Мисля, че всеки радиолюбител, който редовно проектира електронни устройства, има регулирано захранване у дома. Нещото е наистина удобно и полезно, без което, след като го изпробвате в действие, става трудно. Всъщност, ако трябва да проверим например светодиод, ще трябва точно да зададем работното му напрежение, тъй като ако напрежението, подадено към светодиода, бъде значително превишено, последният може просто да изгори. Също така с цифрови схеми задаваме изходното напрежение на мултиметъра на 5 волта или всяко друго напрежение, от което се нуждаем, и продължаваме.

Много начинаещи радиолюбители първо сглобяват просто регулирано захранване, без да регулират изходния ток и без защита от късо съединение. Така беше и с мен, преди около 5 години сглобих просто захранване само с регулируемо изходно напрежение от 0,6 до 11 волта. Диаграмата му е показана на фигурата по-долу:

Но преди няколко месеца реших да надстроя това захранване и да добавя малка верига за защита от късо съединение към неговата верига. Намерих тази диаграма в един от броевете на списание Радио. При по-внимателно разглеждане се оказа, че веригата в много отношения напомня на горната електрическа схема на захранването, което сглобих по-рано. Ако има късо съединение в захранващата верига, светодиодът за късо съединение изгасва, сигнализирайки това и изходният ток става равен на 30 милиампера. Беше решено да взема част от тази схема и да я допълня със собствена, което направих. Оригиналната диаграма от списание Radio, която включва допълнение, е показана на фигурата по-долу:

Следващата снимка показва частта от тази верига, която ще трябва да бъде сглобена.

Стойността на някои части, по-специално на резисторите R1 и R2, трябва да се преизчисли нагоре. Ако някой все още има въпроси относно това къде да свържете изходните проводници от тази верига, ще предоставя следната фигура:

Ще добавя също, че в сглобената схема, независимо дали е първата верига или веригата от списанието Radio, трябва да поставите резистор 1 kOhm на изхода, между плюс и минус. На диаграмата от списание Radio това е резистор R6. Всичко, което остава, е да ецваме платката и да сглобим всичко заедно в кутията на захранването. Огледални дъски в програмата Спринт оформлениеняма нужда. Чертеж на платка за защита от късо съединение:

Преди около месец попаднах на диаграма на приставка за регулатор на изходен ток, която може да се използва заедно с това захранване. Взех го от този сайт. След това сглобих тази приставка в отделен калъф и реших да я свържа, ако е необходимо, за зареждане на батерии и подобни действия, при които наблюдението на изходния ток е важно. Ето диаграмата на приемника, транзисторът KT3107 в него е заменен с KT361.

Но по-късно ми хрумна идеята да обединя, за удобство, всичко това в една сграда. Отворих кутията на захранването и погледнах, нямаше достатъчно място, променливият резистор не влизаше. Схемата на регулатора на тока използва мощен променлив резистор, който има доста големи размери. Ето как изглежда:

Тогава реших просто да свържа двата корпуса с винтове, като направих връзката между платките с жици. Също така поставих превключвателя на две позиции: изход с регулируем ток и нерегулиран. В първия случай изходът от основната платка на захранването беше свързан към входа на токовия регулатор, а изходът на токовия регулатор отиде към скобите на корпуса на захранването, а във втория случай скобите бяха свързани директно към изхода от основната платка на захранването. Всичко това се превключваше с шест-пинов превключвател на 2 позиции. Ето чертеж на печатната платка на токовия регулатор:

На фигурата на печатната платка R3.1 и R3.3 показват първия и третия извод на променливия резистор, като се брои отляво. Ако някой иска да го повтори, ето диаграма за свързване на превключвател за превключване:

В архива са приложени печатни платки на захранването, вериги за защита и вериги за контрол на тока. Материалът е подготвен от АКВ.

Представен е дизайн на защита за всеки тип захранване. Тази защитна верига може да работи заедно с всяко захранване - мрежово, импулсно и DC батерии. Схематичното отделяне на такъв защитен блок е относително просто и се състои от няколко компонента.

Верига за защита на захранването

Захранващата част - мощен транзистор с полеви ефекти - не прегрява по време на работа, следователно не се нуждае и от радиатор. Веригата е в същото време защита срещу претоварване на мощността, претоварване и късо съединение на изхода, токът на работа на защитата може да бъде избран чрез избор на съпротивление на шунтовия резистор, в моя случай токът е 8 ампера, 6 резистора по 5 използвани са вата 0,1 Ohm, свързани паралелно. Шунтът може да бъде направен и от резистори с мощност 1-3 вата.

Защитата може да се регулира по-точно чрез избиране на съпротивлението на тримиращия резистор. Верига за защита на захранването, регулатор на ограничение на тока. Верига на защита на захранването, регулатор на ограничение на тока

~~~В случай на късо съединение и претоварване на изхода на уреда, защитата незабавно ще се задейства, изключвайки източника на захранване. LED индикатор ще покаже, че защитата е задействана. Дори ако изходът е накъсо за няколко десетки секунди, полевият транзистор остава студен

~~~Транзисторът с полеви ефекти не е критичен; всички превключватели с ток от 15-20 ампера или по-висок и работно напрежение от 20-60 волта са подходящи. Идеални са ключове от линията IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или по-мощни - IRF3205, IRL3705, IRL2505 и други подобни.

~~~Тази схема също е чудесна за защита на зарядно устройство за автомобилни акумулатори; ако полярността на връзката внезапно се обърне, нищо лошо няма да се случи на зарядното устройство; защитата ще спаси устройството в такива ситуации.

~~~Благодарение на бързата работа на защитата, тя може успешно да се използва за импулсни вериги; в случай на късо съединение защитата ще работи по-бързо, отколкото силовите превключватели на импулсното захранване имат време да изгорят. Схемата е подходяща и за импулсни инвертори, като токова защита. Ако има претоварване или късо съединение във вторичната верига на инвертора, силовите транзистори на инвертора незабавно излитат и такава защита ще предотврати това да се случи.

Коментари
Защита от късо съединение, обръщане на полярността и претоварване се сглобяват на отделна платка. Силовият транзистор е използван в серията IRFZ44, но при желание може да бъде заменен с по-мощен IRF3205 или с друг превключвател на захранването с подобни параметри. Можете да използвате ключове от линията IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 и други ключове с ток над 20 ампера. По време на работа полевият транзистор остава леден. следователно не се нуждае от радиатор.

Вторият транзистор също не е критичен, в моя случай беше използван биполярен транзистор с високо напрежение от серията MJE13003, но има голям избор. Защитният ток се избира въз основа на съпротивлението на шунт - в моя случай, 6 резистора 0,1 Ohm в паралел, защитата се задейства при натоварване от 6-7 ампера. Можете да го настроите по-точно, като завъртите променливия резистор, така че настроих работния ток на около 5 ампера.

Мощността на захранването е доста прилична, изходният ток достига 6-7 ампера, което е напълно достатъчно за зареждане на автомобилна батерия.
Избрах шунтиращи резистори с мощност 5 вата, но може и 2-3 вата.

Ако всичко е направено правилно, устройството започва да работи веднага, затворете изхода, трябва да светне светодиодът за защита, който ще свети, докато изходните проводници са в режим на късо съединение.
Ако всичко работи както трябва, тогава продължаваме по-нататък. Сглобяване на индикаторната верига.

Веригата е копирана от зарядно за акумулаторна отвертка.Червеният индикатор показва, че има изходно напрежение на изхода на захранването, зеленият индикатор показва процеса на зареждане. При това разположение на компонентите зеленият индикатор постепенно ще изгасне и накрая ще изгасне, когато напрежението на батерията е 12,2-12,4 волта; когато батерията е изключена, индикаторът няма да свети.

Високоскоростните защитни устройства, произведени от Bourns, са основен елемент за защита на радиоелектрониката (предимно телекомуникационни линии и интерфейси) от токови и напреженови пренапрежения, причинени от мълнии, къси съединения и комутационни смущения. Техните предимства са висока производителност, автономност, прецизни характеристики и широка честотна лента.

Устройствата TBU, произведени от Bourns, са предназначени за високоскоростна защита на електронно оборудване от гръмотевични разряди, късо съединение и въздействието на мрежовото напрежение върху шините за данни. TBU са изградени с помощта на MOSFET полупроводникова технология и са инсталирани на входа в последователна верига. Защитата реагира на претоварване както по ток, така и по напрежение. Това основно контролира тока, протичащ през линията. Ако входящият ток се повиши до граничното ниво и след това го надхвърли, TBU изключва напрежението от товара, осигурявайки ефективна бариера за разрушителните влияния, докато изчезнат. Когато нивото на входящия ток достигне стойността на тока на прекъсване, TBU работи за приблизително 1 µs и ограничава линейния ток до по-малко от 1 mA. Ако напрежението в TBU падне до нивото за нулиране на Vreset или по-ниско, устройството автоматично възстановява нормалната работа. Характерът на работата на TBU може да се види в характеристиката ток-напрежение (Фигура 1).

В момента се предлагат следните фамилии TBU: TBU-CA, TBU-DT, TBU-PL, P40 и P-G (P500-G, P850-G).

Таблица 1. Основни характеристики на семействата TBU

Име	Описание	Максимално импулсно напрежение (Vimp), V	Максимално RMS напрежение (Vrms), V	Напрежение за възстановяване (Vreset), V	Ток на задействане (Itrig), mA	Време за реакция (tblock), μs	Габаритни размери, мм	Работна температура (Trab), °С
	Единична двупосочна	250, 400, 500, 650, 850	100, 200, 250, 300, 425	12…20	50, 100, 200, 300, 500	1	6,5×4	-55…125
	Двойна еднопосочна	650, 850	300, 425	10…18	100, 200, 300, 500	1	5x5	-40…125
	Двойно двупосочно	500, 600, 750, 850	300, 350, 400, 425	12…20	100, 200	1	6,5×4	-55…125
		40	28	7	240	0,2	4x4	-40…85
P-G		500, 850	300, 425	22	100, 200	1	6x4

Основните им характеристики, разгледани в таблица 1, включват:

• Vimp – максимално напрежение на изключване при скок на напрежението с продължителност ≥1 μs;
• Vrms – максимално напрежение на изключване при излагане на променливо напрежение;
• Vreset – номинално напрежение за възстановяване;
• Itrig – работен ток;
• tblock – максимално време за преминаване от режим на работа в режим на блокиране;
• Twork – работна температура.

Отделно, серията може да се отбележи като най-бързата, но е значително по-ниска от всички останали по отношение на нивото на входящите напрежения. Основните разлики между серията TBU също включват посоката на предаване на сигнала, комбинацията от максимални напрежения и блокиращи токове и работни температурни условия. Двуканалните дизайни са подходящи за спестяване на място на дъската и лесна инсталация, но в случай на сериозна авария и необратима повреда на един от каналите, целият елемент ще изисква подмяна. Следователно двуканалните версии не са широко популярни, което не може да се каже за едноканалната двупосочна серия. Широка гама от диапазони на ток и напрежение, ниско съпротивление и промишлен температурен диапазон правят това семейство най-популярно в Русия и в света. Повечето типични схеми за защита на TBU, препоръчани от Bourns, използват .

Критерии за избор

Въпреки факта, че всички семейства TBU преследват една и съща цел - защита срещу пренапрежения на ток и напрежение, въпросът за правилния избор на защитното устройство е важен, тъй като в съвременната високопрецизна електроника дори лек излишък на работните параметри може да доведе до опустошителни последствия.

Алгоритъмът за избор може да бъде разделен на следните етапи:

• Определяне на пиков работен ток и максимална работна температура на околната среда. На този етап е необходимо да се направи справка с графиката на работния ток спрямо температурата, която е налична в документацията на продукта, за да се определи стойността на намаляването на TBU при конкретни условия на работа.
• Определяне на нивото на работното напрежение на устройството. Изборът на TBU трябва да бъде направен така, че декларираното му пробивно напрежение да е най-ниското сред наличните във фамилията, но в същото време да надвишава нормалното системно напрежение и допустимата му пулсация. Избраното устройство трябва също така да отговаря на изискванията за характеристики на натоварване.
• Избор на конкретен TBU артикул с максимално импулсно напрежение (Vimp), по-голямо от импулсното пробивно напрежение на използвания ограничител на напрежението от първа степен (например газоразрядник). Избраното устройство TBU трябва също така да има минимален ток на задействане Itrigger, по-голям от максималния пиков ток на защитената система, като се вземе предвид компенсирането на ефектите от околната температура.

В повечето случаи защитените вериги имат достатъчен ток, за да задействат TBU. Но ако защитената верига има висок импеданс, за да се гарантира, че защитата ще работи, струва си да поставите малък лавинен диод, свързан към земята след TBU. Този подход гарантира, че TBU изпълнява своите защитни функции.

Области на приложение и примери

Високата производителност позволява TBU да се използва за защита на скъпи чувствителни компоненти на електронни схеми, а ниската стойност на капацитета и широкият честотен диапазон (до 3 GHz) отварят пътя към високоскоростни приложения. TBU се използват широко в телекомуникационно оборудване, включително xDSL карти, POTS и xDSL комбинирани карти, аудио/VDSL карти, оборудване за мрежов достъп, оборудване за линии T1/E1 и T3/E3, защита на Ethernet портове, широколентови модеми и мрежови шлюзове, защитни модули и програмисти, промишлени уреди за управление и мониторинг, КИП. При разработването на такива устройства задължително изискване остава правилният избор на максимално номинално напрежение TBU, което не трябва да надвишава максималните работни параметри на защитаваното устройство. Оптималната защита комбинира TBU защитно устройство с варистор или газов разрядник. TVS супресорите също често се инсталират след TBU. Когато говорим за защита на телекомуникационно оборудване, директните или индуцирани мълниеносни разряди винаги се считат за основен увреждащ фактор. Огромна роля тук се дава на основните средства за гасене: заземителната верига, различни прекъсвачи на захранването, камери за гасене на искри и други компоненти. Но, като правило, остатъчните разряди с все още висока енергия проникват по-нататък, директно във веригите на устройството. Използването на многостепенна вторична защита, включително използването на Bourns TBU, намалява многократно риска от сериозна повреда на оборудването или напълно предотвратява злополуките. В такива ситуации е необходима защита за всички входящи/изходящи линии: коаксиални и мрежови конектори, контролни линии и т.н. Дори един незащитен порт може да причини широко разпространена повреда на цялото оборудване.

Също така силно уязвими, поради широкото им разпространение, са портовете RS-232, RS-485 и портовете с оптичен вход. За цялостна RS-232 защита, Bourns предлага следния дизайн, базиран на TBU-P850 (Фигура 2) или основа (Фигура 3).

RS-485 е по-модерен стандарт за предаване на данни. Няколко RS-485 терминала могат да работят заедно на една и съща шина. Двойният диод, показан на диаграмите по-долу, е проектиран да осигурява обща работа в диапазона от -7...12 V. Предлагат се две топологии на защита, също използващи TBU-P850 и (Фигури 4 и 5).

Развитието на средствата за измерване и управление на автомобилната електроника направи популярна CAN шината, за защитата на която има и схема, използваща TBU (Фигура 6).

Много популярен начин за свързване на две устройства със защита на входа и изхода остава верига, използваща оптична изолация. Препоръките за защита с помощта на TBU са показани на фигура 7.

Конкурентни предимства на TBU. Съответствие с приложимите изисквания и международни стандарти

Предимствата на TBU включват:

• проста и надеждна схема за защита;
• защита от пренапрежение и ток в един корпус;
• висока производителност;
• прецизно ограничаване на изходния ток и напрежение;
• самолечение;
• широка честотна лента без въвеждане на смущения в полезния сигнал (до 3 GHz);
• малки габаритни размери в корпуса на DFN;
• Съответствие с RoHS.

Тъй като основната област на използване на TBU е защитата на телекомуникационни линии, които в наше време са обект на високи изисквания за качество, скорост и ниво на въведени изкривявания, защитните устройства също трябва да отговарят на редица изисквания и международни стандарти. Най-известните и авторитетни днес са ITU (Международен съюз по телекомуникации) и Telcordia. Bourns участва в разработването на тези стандарти и произвежда компоненти, които са напълно съвместими с публикуваните нормативни изисквания. Между другото, устройствата TBU надхвърлят изискванията на Telcordia GR-1089 и ITU-T K.20, K.21, K.45, което им дава запас на безопасност за бъдещо нарастване на технологичните изисквания.

Заключение

Винаги си струва да помните, че защитата на веригата е сложно начинание и разчитането на който и да е вид защита е опасно. TBU, произведен от Bourns, е „отборен играч“ и може да разкрие напълно потенциала си само когато се използва заедно с допълнителни средства за защита: варистори, газоразрядници, TVS диоди, които от своя страна също трябва да бъдат правилно подбрани за правилна координация на защитата като цяло.

Най-популярните версии и деноминации на TBU винаги могат да бъдат намерени в складовете на официалния дистрибутор на Bourns - компанията COMPEL. В допълнение към складовите наличности COMPEL предлага доставки по поръчка, безплатни мостри, промоции. цени, техническа поддръжка и проектни доставки за вашето производство.

Литература

1. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/bourns_tbu_short_form.pdf
2. https://www.bourns.com/ProductLine.aspx?name=tbu
3. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/CP_cell_base_station_appnote.pdf.

Bourns пуска нови модели високоволтови PTVS диоди от серията S3, S6 и S10

PTVS (Power TVS) - високопрецизни двупосочни супресори за защита на устройства на мощни AC и DC линии от ефектите на електростатични разряди, електромагнитни импулси, комутационни смущения, индуцирани мълнии и други неща. И докато стандартните серии SMAJ и SMBJ са широко представени на пазара, само няколко предлагат мощни TVS решения. Новите модели PTVS осигуряват двупосочна защита при напрежения от 170...470 V. Оценени за излагане на стандартни импулси от 8/20 µs в съответствие с изискванията на IEC 61000-4-5. Силиконовата технология позволява ниски напрежения на затягане в сравнение с варисторите от метален оксид и гарантира стабилна работа при повишаване на температурата. Основното предимство на PTVS пред варистора се проявява именно при големи токове - напрежението на захващане на варистора се увеличава значително след токовия удар, докато на PTVS диода след много кратък удар пада до стойността на табелката и остава фиксирано. За варистор и PTVS с подобни работни характеристики тази разлика може да бъде двойна в полза на PTVS (не забравяйте, че говорим за стотици волта). Сериите PTVS S3, S6 и S10 се предлагат в корпуси с отвори и са съвместими с RoHS.

PTVS диодите са отлично решение за захранвания в телекомуникационно оборудване и други приложения, които са чувствителни към висок шум и смущения. Пускането на нови модели за сериите S3, S6 и S10 значително разширява обхвата на приложения за Bourns PTVS.

Днес моята статия ще бъде от изключително теоретичен характер, или по-скоро няма да съдържа „хардуер“, както в предишните статии, но не се разстройвайте - не е станала по-малко полезна. Факт е, че проблемът със защитата на електронните компоненти пряко засяга надеждността на устройствата, техния експлоатационен живот и следователно вашето важно конкурентно предимство - възможност за предоставяне на дългосрочна гаранция на продукта. Прилагането на защита се отнася не само за любимата ми силова електроника, но и за всяко устройство по принцип, така че дори ако проектирате IoT занаяти и имате скромните 100 mA, все пак трябва да разберете как да осигурите безпроблемна работа на вашето устройство .

Токовата защита или защитата от късо съединение (късо съединение) е може би най-често срещаният тип защита, тъй като пренебрегването по този въпрос причинява опустошителни последици в буквалния смисъл. Като пример предлагам да разгледаме стабилизатор на напрежение, който беше тъжен поради късо съединение:

Диагнозата тук е проста - възникна грешка в стабилизатора и във веригата започнаха да текат свръхвисоки токове; защитата трябваше да изключи устройството, но нещо се обърка. След като прочетете статията, струва ми се, че вие ​​сами ще можете да познаете какъв може да е проблемът.

Що се отнася до самия товар... Ако имате електронно устройство с размерите на кибритена кутия, няма такива токове, тогава не мислете, че не можете да станете толкова тъжни, колкото стабилизатора. Със сигурност не искате да изгаряте пакети от $10-$1000 чипове? Ако е така, тогава ви каня да се запознаете с принципите и методите за справяне с късо съединение!

Цел на статията

Насочвам статията си към хора, за които електрониката е хоби и начинаещи разработчици, така че всичко ще бъде разказано „с един поглед“ за по-смислено разбиране на случващото се. За тези, които искат академично докосване, отидете и прочетете всеки университетски учебник по електротехника + „класиката“ на Хоровиц, Хил „Изкуството на проектиране на вериги“.

Отделно бих искал да кажа, че всички решения ще бъдат базирани на хардуер, тоест без микроконтролери и други извращения. През последните години стана доста модерно да се програмира къде трябва и къде не трябва. Често наблюдавам текуща „защита“, която се реализира чрез просто измерване на ADC напрежението с някакъв arduino или микроконтролер, и след това устройствата все още се провалят. Горещо ви съветвам да не правите същото! Ще говоря за този проблем по-подробно по-късно.

Малко за токовете на късо съединение

За да започнете да измисляте методи за защита, първо трябва да разберете срещу какво се борим. Какво е „късо съединение“? Тук ще ни помогне любимият закон на Ом; разгледайте идеалния случай:

Просто? Всъщност тази схема е еквивалентната схема на почти всяко електронно устройство, тоест има източник на енергия, който я доставя на товара и той се нагрява и прави или не прави нещо друго.

Нека се съгласим, че мощността на източника позволява напрежението да бъде постоянно, т.е. „да не пада“ при всякакво натоварване. По време на нормална работа токът, действащ във веригата, ще бъде равен на:

А сега си представете, че чичо Вася хвърли гаечен ключ върху проводниците към електрическата крушка и натоварването ни намаля 100 пъти, тоест вместо R стана 0,01*R и с помощта на прости изчисления получаваме ток 100 пъти по-голям. Ако електрическата крушка е консумирала 5A, тогава токът от товара ще бъде около 500A, което е напълно достатъчно, за да разтопи ключа на чичо Вася. Сега едно малко заключение...

Късо съединение- значително намаляване на съпротивлението на натоварване, което води до значително увеличаване на тока във веригата.

Струва си да се разбере, че токовете на късо съединение обикновено са стотици и хиляди пъти по-големи от номиналния ток и дори кратък период от време е достатъчен, за да се повреди устройството. Тук мнозина вероятно ще си спомнят електромеханични защитни устройства („автоматични устройства“ и други), но всичко тук е много прозаично ... Обикновено битовият контакт е защитен от прекъсвач с номинален ток 16A, тоест ще настъпи изключване при 6-7 пъти ток, който вече е около 100А. Захранването на лаптопа е с мощност около 100 W, тоест токът е по-малък от 1A. Дори ако възникне късо съединение, машината няма да го забележи дълго време и ще изключи товара само когато всичко вече е изгоряло. Това е повече противопожарна защита, отколкото защита на оборудването.

Сега нека да разгледаме друг често срещан случай - чрез ток. Ще го покажа на примера на DC/DC преобразувател със синхронна долна топология, всички MPPT контролери, много LED драйвери и мощни DC/DC преобразуватели на платките са изградени точно върху него. Нека да разгледаме веригата на преобразувателя:

Диаграмата показва две опции за свръхток: зелен пътза „класическо“ късо съединение, когато има намаляване на съпротивлението на натоварване (например „сополи“ между пътища след запояване) и оранжев път. Кога може да тече ток през оранжевия път? Мисля, че много хора знаят, че съпротивлението на отворения канал на транзистора с полеви ефекти е много малко, в съвременните транзистори с ниско напрежение то е 1-10 mOhm. Сега нека си представим, че PWM с високо ниво дойде до ключовете едновременно, тоест и двата ключа са отворени, за източника "VCCIN - GND" това е еквивалентно на свързване на товар със съпротивление от около 2-20 mOhm! Нека приложим великия и могъщ закон на Ом и да получим стойност на тока от повече от 250A дори при 5V захранване! Въпреки че не се притеснявайте, няма да има такъв ток - компонентите и проводниците на печатната платка ще изгорят по-рано и ще прекъснат веригата.

Тази грешка много често възниква в енергийната система и особено в силовата електроника. Това може да възникне по различни причини, например поради грешки в управлението или дългосрочни преходни процеси. В последния случай дори „мъртвото време“ във вашия конвертор няма да помогне.

Мисля, че проблемът е ясен и познат на много от вас, вече е ясно какво трябва да се реши и остава само да разберем КАК. За това ще бъде следващата история.

Принцип на действие на токова защита

Тук трябва да приложите обикновена логика и да видите причинно-следствената връзка:
1) Основният проблем е големият ток във веригата;
2) Как да разбера каква текуща стойност? -> Измерете го;
3) Измерена и получена стойност -> Сравнете я с определената приемлива стойност;
4) Ако стойността е надвишена -> Изключете товара от източника на ток.

Измерете тока -> Разберете дали допустимият ток е превишен -> Изключете товара

Абсолютно всяка защита, не само текущата, се изгражда по този начин. В зависимост от физическата величина, върху която се изгражда защитата, по пътя на реализацията ще възникнат различни технически проблеми и методи за тяхното решаване, но същността остава непроменена.

Сега предлагам да преминем през цялата верига за сигурност, за да разрешим всички технически проблеми, които възникват. Добрата защита е тази, която е планирана предварително и работи. Това означава, че не можем без моделиране, ще използвам популярния и безплатен MultiSIM Син, който се популяризира активно от Mouser. Можете да го изтеглите оттам - връзка. Също така ще кажа предварително, че в рамките на тази статия няма да се задълбочавам в схемата и да запълвам главата ви с ненужни неща на този етап, просто знайте, че всичко ще бъде малко по-сложно в реалния хардуер.

Текущо измерване

Това е първата точка в нашата верига и вероятно най-лесната за разбиране. Има няколко начина за измерване на ток във верига и всеки има своите предимства и недостатъци; кой да използвате конкретно във вашата задача, зависи от вас да решите. Аз ще ви разкажа, въз основа на моя опит, точно за тези предимства и недостатъци. Някои от тях са „общоприети“, а други са моите мирогледи; моля, имайте предвид, че дори не се опитвам да се преструвам на някаква истина.

1) Токов шунт. Основата на основите „работи“ върху същия велик и мощен закон на Ом. Най-простият, най-евтиният, най-бързият и като цяло най-добрият метод, но с редица недостатъци:

а) Няма галванична изолация. Ще трябва да го внедрите отделно, например с помощта на високоскоростен оптрон. Това не е трудно за изпълнение, но изисква допълнително пространство на платката, отделен DC/DC и други компоненти, които струват пари и добавят общи размери. Въпреки че галваничната изолация не винаги е необходима, разбира се.

Б) При високи токове глобалното затопляне се ускорява. Както писах по-рано, всичко „работи“ по закона на Ом, което означава, че нагрява и затопля атмосферата. Това води до намаляване на ефективността и необходимостта от охлаждане на шунта. Има начин да се минимизира този недостатък - да се намали съпротивлението на шунта. За съжаление не може да се намалява безкрайно и изобщо Не бих препоръчал намаляването му до по-малко от 1 mOhm, ако все още имате малко опит, тъй като възниква необходимостта от борба с смущенията и изискванията към етапа на проектиране на печатната платка се увеличават.

В моите устройства обичам да използвам тези шунтове PA2512FKF7W0R002E:

Измерването на тока се извършва чрез измерване на спада на напрежението в шунта, например, когато през шунта протича ток от 30 A, ще има спад:

Тоест, когато получим спад от 60 mV на шунта, това ще означава, че сме достигнали лимита и ако спадът се увеличи още, тогава ще трябва да изключим устройството или товара. Сега нека изчислим колко топлина ще бъде отделена на нашия шунт:

Не малко, нали? Тази точка трябва да се вземе предвид, тъй като Максималната мощност на моя шунт е 2 W и не може да бъде превишена, а също така не трябва да запоявате шунтите с нискотопим припой - може да се отлепи, виждал съм и това.

• Използвайте шунтове, когато имате високо напрежение и не много високи токове
• Следете количеството топлина, генерирано от шунт
• Използвайте шунтове там, където се нуждаете от максимална производителност
• Използвайте шунтове само от специални материали: константан, манганин и други подобни

2) Токови сензори с ефект на Хол. Тук ще си позволя собствена класификация, която напълно отразява същността на различните решения за този ефект, а именно: евтиноИ скъпо.

а) Евтини, например ACS712 и други подобни. Сред предимствата мога да отбележа лекотата на използване и наличието на галванична изолация, но тук предимствата свършват. Основният недостатък е изключително нестабилното поведение под въздействието на радиочестотни смущения. Всеки DC/DC или мощен реактивен товар е смущение, тоест в 90% от случаите тези сензори са безполезни, защото "полудяват" и по-скоро показват времето на Марс. Но не напразно са направени?

Галванично изолирани ли са и могат да измерват големи токове? да Не харесвате намеса? Да също. Къде да ги поставим? Точно така, в система за мониторинг с ниска отговорност и за измерване на консумацията на ток от батериите. Имам ги в инвертори за слънчеви електроцентрали и вятърни електроцентрали за качествена оценка на консумацията на ток от батерията, което ви позволява да удължите жизнения цикъл на батериите. Тези сензори изглеждат така:

Б) скъпо. Те имат всички предимства на евтините, но нямат техните недостатъци. Пример за такъв сензор LEM LTS 15-NP:

Какво имаме в резултат:
1) Висока производителност;
2) Галванична изолация;
3) Лекота на използване;
4) Големи измерени токове независимо от напрежението;
5) Висока точност на измерване;
6) Дори „злите“ EMP не пречат на работата; влияят на точността.

Но какъв е минусът тогава? Отворилите горния линк ясно го видяха - това е цената. 18 долара, Карл! И дори за серия от 1000+ броя, цената няма да падне под $10, а реалната покупка ще бъде $12-13. Не можете да инсталирате това в захранващ блок за няколко долара, но бих го искал... Обобщете:

А) Това е принципно най-доброто решение за измерване на ток, но скъпо;
б) Използвайте тези сензори при тежки работни условия;
в) Използвайте тези сензори в критични компоненти;
г) Използвайте ги, ако вашето устройство струва много пари, например UPS 5-10 kW, където определено ще се оправдае, защото цената на устройството ще бъде няколко хиляди долара.

3) Настоящ трансформатор. Стандартно решение в много устройства. Има два минуса - не работят с постоянен ток и имат нелинейни характеристики. Плюсове - евтини, надеждни и можете да измервате огромни токове. Именно на токови трансформатори са изградени системи за автоматизация и защита в предприятия RU-0,4, 6, 10, 35 kV и там хиляди ампера са съвсем нормални.

Честно казано, гледам да не ги използвам, защото не ги харесвам, но все пак ги използвам в различни контролни шкафове и други системи за променлив ток, т.к. Те струват няколко долара и осигуряват галванична изолация, а не $15-20 като LEM и изпълняват задачата си перфектно в 50 Hz мрежа. Те обикновено изглеждат така, но се появяват и на всички видове EFD ядра:

Може би можем да приключим с настоящите методи за измерване. Говорих за основните, но разбира се не всички. За да разширите собствените си хоризонти и знания, съветвам ви поне да потърсите в Google и да разгледате различни сензори на един и същ digikey.

Измерено усилване при падане на напрежението

По-нататъшното изграждане на системата за защита ще се основава на шунт като датчик за ток. Нека изградим система с предварително обявената стойност на тока от 30А. На шунта получаваме спад от 60 mV и тук възникват 2 технически проблема:

А) Неудобно е да се измерва и сравнява сигнал с амплитуда 60 mV. ADC обикновено имат диапазон на измерване от 3,3 V, тоест с 12 бита капацитет получаваме стъпка на квантуване:

Това означава, че за диапазона от 0-60 mV, което съответства на 0-30A, ще получим малък брой стъпки:

Откриваме, че дълбочината на измерване ще бъде само:

Струва си да се разбере, че това е идеализирана фигура и в действителност те ще бъдат многократно по-лоши, защото... Самото ADC има грешка, особено около нулата. Разбира се, няма да използваме ADC за защита, но ще трябва да измерим тока от същия шунт, за да изградим система за управление. Тук задачата беше ясно да се обясни, но това важи и за компараторите, които в областта на земния потенциал (обикновено 0V) работят много нестабилно, дори релса към релса.

Б) Ако искаме да прокараме сигнал с амплитуда 60 mV през платката, тогава след 5-10 см от него няма да остане нищо поради смущения и в момента на късо съединение определено няма да се налага разчитайте на това, защото EMR ще се увеличи допълнително. Разбира се, можете да окачите защитната верига директно на крака на шунта, но няма да се отървем от първия проблем.

За да разрешим тези проблеми, се нуждаем от операционен усилвател (op-amp). Няма да говоря за това как работи - темата лесно се търси в Google, но ще говорим за критичните параметри и избора на оп-усилвател. Първо, нека дефинираме схемата. Казах, че тук няма да има някакви специални изящества, така че нека покрием операционния усилвател с отрицателна обратна връзка (NFB) и да вземем усилвател с известно усилване. Ще моделирам това действие в MultiSIM (картината може да се кликне):

Можете да изтеглите файла за симулацията у дома - .

Източникът на напрежение V2 действа като наш шунт или по-скоро симулира спада на напрежението в него. За по-голяма яснота избрах стойност на спад от 100 mV, сега трябва да усилим сигнала, за да го преместим към по-удобно напрежение, обикновено между 1/2 и 2/3 V реф. Това ще ви позволи да получите голям брой стъпки на квантуване в текущия диапазон + оставете резерв за измервания, за да прецените колко лошо е всичко и да изчислите текущото време на нарастване, това е важно в сложни системи за контрол на реактивно натоварване. Печалбата в този случай е равна на:

Така имаме възможност да усилим сигнала си до необходимото ниво. Сега нека да разгледаме на какви параметри трябва да обърнете внимание:

• Операционният усилвател трябва да е rail-to-rail, за да се справя адекватно със сигнали близо до земен потенциал (GND)
• Струва си да изберете операционен усилвател с висока скорост на нарастване на изходния сигнал. За любимия ми OPA376 този параметър е 2V/µs, което ви позволява да постигнете максимална изходна стойност на операционния усилвател, равна на VCC 3,3V само за 2 µs. Тази скорост е напълно достатъчна, за да спести всеки конвертор или товар с честоти до 200 kHz. Тези параметри трябва да бъдат разбрани и включени при избора на операционен усилвател, в противен случай има шанс да поставите операционен усилвател за $10, където би бил достатъчен усилвател за $1
• Избраната от операционния усилвател честотна лента трябва да бъде поне 10 пъти по-голяма от максималната честота на превключване на товара. Отново потърсете „златната среда“ в съотношението цена/производителност, всичко е добро в умерени количества

В повечето от моите проекти използвам операционен усилвател от Texas Instruments - OPA376, характеристиките му на работа са достатъчни, за да реализират защита в повечето задачи и цената от $1 е доста добра. Ако имате нужда от по-евтино, тогава погледнете решения от ST, а ако още по-евтино, тогава в Microchip и Micrel. По религиозни причини ползвам само TI и Linear, защото ми харесва и спя по-спокойно.

Добавяне на реализъм към системата за сигурност

Нека сега добавим шунт, товар, източник на захранване и други атрибути в симулатора, които ще доближат нашия модел до реалността. Полученият резултат изглежда така (изображение с възможност за кликване):

Можете да изтеглите симулационния файл за MultiSIM - .

Тук вече виждаме нашия шунт R1 със съпротивление от същите 2 mOhm, избрах източник на захранване от 310V (ректифицирана мрежа) и товарът за него е резистор 10,2 Ohm, който отново, според закона на Ом, ни дава ток :

Както можете да видите, предварително изчислените 60 mV падат на шунта и ние го усилваме с усилването:

На изхода получаваме усилен сигнал с амплитуда 3.1V. Съгласете се, можете да го подадете към ADC, към компаратора и да го плъзнете през дъската 20-40 mm без никакви страхове или влошаване на стабилността. Ще продължим да работим с този сигнал.

Сравняване на сигнали с помощта на компаратор

Компаратор- това е схема, която приема 2 сигнала като вход и ако амплитудата на сигнала на директния вход (+) е по-голяма от тази на обратния вход (-), тогава на изхода се появява лог. 1 (VCC). В противен случай регистрирайте. 0 (GND).

Формално всеки оп-усилвател може да бъде включен като компаратор, но такова решение по отношение на характеристиките на производителността ще бъде по-ниско от компаратора по отношение на скоростта и съотношението цена / резултат. В нашия случай, колкото по-висока е производителността, толкова по-голяма е вероятността защитата да има време да работи и да запази устройството. Обичам да използвам компаратор, пак от Texas Instruments - LMV7271. На какво трябва да обърнете внимание:

• Забавянето на реакцията всъщност е основният ограничител на скоростта. За споменатия по-горе компаратор това време е около 880 ns, което е доста бързо и в много задачи е донякъде излишно на цена от $2 и можете да изберете по-оптимален компаратор
• Отново ви съветвам да използвате rail-to-rail компаратор, в противен случай изходът няма да бъде 5V, а по-малко. Симулаторът ще ви помогне да проверите това; изберете нещо, което не е rail-to-rail, и експериментирайте. Сигналът от компаратора обикновено се подава към входа за грешка на драйвера (SD) и би било хубаво там да има стабилен TTL сигнал
• Изберете компаратор с двутактов изход, а не отворен дрейн и други. Това е удобно и имаме предвидени характеристики на производителност за изхода

Сега нека добавим компаратор към нашия проект в симулатора и да разгледаме работата му в режим, когато защитата не е работила и токът не надвишава аварийния (кликнато изображение):

Можете да изтеглите файла за симулация в MultiSIM - .

Какво ни трябва... Ако токът надвишава 30А, е необходимо да има лог на изхода на компаратора. 0 (GND), този сигнал ще подаде SD или EN входа на драйвера и ще го изключи. В нормално състояние изходът трябва да бъде дневник. 1 (5V TTL) и включете драйвера на превключвателя на захранването (например „народния“ IR2110 и по-малко древните).

Да се ​​върнем към нашата логика:
1) Измерихме тока на шунта и получихме 56,4 mV;
2) Усилихме нашия сигнал с коефициент 50,78 и получихме 2,88 V на изхода на операционния усилвател;
3) Прилагаме референтен сигнал, с който ще сравняваме към директния вход на компаратора. Настройваме го с помощта на разделител на R2 и го настройваме на 3.1V - това съответства на ток от приблизително 30A. Този резистор регулира прага на защита!
4) Сега прилагаме сигнала от изхода на операционния усилвател към обратния и сравняваме двата сигнала: 3,1 V > 2,88 V. При директния вход (+) напрежението е по-високо, отколкото при обратния вход (-), което означава, че токът не е превишен и изходът е log. 1 - драйверите работят, но нашият LED1 не свети.

Сега увеличаваме тока до стойност от >30A (завъртете R8 и намалете съпротивлението) и вижте резултата (изображение с възможност за щракване):

Нека прегледаме точките от нашата „логика“:
1) Измерихме тока на шунта и получихме 68,9 mV;
2) Усилихме нашия сигнал с коефициент 50,78 и получихме 3,4 V на изхода на операционния усилвател;
4) Сега прилагаме сигнала от изхода на операционния усилвател към обратния и сравняваме двата сигнала: 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.

Защо хардуер?

Отговорът на този въпрос е прост - всяко програмируемо решение на MK, с външен ADC и т.н., може просто да „замръзне“ и дори ако сте доста компетентен писател на софтуер и сте включили таймер за наблюдение и други антифриз защити - докато всичко се обработва, вашето устройство ще изгори.

Хардуерната защита ви позволява да внедрите система с производителност в рамките на няколко микросекунди и ако бюджетът позволява, тогава в рамките на 100-200 ns, което обикновено е достатъчно за всяка задача. Освен това хардуерната защита няма да може да замръзне и ще спаси устройството, дори ако по някаква причина вашият управляващ микроконтролер или DSP са замръзнали. Защитата ще изключи драйвера, вашата управляваща верига тихо ще се рестартира, ще тества хардуера и или ще докладва за грешка, например в Modbus, или ще стартира, ако всичко е наред.

Тук си струва да се отбележи, че специализираните контролери за изграждане на преобразуватели на мощност имат специални входове, които ви позволяват да деактивирате генерирането на PWM сигнал в хардуера. Например, любимият STM32 има BKIN вход за това.

Отделно си струва да се каже за такова нещо като CPLD. По същество това е набор от високоскоростна логика и неговата надеждност е сравнима с хардуерно решение. Съвсем разумно би било да се сложи малък CPLD на платката и да се внедрят хардуерна защита, deadtime и други удобства, ако говорим за dc/dc или някакви контролни шкафове. CPLD прави това решение много гъвкаво и удобно.

Епилог

Това е може би всичко. Надявам се да ви е харесало четенето на тази статия и тя ще ви даде някои нови знания или ще освежите стари. Винаги се опитвайте да мислите предварително кои модули във вашето устройство трябва да бъдат внедрени хардуерно и кои софтуерно. Често хардуерното внедряване е с порядъци по-просто от софтуерното и това води до спестяване на време за разработка и съответно на неговата цена.

Форматът на статия без хардуер е нов за мен и бих искал да ви помоля да изразите мнението си в анкетата.

В анкетата могат да участват само регистрирани потребители. , Моля те.

Много домашни модули имат недостатъка, че нямат защита срещу обратна полярност на захранването. Дори опитен човек може по невнимание да обърка полярността на захранването. И има голяма вероятност след това зарядното устройство да стане неизползваемо.

Тази статия ще обсъди 3 опции за защита срещу обратен поляритет, които работят безупречно и не изискват никакви настройки.

Опция 1

Тази защита е най-простата и се различава от подобни по това, че не използва никакви транзистори или микросхеми. Релета, диодна изолация - това са всички негови компоненти.

Схемата работи по следния начин. Минусът във веригата е често срещан, така че ще се вземе предвид положителната верига.

Ако към входа няма свързана батерия, релето е в отворено състояние. Когато батерията е свързана, плюсът се подава през диода VD2 към намотката на релето, в резултат на което контактът на релето се затваря и основният заряден ток протича към батерията.

В същото време зеленият LED индикатор светва, което показва, че връзката е правилна.

И ако сега извадите батерията, тогава ще има напрежение на изхода на веригата, тъй като токът от зарядното устройство ще продължи да тече през диода VD2 към намотката на релето.

Ако полярността на свързване е обърната, диодът VD2 ще бъде заключен и към намотката на релето няма да се подава захранване. Релето няма да работи.

В този случай ще светне червеният светодиод, който умишлено е свързан неправилно. Това ще покаже, че полярността на връзката на батерията е неправилна.

Диодът VD1 предпазва веригата от самоиндукция, която възниква, когато релето е изключено.

Ако такава защита се въведе в , струва си да вземете реле 12 V. Допустимият ток на релето зависи само от мощността . Средно си струва да използвате реле 15-20 A.

Тази схема все още няма аналози в много отношения. Едновременно предпазва от обръщане на захранването и късо съединение.

Принципът на работа на тази схема е следният. По време на нормална работа плюсът от източника на захранване през светодиода и резистора R9 отваря транзистора с полеви ефекти, а минусът през отворения преход на „превключвателя на полето“ отива към изхода на веригата към батерията.

Когато възникне обръщане на полярността или късо съединение, токът във веригата се увеличава рязко, което води до спад на напрежението през „превключвателя на полето“ и през шунта. Този спад на напрежението е достатъчен, за да задейства транзистора с ниска мощност VT2. Отваряйки, последният затваря транзистора с полеви ефекти, затваряйки портата към земята. В същото време светодиодът светва, тъй като захранването за него се осигурява от отворения преход на транзистора VT2.

Благодарение на високата си скорост на реакция, тази верига гарантира защита за всеки проблем на изхода.

Веригата е много надеждна при работа и може да остане в защитено състояние за неопределено време.

Това е особено проста схема, която дори не може да се нарече верига, тъй като използва само 2 компонента. Това е мощен диод и предпазител. Тази опция е доста жизнеспособна и дори се използва в индустриален мащаб.

Захранването от зарядното устройство се подава към батерията чрез предпазителя. Предпазителят се избира въз основа на максималния ток на зареждане. Например, ако токът е 10 A, тогава е необходим предпазител 12-15 A.

Диодът е свързан паралелно и е затворен при нормална работа. Но ако полярността е обърната, диодът ще се отвори и ще възникне късо съединение.

И предпазителят е слабото звено в тази верига, което ще изгори в същия момент. След това ще трябва да го промените.

Диодът трябва да бъде избран според листа с данни въз основа на факта, че максималният му краткотраен ток е няколко пъти по-голям от тока на изгаряне на предпазителя.

Тази схема не осигурява 100% защита, тъй като има случаи, когато зарядното устройство изгаря по-бързо от предпазителя.

Долен ред

От гледна точка на ефективност първата схема е по-добра от останалите. Но от гледна точка на гъвкавостта и скоростта на реакция най-добрият вариант е схема 2. Е, третият вариант често се използва в промишлен мащаб. Този тип защита може да се види например на всяко автомобилно радио.

Всички вериги, с изключение на последната, имат функция за самовъзстановяване, т.е. работата ще бъде възстановена веднага след отстраняване на късото съединение или промяна на полярността на връзката на батерията.

Прикачени файлове:

Как да направите обикновена Power Bank със собствените си ръце: диаграма на домашна Power Bank