurowaniu zasilaczy można je wymienić na stałe.
Zdjęcie 5. Płytka drukowana
4. Kompletny montaż płytki i elementów zdalnych układu elektronicznego w celu przetestowania, ustawienia i regulacji parametrów wyjściowych.
Fot. 6. Jednostka sterująca zasilaczem
5. Wykonanie i regulacja bocznika oraz dodatkowej rezystancji do wykorzystania mikroamperomierza jako amperomierza lub woltomierza zasilającego. Dodatkowa rezystancja składa się z rezystorów stałych i dostrajających połączonych szeregowo (na zdjęciu powyżej). Bocznik (na zdjęciu poniżej) wchodzi w skład głównego obwodu prądowego i składa się z przewodu o niskiej rezystancji. Rozmiar drutu zależy od maksymalnego prądu wyjściowego. Podczas pomiaru prądu urządzenie jest podłączone równolegle do bocznika.
Fot. 7. Mikroamperomierz, bocznik i rezystancja dodatkowa
Regulacja długości bocznika i wartości rezystancji dodatkowej odbywa się poprzez odpowiednie podłączenie do urządzenia z kontrolą zgodności za pomocą multimetru. Urządzenie przełącza się w tryb amperomierz/woltomierz za pomocą przełącznika zgodnie ze schematem:
Fot. 8. Schemat przełączania trybu sterowania
6. Znakowanie i obróbka panelu przedniego zasilacza, montaż odległych części. W tej wersji na panelu przednim znajduje się mikroamperomierz (przełącznik przełączający tryb sterowania A/V po prawej stronie urządzenia), zaciski wyjściowe, regulatory napięcia i prądu oraz wskaźniki trybu pracy. Aby zmniejszyć straty i ze względu na częste użytkowanie, dodatkowo zapewniono oddzielne stabilizowane wyjście 5 V. Dlaczego napięcie z uzwojenia transformatora 8 V jest dostarczane na drugi mostek prostowniczy i standardowy schemat na 7805 z wbudowaną ochroną.
Zdjęcie 9. Panel przedni
7. Montaż zasilacza. Wszystkie elementy zasilacza zamontowane są w obudowie. W tym wykonaniu grzejnikiem tranzystora sterującego VT1 jest aluminiowa płyta o grubości 5 mm, zamocowana w górnej części pokrywy obudowy, która służy jako dodatkowy grzejnik. Tranzystor jest przymocowany do chłodnicy za pomocą uszczelki izolującej elektrycznie.
Nowoczesne tranzystory przełączające moc mają bardzo niskie rezystancje dren-źródło, gdy są włączone, co zapewnia niski spadek napięcia, gdy przez tę konstrukcję przepływają duże prądy. Ta okoliczność pozwala na zastosowanie takich tranzystorów w bezpiecznikach elektronicznych.
Na przykład tranzystor IRL2505 ma rezystancję dren-źródło, przy napięciu źródło-bramka wynoszącym 10 V, tylko 0,008 oma. Przy prądzie 10A na krysztale takiego tranzystora zostanie uwolniona moc P=I² R; P = 10 10 0,008 = 0,8 W. Sugeruje to, że kiedy dany prąd tranzystor można zamontować bez użycia radiatora. Chociaż zawsze staram się instalować przynajmniej małe radiatory. W wielu przypadkach pozwala to chronić tranzystor przed przebiciem termicznym, gdy sytuacje awaryjne. Tranzystor ten jest stosowany w obwodzie zabezpieczającym opisanym w artykule „”. W razie potrzeby można zastosować elementy radiowe natynkowe i wykonać urządzenie w postaci małego modułu. Schemat urządzenia pokazano na rysunku 1. Obliczono go dla prądu do 4A.
Schemat bezpieczników elektronicznych
W tym obwodzie jako klucz zastosowano tranzystor polowy z kanałem p IRF4905, mający rezystancję otwarcia 0,02 oma i napięcie bramki = 10 V.
W zasadzie wartość ta ogranicza również minimalne napięcie zasilania tego obwodu. Przy prądzie drenu wynoszącym 10A wygeneruje moc 2 W, co będzie wiązać się z koniecznością zainstalowania małego radiatora. Maksymalne napięcie bramki-źródła tego tranzystora wynosi 20 V, dlatego aby zapobiec uszkodzeniu struktury bramki-źródła, do obwodu wprowadza się diodę Zenera VD1, którą można zastosować jak dowolną diodę Zenera o napięciu stabilizującym 12 woltów. Jeżeli napięcie na wejściu obwodu jest mniejsze niż 20 V, wówczas diodę Zenera można usunąć z obwodu. Jeśli zainstalujesz diodę Zenera, może być konieczne dostosowanie wartości rezystora R8. R8 = (Góra - Ust)/Ist; Gdzie Upit to napięcie na wejściu obwodu, Ust to napięcie stabilizacji diody Zenera, Ist to prąd diody Zenera. Na przykład Upit = 35 V, Ust = 12 V, Ist = 0,005 A. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 omów.
Przetwornik prąd-napięcie
Rezystor R2 służy jako czujnik prądu w obwodzie, aby zmniejszyć moc uwalnianą przez ten rezystor, jego wartość wynosi tylko jedną setną Ohma. Przy zastosowaniu elementów SMD może składać się z 10 rezystorów 0,1 oma, rozmiar 1206, o mocy 0,25 W. Zastosowanie czujnika prądu o tak małej rezystancji wiązało się z zastosowaniem wzmacniacza sygnału z tego czujnika. Wzmacniacz operacyjny DA1.1 mikroukładu LM358N służy jako wzmacniacz.
Wzmocnienie tego wzmacniacza jest równe (R3 + R4)/R1 = 100. Zatem przy czujniku prądowym o rezystancji 0,01 oma współczynnik konwersji tego przetwornika prądowo-napięciowego jest równy jedności, tj. Jeden amper prądu obciążenia jest równy napięciu 1 V na wyjściu 7 DA1.1. Możesz regulować Kus za pomocą rezystora R3. Przy wskazanych wartościach rezystorów R5 i R6 maksymalny prąd ochronny można ustawić w granicach.... Teraz policzmy. R5 + R6 = 1 + 10 = 11 kOhm. Znajdźmy prąd płynący przez ten dzielnik: I = U/R = 5A/11000Ohm = 0,00045A. Zatem maksymalne napięcie, jakie można ustawić na pinie 2 DA1, będzie równe U = I x R = 0,00045 A x 10000 Ohm = 4,5 V. Zatem maksymalny prąd ochronny wyniesie około 4,5 A.
Porównanie napięcia
Komparator napięcia jest montowany na drugim wzmacniaczu operacyjnym, który jest częścią tego MS. Wejście odwracające tego komparatora zasilane jest napięciem odniesienia regulowanym przez rezystor R6 ze stabilizatora DA2. Nieodwracające wejście 3 DA1.2 jest zasilane wzmocnionym napięciem z czujnika prądu. Obciążeniem komparatora jest obwód szeregowy, dioda LED transoptora i rezystor regulujący tłumienie R7. Rezystor R7 ustawia prąd przepływający przez ten obwód na około 15 mA.
Działanie obwodu
Schemat działa w następujący sposób. Na przykład przy prądzie obciążenia 3A na czujniku prądu zostanie uwolnione napięcie 0,01 x 3 = 0,03 V. Na wyjściu wzmacniacza DA1.1 będzie napięcie równe 0,03V x 100 = 3V. Jeżeli w tym przypadku na wejściu 2 DA1.2 pojawi się napięcie odniesienia ustawione przez rezystor R6 mniejsze niż trzy wolty, wówczas na wyjściu komparatora 1 pojawi się napięcie zbliżone do napięcia zasilania wzmacniacza operacyjnego, tj. pięć woltów. W rezultacie dioda transoptora zaświeci się. Tyrystor transoptora otworzy się i ominie bramkę tranzystor polowy z jego źródłem. Tranzystor wyłączy się i wyłączy obciążenie. Można przywrócić obwód do stanu pierwotnego za pomocą przycisku SB1 lub poprzez wyłączenie i ponowne włączenie zasilania.
Najprostsza ochrona przed zwarciem jest istotna zarówno dla doświadczonych, jak i początkujących radioamatorów, ponieważ nikt nie jest odporny na błędy. W tym artykule przedstawiono prosty, ale bardzo oryginalny schemat, który pomoże Ci zabezpieczyć urządzenie przed niechcianą awarią. Samoresetujący się bezpiecznik odłącza napięcie od obwodu, a diody LED sygnalizują sytuację awaryjną szybko, niezawodnie i prosto.
Obwód zabezpieczający przed zwarciem:
Obwód pokazany na rysunku 1 jest bardzo łatwym do skonfigurowania zabezpieczeniem zasilacza radia amatorskiego lub dowolnego innego obwodu.
Rysunek nr 1 – Obwód zabezpieczający przed zwarciem. Działanie obwodu zabezpieczającego przed zwarciem:
Schemat jest bardzo prosty i zrozumiały. Ponieważ przy nienaruszonym bezpieczniku FU1 prąd płynie drogą o najmniejszym oporze, obciążenie wyjściowe Rn (rysunek nr 2) jest podłączone i przez nie przepływa prąd. W takim przypadku dioda VD4 świeci się stale (najlepiej Zielony kolor blask).
Rysunek nr 2 - Działanie obwodu przy pełnym bezpieczniku Jeżeli prąd obciążenia przekracza maksymalny prąd dopuszczalny dla bezpiecznika, następuje jego zadziałanie, przerywając (obchodząc) obwód obciążenia (rysunek nr 3). W takim przypadku dioda VD3 zapala się (na czerwono), a dioda VD4 gaśnie. W takim przypadku nie ucierpi ani obciążenie, ani obwód (oczywiście pod warunkiem, że bezpiecznik zadziała w odpowiednim czasie).
Rysunek nr 3 – Zadziałał bezpiecznik Diody VD1, VD5 i dioda Zenera VD2 chronią diody LED przed prądami wstecznymi. Rezystory R1, R2 ograniczają prąd w obwodzie zabezpieczającym. Do bezpiecznika FU1 polecam zastosować bezpiecznik samoresetujący. I dobierasz wartości wszystkich elementów obwodu w zależności od swoich potrzeb.
Dzisiaj mój artykuł będzie miał charakter wyłącznie teoretyczny, a raczej nie będzie zawierał „sprzętu” jak w poprzednich artykułach, ale nie denerwuj się - nie stał się mniej przydatny. Faktem jest, że problem ochrony podzespołów elektronicznych wpływa bezpośrednio na niezawodność urządzeń, ich żywotność, a tym samym na Twoją ważną przewagę konkurencyjną - możliwość udzielenia długoterminowej gwarancji na produkt. Realizacja zabezpieczeń dotyczy nie tylko mojej ulubionej energoelektroniki, ale w zasadzie każdego urządzenia, więc nawet jeśli projektujesz rzemiosło IoT i dysponujesz skromnymi 100 mA, to i tak musisz zrozumieć, jak zapewnić swojemu urządzeniu bezproblemową pracę .
Ochrona prądowa lub ochrona przed zwarciem (zwarciem) jest prawdopodobnie najpowszechniejszym rodzajem ochrony, ponieważ zaniedbania w tej kwestii powodują niszczycielskie konsekwencje w dosłownym tego słowa znaczeniu. Jako przykład proponuję przyjrzeć się stabilizatorowi napięcia, który był smutny z powodu zwarcia:
Diagnoza tutaj jest prosta - wystąpił błąd w stabilizatorze i w obwodzie zaczęły płynąć bardzo wysokie prądy; zabezpieczenie powinno było wyłączyć urządzenie, ale coś poszło nie tak. Po przeczytaniu artykułu wydaje mi się, że sam będziesz w stanie zgadnąć, jaki może być problem.
Co do samego obciążenia... Jeśli masz urządzenie elektroniczne wielkości pudełka zapałek, nie ma takich prądów, to nie myśl, że nie możesz się tak smucić, jak stabilizator. Na pewno nie chcesz palić pakietów żetonów o wartości 10–1000 USD? Jeżeli tak to zapraszam do zapoznania się z zasadami i sposobami postępowania w przypadku zwarć!
Cel artykułu
Mój artykuł kieruję do osób, dla których elektronika jest hobby i początkujących programistów, więc wszystko zostanie opowiedziane „na pierwszy rzut oka”, aby uzyskać bardziej znaczące zrozumienie tego, co się dzieje. Jeśli szukasz akademickiego akcentu, przeczytaj dowolny podręcznik uniwersytecki na temat elektrotechniki + „klasykę” Horowitza, Hill „The Art of Circuit Design”.Osobno chciałbym powiedzieć, że wszystkie rozwiązania będą oparte na sprzęcie, czyli bez mikrokontrolerów i innych perwersji. W ostatnich latach dość modne stało się programowanie tam, gdzie jest to konieczne i tam, gdzie nie jest to konieczne. Często obserwuję „ochronę” prądu, która jest realizowana poprzez prosty pomiar napięcia ADC za pomocą jakiegoś arduino lub mikrokontrolera, a wtedy urządzenia nadal ulegają awarii. Stanowczo radzę Ci, abyś nie robił tego samego! Omówię ten problem bardziej szczegółowo później.
Trochę o prądach zwarciowych
Aby zacząć wymyślać metody ochrony, trzeba najpierw zrozumieć, z czym walczymy. Co to jest „zwarcie”? W tym przypadku pomoże nam ulubione prawo Ohma:
Tylko? Właściwie ten obwód jest obwodem równoważnym prawie każdemu urządzenie elektroniczne, to znaczy, że istnieje źródło energii, które przekazuje ją do obciążenia, nagrzewa się i robi lub nie robi czegoś innego.
Umówmy się, że moc źródła pozwala na utrzymanie napięcia na stałym poziomie, czyli „nie opadanie” pod żadnym obciążeniem. Podczas normalnej pracy prąd działający w obwodzie będzie równy:
A teraz wyobraźcie sobie, że wujek Wasia upuścił klucz na przewody prowadzące do żarówki i nasze obciążenie zmalało 100 razy, czyli zamiast R wyniosło 0,01*R i za pomocą prostych obliczeń otrzymamy prąd 100 razy większy. Jeśli żarówka zużyła 5 A, to teraz prąd z obciążenia wyniesie około 500 A, co wystarczy, aby stopić klucz wujka Vasyi. A teraz mały wniosek...
Zwarcie- znaczny spadek rezystancji obciążenia, co prowadzi do znacznego wzrostu prądu w obwodzie.
Warto zrozumieć, że prądy zwarciowe są zwykle setki i tysiące razy większe od prądu znamionowego i nawet krótki czas wystarczy, aby urządzenie uległo awarii. Tutaj wielu prawdopodobnie pamięta elektromechaniczne urządzenia zabezpieczające („automaty” i inne), ale wszystko tutaj jest bardzo prozaiczne... Zwykle gniazdo domowe jest chronione wyłącznikiem o prądzie znamionowym 16A, to znaczy nastąpi wyłączenie przy 6-7 razy większym prądzie, czyli już około 100A. Zasilacz laptopa ma moc około 100 W, czyli prąd jest mniejszy niż 1A. Nawet jeśli nastąpi zwarcie, maszyna długo tego nie zauważy i wyłączy obciążenie dopiero wtedy, gdy wszystko się już przepali. Jest to bardziej ochrona przeciwpożarowa niż ochrona sprzętu.
Spójrzmy teraz na inny często spotykany przypadek - przez prąd. Pokażę to na przykładzie przetwornika DC/DC o topologii synchronicznej buck; wszystkie sterowniki MPPT, wiele sterowników LED i potężne przetworniki DC/DC na płytkach są zbudowane właśnie na nim. Spójrzmy na obwód konwertera:
Schemat pokazuje dwie opcje przetężenia: Zielona Droga dla „klasycznego” zwarcia, gdy następuje spadek rezystancji obciążenia (np. „smark” między drogami po lutowaniu) oraz pomarańczowa ścieżka. Kiedy prąd może płynąć pomarańczową ścieżką? Myślę, że wiele osób wie, że rezystancja otwartego kanału tranzystora polowego jest bardzo mała, w nowoczesnych tranzystorach niskonapięciowych wynosi 1-10 mOhm. Teraz wyobraźmy sobie PWM z wysoki poziom, czyli oba klucze się otworzyły, dla źródła „VCCIN - GND” jest to równoznaczne z podłączeniem obciążenia o rezystancji około 2-20 mOhm! Zastosujmy wielkie i potężne prawo Ohma i uzyskajmy prąd o wartości ponad 250A nawet przy zasilaniu 5V! Chociaż nie martw się, nie będzie takiego prądu - elementy i przewodniki na płytce drukowanej spalą się wcześniej i przerwają obwód.
Ten błąd bardzo często występuje w systemie zasilania, a zwłaszcza w energoelektronice. Może to nastąpić z różnych powodów, na przykład z powodu błędów sterowania lub długotrwałych procesów przejściowych. W tym drugim przypadku nawet „martwy czas” w konwerterze nie pomoże.
Myślę, że problem jest jasny i znany wielu z Was, teraz jest jasne, czym należy się zająć, a jedyne, co pozostaje, to dowiedzieć się JAK. O tym będzie dalsza historia.
Zasada działania zabezpieczenia prądowego
Tutaj musisz zastosować zwykłą logikę i zobaczyć związek przyczynowo-skutkowy:1) Głównym problemem jest duży prąd w obwodzie;
2) Jak zrozumieć, jaka jest aktualna wartość? -> Zmierz to;
3) Zmierzono i uzyskano wartość -> Porównaj ją z określoną dopuszczalną wartością;
4) W przypadku przekroczenia wartości -> Odłączyć obciążenie od źródła prądu.
Zmierz prąd -> Sprawdź, czy został przekroczony dopuszczalny prąd -> Odłącz obciążenieAbsolutnie każda ochrona, nie tylko prądowa, jest zbudowana w ten sposób. W zależności od wielkości fizycznej, na której zbudowana jest ochrona, różne problemy techniczne i sposoby ich rozwiązywania, ale istota pozostaje niezmieniona.
Teraz proponuję przejść przez cały łańcuch bezpieczeństwa, aby rozwiązać wszystkie pojawiające się problemy techniczne. Dobra ochrona to ochrona zaplanowana z wyprzedzeniem i skuteczna. Oznacza to, że nie obejdziemy się bez modelowania, skorzystam z tego popularnego i darmowego Niebieski, MultiSIM, która jest aktywnie promowana przez firmę Mouser. Można go tam pobrać - link. Powiem też z góry, że w ramach tego artykułu nie będę na tym etapie zagłębiać się w obwody i zapełniać głowy niepotrzebnymi rzeczami, po prostu wiedz, że na prawdziwym sprzęcie wszystko będzie trochę bardziej skomplikowane.
Pomiar prądu
To pierwszy punkt naszego łańcucha i prawdopodobnie najłatwiejszy do zrozumienia. Istnieje kilka sposobów pomiaru prądu w obwodzie, a każdy z nich ma swoje zalety i wady. Decyzja, który z nich zastosować w konkretnym zadaniu, zależy od Ciebie. O tych właśnie zaletach i wadach opowiem Ci na podstawie mojego doświadczenia. Niektóre z nich są „ogólnie akceptowane”, a niektóre są moimi światopoglądami, proszę zauważyć, że nawet nie próbuję udawać, że jest to jakaś prawda.1) Bocznik prądowy. Podstawą podstaw „działa” na tym samym wielkim i potężnym prawie Ohma. Najprostsza, najtańsza, najszybsza i ogólnie najlepsza metoda, ale ma szereg wad:
A) Brak izolacji galwanicznej. Będziesz musiał to zaimplementować osobno, na przykład za pomocą szybkiego transoptora. Nie jest to trudne do wdrożenia, ale wymaga dodatkowa przestrzeń na płycie oddzielone DC/DC i inne komponenty, które kosztują i dodają całkowite wymiary. Chociaż oczywiście izolacja galwaniczna nie zawsze jest konieczna.
B) Przy wysokich prądach globalne ocieplenie przyspiesza. Jak pisałem wcześniej, wszystko to „działa” na prawie Ohma, co oznacza, że nagrzewa się i ociepla atmosferę. Prowadzi to do spadku wydajności i konieczności chłodzenia bocznika. Istnieje sposób na zminimalizowanie tej wady - zmniejszenie rezystancji bocznika. Niestety, nie można go zmniejszać w nieskończoność i wcale Nie zalecałbym zmniejszania go do mniej niż 1 mOhm, jeśli nadal masz niewielkie doświadczenie, ponieważ pojawia się potrzeba zwalczania zakłóceń i rosną wymagania na etapie projektowania płytki drukowanej.
W swoich urządzeniach lubię stosować boczniki PA2512FKF7W0R002E:
Pomiar prądu odbywa się poprzez pomiar spadku napięcia na boczniku, np. gdy przez bocznik przepływa prąd o natężeniu 30 A, nastąpi spadek:
Oznacza to, że gdy na boczniku spadnie spadek o 60 mV, będzie to oznaczać, że osiągnęliśmy limit, a jeśli spadek będzie dalej rósł, będziemy musieli wyłączyć nasze urządzenie lub obciążenie. Teraz obliczmy, ile ciepła zostanie uwolnione na naszym boczniku:
Nie trochę, prawda? Tę kwestię należy wziąć pod uwagę, ponieważ Maksymalna moc mojego bocznika to 2 W i nie można jej przekroczyć, a boczników nie należy lutować lutem niskotopliwym - może spaść, też to widziałem.
- Używaj boczników, gdy masz wysokie napięcie i niezbyt wysokie prądy
- Monitoruj ilość ciepła wytwarzanego przez bocznik
- Użyj boczników tam, gdzie potrzebujesz maksymalnej wydajności
- Używaj boczników wyłącznie ze specjalnych materiałów: constanu, manganiny i tym podobnych
A) Tani na przykład ACS712 i tym podobne. Wśród zalet mogę wymienić łatwość obsługi i obecność izolacji galwanicznej, ale na tym zalety się kończą. Główną wadą jest wyjątkowo niestabilne zachowanie pod wpływem zakłóceń RF. Wszelkie DC/DC lub mocne obciążenie bierne to zakłócenia, czyli w 90% przypadków te czujniki są bezużyteczne, bo „wariują” i raczej pokazują pogodę na Marsie. Ale nie bez powodu są robione?
Czy są izolowane galwanicznie i mogą mierzyć duże prądy? Tak. Nie lubisz ingerencji? Tak też. Gdzie je umieścić? Zgadza się, w system monitorowania o niskiej odpowiedzialności i do pomiaru zużycia prądu z akumulatorów. Posiadam je w falownikach dla elektrowni słonecznych i elektrowni wiatrowych do jakościowej oceny poboru prądu z akumulatora, co pozwala na wydłużenie cyklu życia akumulatorów. Te czujniki wyglądają tak: 
B) Drogi. Mają wszystkie zalety tanich, ale nie mają swoich wad. Przykład takiego czujnika LEM LTS 15-NP: 
Co mamy w efekcie:
1) Wysoka wydajność;
2) Izolacja galwaniczna;
3) Łatwość obsługi;
4) Duże mierzone prądy niezależnie od napięcia;
5) Wysoka dokładność pomiaru;
6) Nawet „złe” EMP nie przeszkadzają w pracy; wpływać na dokładność.
Ale co jest w takim razie minusem? Ci, którzy otworzyli powyższy link, wyraźnie to widzieli - taka jest cena. 18 dolarów, Karl! I nawet przy serii powyżej 1000 sztuk cena nie spadnie poniżej 10 dolarów, a faktyczny zakup wyniesie 12-13 dolarów. Za kilka dolarów nie da się tego zamontować w zasilaczu, ale chciałbym, żeby... Podsumować:
A) Jest to w zasadzie najlepsze rozwiązanie do pomiaru prądu, ale drogie;
b) Użyj tych czujników w trudne warunki operacja;
c) Użyj tych czujników w krytycznych komponentach;
d) Stosuj je, jeśli Twoje urządzenie kosztuje dużo pieniędzy, np. UPS 5-10 kW, gdzie na pewno się to usprawiedliwi, bo cena urządzenia wyniesie kilka tysięcy dolarów.
3) Przekładnik prądowy. Rozwiązanie standardowe w wielu urządzeniach. Minus dwa - nie działają DC i mają charakterystykę nieliniową. Plusy - tani, niezawodny i można mierzyć ogromne prądy. To na przekładnikach prądowych budowane są systemy automatyki i zabezpieczeń w przedsiębiorstwach RU-0,4, 6, 10, 35 kV, a tam tysiące amperów są całkiem normalne.
Szczerze mówiąc staram się ich nie używać, bo ich nie lubię, ale i tak je stosuję w różnych szafach sterowniczych i innych układach klimatyzacji, bo Kosztują kilka dolarów i zapewniają izolację galwaniczną, a nie 15-20 dolarów jak LEM i doskonale spełniają swoje zadanie w sieci 50 Hz. Zwykle wyglądają tak, ale można je znaleźć również na wszelkiego rodzaju rdzeniach EFD:
Może na tym zakończmy, przy obecnych metodach pomiaru. Mówiłem o najważniejszych, ale oczywiście nie o wszystkich. Aby poszerzyć własne horyzonty i wiedzę, radzę przynajmniej poszukać w Google różne czujniki na tym samym digikeyu.
Zmierzone wzmocnienie spadku napięcia
Dalsza konstrukcja układu zabezpieczającego będzie opierać się na boczniku jako czujniku prądu. Zbudujmy układ o podanej wcześniej wartości prądu 30A. Na boczniku otrzymujemy spadek o 60 mV i tu pojawiają się 2 problemy techniczne:A) Pomiar i porównanie sygnału o amplitudzie 60 mV jest niewygodne. Przetworniki ADC mają zwykle zakres pomiarowy 3,3 V, czyli przy 12 bitach pojemności otrzymujemy krok kwantyzacji:
Oznacza to, że dla zakresu 0-60 mV, co odpowiada 0-30A, otrzymamy niewielką liczbę kroków:
Stwierdzamy, że głębokość pomiaru będzie wynosić tylko:
Warto zrozumieć, że jest to liczba wyidealizowana, a w rzeczywistości będą wielokrotnie gorsze, bo... Sam ADC ma błąd, szczególnie w okolicach zera. Oczywiście nie będziemy używać przetwornika ADC do ochrony, ale będziemy musieli zmierzyć prąd z tego samego bocznika, aby zbudować system sterowania. Tutaj zadaniem było jasne wyjaśnienie, ale dotyczy to także komparatorów, które w obszarze potencjału masy (zwykle 0V) działają bardzo niestabilnie, nawet typu „rail-to-rail”.
B) Jeśli będziemy chcieli przeciągnąć po płytce sygnał o amplitudzie 60 mV, to po 5-10 cm nie pozostanie z niego nic w wyniku zakłóceń, a w momencie zwarcia na pewno nie będziemy musieli tego robić na to licz, bo EMR będzie dalej wzrastać. Można oczywiście zawiesić obwód ochronny bezpośrednio na nodze bocznika, ale pierwszego problemu nie pozbędziemy się.
Aby rozwiązać te problemy, potrzebujemy wzmacniacza operacyjnego (wzmacniacza operacyjnego). Nie będę mówił o tym, jak to działa - temat można łatwo przeszukać w Google, ale porozmawiamy o krytycznych parametrach i wyborze wzmacniacza operacyjnego. Najpierw zdefiniujmy schemat. Powiedziałem, że nie będzie tu żadnych specjalnych łask, więc zakryjmy wzmacniacz operacyjny negatywem informacja zwrotna(OOS) i zdobądź wzmacniacz o znanym wzmocnieniu. Zamodeluję tę akcję w MultiSIM (zdjęcie można kliknąć):
Plik do symulacji możesz pobrać w domu - .
Źródło napięcia V2 działa jak nasz bocznik, a raczej symuluje spadek napięcia na nim. Dla przejrzystości wybrałem wartość spadku 100 mV, teraz musimy wzmocnić sygnał, aby przenieść go na dogodniejsze napięcie, zwykle między 1/2 a 2/3 V ref. Pozwoli to uzyskać dużą liczbę kroków kwantyzacji w zakresie prądu + pozostawić margines na pomiary, aby ocenić, jak źle jest wszystko i obliczyć czas narastania prądu, jest to ważne w złożonych systemach kontroli obciążenia reaktywnego. Zysk w tym przypadku jest równy:
W ten sposób mamy możliwość wzmocnienia naszego sygnału do wymaganego poziomu. Przyjrzyjmy się teraz, na jakie parametry należy zwrócić uwagę:
- Wzmacniacz operacyjny musi być typu „rail-to-rail”, aby odpowiednio obsługiwać sygnały w pobliżu potencjału masy (GND)
- Warto wybrać wzmacniacz operacyjny wysoka prędkość wzrost sygnału wyjściowego. W przypadku mojego ulubionego OPA376 parametr ten wynosi 2 V/µs, co pozwala osiągnąć maksymalną wartość wyjściową wzmacniacza operacyjnego równą VCC 3,3 V w zaledwie 2 µs. Ta prędkość jest wystarczająca, aby uratować dowolny konwerter lub obciążenie o częstotliwościach do 200 kHz. Parametry te należy zrozumieć i włączyć przy wyborze wzmacniacza operacyjnego, w przeciwnym razie istnieje szansa na umieszczenie wzmacniacza operacyjnego za 10 dolarów tam, gdzie wystarczyłby wzmacniacz za 1 dolara
- Szerokość pasma wybrana przez wzmacniacz operacyjny musi być co najmniej 10 razy większa niż maksymalna częstotliwość przełączania obciążenia. Ponownie poszukaj „ złoty środek„jeśli chodzi o stosunek ceny do wydajności, wszystko jest dobre z umiarem
Dodanie realizmu do systemu bezpieczeństwa
Dodajmy teraz bocznik, obciążenie, źródło zasilania i inne atrybuty w symulatorze, które przybliżą nasz model do rzeczywistości. Wynikowy wynik wygląda następująco (klikalny obraz):
Możesz pobrać plik symulacji dla MultiSIM - .
Tutaj widzimy już nasz bocznik R1 o rezystancji tych samych 2 mOhm, wybrałem źródło zasilania 310 V (sieć prostowana), a obciążeniem dla niego jest rezystor 10,2 oma, co ponownie, zgodnie z prawem Ohma, daje nam prąd :
Jak widać, obliczone wcześniej napięcie 60 mV spada na bocznik i wzmacniamy je wzmocnieniem:
Na wyjściu otrzymujemy wzmocniony sygnał o amplitudzie 3,1 V. Zgadzam się, możesz zasilić go ADC, komparatorem i przeciągnąć go po planszy 20-40 mm bez żadnych obaw i pogorszenia stabilności. Będziemy nadal pracować z tym sygnałem.
Porównywanie sygnałów za pomocą komparatora
Komparator- jest to obwód, który przyjmuje na wejście 2 sygnały i jeśli amplituda sygnału na wejściu bezpośrednim (+) jest większa niż na wejściu odwrotnym (-), to na wyjściu pojawia się log. 1 (VCC). W przeciwnym razie zaloguj. 0 (GND).
Formalnie jako komparator można włączyć dowolny wzmacniacz operacyjny, ale takie rozwiązanie pod względem wydajności będzie gorsze od komparatora pod względem szybkości i stosunku ceny do wyniku. W naszym przypadku im wyższa wydajność, tym większe prawdopodobieństwo, że ochrona zdąży zadziałać i uratować urządzenie. Lubię używać komparatora, znowu firmy Texas Instruments – LMV7271. Na co powinieneś zwrócić uwagę:
- Opóźnienie reakcji jest w rzeczywistości głównym ogranicznikiem prędkości. Dla wspomnianego komparatora czas ten wynosi około 880 ns, czyli jest dość szybki i w wielu zadaniach nieco zbędny w cenie 2 dolarów, a można wybrać bardziej optymalny komparator
- Ponownie radzę użyć komparatora szyna-szyn, w przeciwnym razie napięcie wyjściowe nie będzie wynosić 5 V, ale mniej. Symulator pomoże Ci to zweryfikować; wybierz coś, co nie jest koleją i poeksperymentuj. Sygnał z komparatora jest zazwyczaj podawany na wejście awarii sterownika (SD) i fajnie byłoby mieć tam stabilny sygnał TTL
- Wybierz komparator z wyjściem push-pull zamiast z otwartym drenem i innymi. Jest to wygodne i przewidzieliśmy charakterystykę wydajności dla wyjścia
Możesz pobrać plik do symulacji w MultiSIM - .
Czego potrzebujemy... Jeśli prąd przekracza 30A, konieczne jest, aby na wyjściu komparatora znajdował się dziennik. 0 (GND), sygnał ten zasili wejście SD lub EN sterownika i wyłączy go. W normalnym stanie wyjściem powinien być dziennik. 1 (5 V TTL) i włącz sterownik wyłącznika zasilania (na przykład „ludowy” IR2110 i mniej stare).
Wróćmy do naszej logiki:
1) Zmierzyliśmy prąd na boczniku i otrzymaliśmy 56,4 mV;
2) Wzmocniliśmy nasz sygnał współczynnikiem 50,78 i uzyskaliśmy 2,88 V na wyjściu wzmacniacza operacyjnego;
3) Stosujemy sygnał odniesienia, z którym będziemy porównywać z bezpośrednim wejściem komparatora. Ustawiamy go za pomocą dzielnika na R2 i ustawiamy na 3,1 V - odpowiada to prądowi około 30 A. Ten rezystor reguluje próg ochrony!
4) Teraz przykładamy sygnał z wyjścia wzmacniacza operacyjnego do odwrotności i porównujemy dwa sygnały: 3,1 V > 2,88 V. Na wejściu bezpośrednim (+) napięcie jest wyższe niż na wejściu odwrotnym (-), co oznacza, że prąd nie jest przekroczony, a wyjście jest logarytmiczne. 1 - sterowniki działają, ale nasza dioda LED1 nie świeci.
Teraz zwiększamy prąd do wartości >30A (przekręcamy R8 i zmniejszamy rezystancję) i patrzymy na wynik (klikalny obrazek):
Przyjrzyjmy się punktom naszej „logiki”:
1) Zmierzyliśmy prąd na boczniku i otrzymaliśmy 68,9 mV;
2) Wzmocniliśmy nasz sygnał współczynnikiem 50,78 i otrzymaliśmy 3,4 V na wyjściu wzmacniacza operacyjnego;
4) Teraz przykładamy sygnał z wyjścia wzmacniacza operacyjnego do odwrotności i porównujemy dwa sygnały: 3,1 V< 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.
Dlaczego sprzęt?
Odpowiedź na to pytanie jest prosta - każde programowalne rozwiązanie na MK, z zewnętrznym ADC itp. może po prostu „zamarznąć” i nawet jeśli jesteś dość kompetentnym twórcą oprogramowania i włączyłeś timer watchdoga i inny środek zapobiegający zamarzaniu zabezpieczenia - podczas przetwarzania Twoje urządzenie ulegnie spaleniu.Ochrona sprzętowa pozwala na wdrożenie systemu z wydajnością w ciągu kilku mikrosekund, a jeśli budżet na to pozwala, to w ciągu 100-200 ns, co generalnie wystarcza do każdego zadania. Ponadto ochrona sprzętu nie będzie mogła się zawiesić i uratuje urządzenie, nawet jeśli z jakiegoś powodu mikrokontroler sterujący lub procesor DSP zostanie zamrożony. Zabezpieczenie wyłączy sterownik, obwód sterujący po cichu uruchomi się ponownie, przetestuje sprzęt i albo zgłosi błąd, na przykład w Modbusie, albo uruchomi się, jeśli wszystko będzie dobrze.
Warto w tym miejscu zaznaczyć, że specjalistyczne sterowniki do budowy przetwornic mocy posiadają specjalne wejścia, które pozwalają sprzętowo wyłączyć generację sygnału PWM. Na przykład ukochany STM32 ma do tego wejście BKIN.
Osobno warto powiedzieć o czymś takim jak CPLD. W istocie jest to zestaw szybkich logiki, a jego niezawodność jest porównywalna z rozwiązaniem sprzętowym. Całkiem zdrowy rozsądek umieści na płytce mały CPLD i zaimplementuje w nim ochronę sprzętową, czas jałowy i inne przyjemności, jeśli mówimy o DC/DC lub jakimś rodzaju szaf sterowniczych. CPLD czyni to rozwiązanie bardzo elastycznym i wygodnym.
Epilog
To chyba wszystko. Mam nadzieję, że podobała Ci się lektura tego artykułu, który da Ci nową wiedzę lub odświeży starą. Zawsze staraj się przemyśleć z wyprzedzeniem, które moduły w Twoim urządzeniu warto zaimplementować sprzętowo, a które programowo. Często implementacja sprzętowa jest o rząd wielkości prostsza niż implementacja oprogramowania, co prowadzi do oszczędności czasu rozwoju i, co za tym idzie, jego kosztów.Forma artykułu bez sprzętu jest dla mnie nowością i bardzo proszę o wyrażenie swojej opinii w ankiecie.
W ankiecie mogą wziąć udział wyłącznie zarejestrowani użytkownicy. , Proszę.
Układ scalony (IC) KR142EN12A to regulowany stabilizator napięcia typu kompensacyjnego w pakiecie KT-28-2, który umożliwia zasilanie urządzeń prądem do 1,5 A w zakresie napięć 1,2...37 V Ten zintegrowany stabilizator posiada termicznie stabilną ochronę zgodnie z zabezpieczeniem przed zwarciem prądowym i wyjściowym.
Na bazie układu KR142EN12A można zbudować regulowany zasilacz, którego obwód (bez transformatora i mostka diodowego) pokazano na rysunku Ryc.2. Wyprostowane napięcie wejściowe jest dostarczane z mostka diodowego do kondensatora C1. Tranzystor VT2 i chip DA1 powinny znajdować się na chłodnicy.
Kołnierz radiatora DA1 jest elektrycznie podłączony do pinu 2, więc jeśli DAT i tranzystor VD2 znajdują się na tym samym radiatorze, to muszą być od siebie odizolowane.
W wersji autorskiej DA1 jest zainstalowany na osobnym małym grzejniku, który nie jest galwanicznie połączony z grzejnikiem i tranzystorem VT2. Moc wydzielana przez chip z radiatorem nie powinna przekraczać 10 W. Rezystory R3 i R5 tworzą dzielnik napięcia zawarty w elemencie pomiarowym stabilizatora. Stabilizowane napięcie ujemne -5 V doprowadzane jest do kondensatora C2 i rezystora R2 (służącego do wyboru stabilnego termicznie punktu VD1). W oryginalnej wersji napięcie dostarczane jest z mostka diodowego KTs407A i stabilizatora 79L05, zasilanego z osobnego. uzwojenie transformatora mocy.
Dla strażnika z zamknięcia obwodu wyjściowego stabilizatora wystarczy podłączyć równolegle kondensator elektrolityczny o pojemności co najmniej 10 μF z rezystorem R3, a rezystor bocznikowy R5 z diodą KD521A. Umiejscowienie części nie jest krytyczne, ale dla dobrej stabilności temperaturowej konieczne jest zastosowanie odpowiednich typów rezystorów. Powinny być umieszczone jak najdalej od źródeł ciepła. Ogólna stabilność napięcia wyjściowego składa się z wielu czynników i zwykle po rozgrzaniu nie przekracza 0,25%.
Po włączeniu i rozgrzewaniu urządzenia minimalne napięcie wyjściowe 0 V ustawia się za pomocą rezystora Rao6. Rezystory R2 ( Ryc.2) i rezystor Rno6 ( Ryc.3) muszą być trymerami wieloobrotowymi z serii SP5.
Możliwości prąd mikroukładu KR142EN12A jest ograniczony do 1,5 A. Obecnie w sprzedaży dostępne są mikroukłady o podobnych parametrach, ale zaprojektowane na wyższy prąd w obciążeniu, np. LM350 - dla prądu 3 A, LM338 - dla prądu 5 A. Ostatnio w sprzedaży pojawiły się importowane mikroukłady z serii LOW DROP (SD, DV, LT1083/1084/1085). Mikroukłady te mogą pracować przy obniżonym napięciu pomiędzy wejściem a wyjściem (do 1...1,3 V) i zapewniają stabilizowane napięcie wyjściowe w zakresie 1,25...30 V przy prądzie obciążenia 7,5/5/3 A, odpowiednio. Najbliższy krajowy analog pod względem parametrów, typ KR142EN22, ma maksymalny prąd stabilizacji 7,5 A. Przy maksymalnym prądzie wyjściowym producent gwarantuje tryb stabilizacji przy napięciu wejściowym-wyjściowym co najmniej 1,5 V. Mikroukłady również posiadają wbudowane zabezpieczenie przed nadmiernym prądem w obciążeniu o dopuszczalnej wartości oraz zabezpieczenie termiczne przed przegrzaniem obudowy. Stabilizatory te zapewniają niestabilność napięcia wyjściowego na poziomie 0,05%/V, niestabilność napięcia wyjściowego przy zmianie prądu wyjściowego z 10 mA do wartości maksymalnej nie gorszej niż 0,1%/V. NA Ryc.4 pokazuje obwód zasilania domowego laboratorium, który pozwala obejść się bez tranzystorów VT1 i VT2, pokazanych na Ryc.2.
Zamiast mikroukładu DA1 KR142EN12A zastosowano mikroukład KR142EN22A. Jest to regulowany stabilizator o niskim spadku napięcia, który pozwala uzyskać prąd do 7,5 A w obciążeniu. Na przykład napięcie wejściowe dostarczane do mikroukładu wynosi Uin = 39 V, napięcie wyjściowe przy obciążeniu Uout =. 30 V, prąd przy obciążeniu louf = 5 A, wówczas maksymalna moc wydzielana przez mikroukład przy obciążeniu wynosi 45 W. Kondensator elektrolityczny C7 służy do zmniejszenia impedancji wyjściowej przy wysokich częstotliwościach, a także zmniejsza napięcie szumu i poprawia wygładzanie tętnienia. Jeśli ten kondensator jest tantalem, jego pojemność nominalna musi wynosić co najmniej 22 μF, jeśli aluminium - co najmniej 150 μF. W razie potrzeby można zwiększyć pojemność kondensatora C7. Jeżeli kondensator elektrolityczny C7 znajduje się w odległości większej niż 155 mm i jest podłączony do źródła zasilania przewodem o przekroju mniejszym niż 1 mm, wówczas wymagany jest dodatkowy kondensator elektrolityczny o pojemności co najmniej 10 μF zainstalowany na płytce równolegle do kondensatora C7, bliżej samego mikroukładu. Pojemność kondensatora filtrującego C1 można określić w przybliżeniu przy szybkości 2000 μF na 1 A prądu wyjściowego (przy napięciu co najmniej 50 V). 
Aby zmniejszyć dryft temperaturowy napięcia wyjściowego, rezystor R8 musi być uzwojony drutem lub folią metalową z błędem nie większym niż 1%. Rezystor R7 jest tego samego typu co R8. Jeżeli dioda Zenera KS113A nie jest dostępna, można zastosować moduł pokazany na rysunku Ryc.3. Autor jest w pełni usatysfakcjonowany podanym rozwiązaniem układu zabezpieczającego, gdyż działa ono bez zarzutu i zostało sprawdzone w praktyce. Można zastosować dowolne rozwiązania obwodów zabezpieczających zasilanie, np. te zaproponowane w. W wersji autorskiej po zadziałaniu przekaźnika K1 styki K 1.1 zwierają rezystor R7, a napięcie na wyjściu zasilacza osiąga wartość 0 V. Płytka drukowana Zasilacz i rozmieszczenie elementów pokazano na rys. 5, wygląd BP – włączone Ryc.6.
