Пристрій захисту для будь-якого блоку живлення. Захист блоку живлення від кз. Схема захисту від короткого замикання

Пристроїв необхідний блок живлення (БП), в якому є регулювання вихідної напруги і можливість регулювання рівня спрацьовування захисту від перевищення по току в широких межах. При спрацьовуванні захисту, навантаження (підключений пристрій) повинна автоматично відключатися.

Пошук в інтернеті дав декілька відповідних схем блоків живлення. Зупинився на одній з них. Схема проста у виготовленні і налагодженні, складається з доступних деталей, виконує заявлені вимоги.

Пропонований до виготовлення блок живлення виконаний на базі операційного підсилювача LM358 і має наступні характеристики:
Вхідна напруга, В - 24 ... 29
Вихідна стабілізована напруга, В - 1 ... 20 (27)
Струм спрацьовування захисту, А - 0,03 ... 2,0

Фото 2. Схема БП

Опис роботи БП

Регульований стабілізатор напруги зібраний на операційному підсилювачі DA1.1. На вхід підсилювача (висновок 3) надходить зразкове напруга з движка змінного резистора R2, за стабільність якого відповідає стабілітрон VD1, а на інвертується вхід (висновок 2) напруга надходить з емітера транзистора VT1 через дільник напруги R10R7. За допомогою змінного резистора R2, можна змінювати вихідна напруга БП.
Блок захисту від перевантажень по струму виконаний на операційному підсилювачі DA1.2, він порівнює напруги на входах ОУ. На вхід 5 через резистор R14 надходить напругу з датчика струму навантаження - резистора R13. На інвертується вхід (висновок 6) надходить зразкове напруга, за стабільність якого відповідає діод VD2 з напругою стабілізації близько 0,6 в.

Поки падіння напруги, створюване струмом навантаження на резисторі R13, менше зразкового, напруга на виході (висновок 7) ОУ DA1.2 близько до нуля. У тому випадку, якщо струм навантаження перевищить допустимий встановлений рівень, збільшиться напруга на датчику струму і напруга на виході ОУ DA1.2 зросте практично до напруги харчування. При цьому включиться світлодіод HL1, сигналізуючи про перевищення, відкриється транзистор VT2, шунтуючи стабілітрон VD1 резистором R12. Внаслідок чого, транзистор VT1 закриється, вихідна напруга БП зменшиться практично до нуля і навантаження відключиться. Для включення навантаження потрібно натиснути на кнопку SА1. Регулювання рівня захисту виконується за допомогою змінного резистора R5.

виготовлення БП

1. Основу блоку живлення, його вихідні характеристики визначає джерело струму - застосовуваний трансформатор. У моєму випадку знайшов застосування тороидальний трансформатор від пральної машини. Трансформатор має дві вихідні обмотки на 8в і 15в. Поєднавши обидві обмотки послідовно і додавши випрямний міст на наявних під рукою діодах середньої потужності КД202М, отримав джерело постійної напруги 23в, 2а для БП.

Фото 3. Трансформатор і випрямляючий міст.

2. Інший визначальною частиною БП є корпус приладу. В даному випадку знайшов застосування дитячий діапроектор заважає в гаражі. Видаливши зайве і обробивши в передній частині отвори для установки показує микроамперметра, вийшла заготівля корпусу БП.

Фото 4. Заготівля корпусу БП

3. Монтаж електронної схеми виконаний на універсальної монтажної плати розміром 45 х 65 мм. Компонування деталей на платі залежить від розмірів, знайдених в господарстві компонентів. Замість резисторів R6 (настройка струму спрацьовування) і R10 (обмеження максимальної напруги на виході) на платі встановлені підлаштування резистори зі збільшеним в 1,5 рази номіналом. Після закінчення налаштування БП їх можна замінити на постійні.

Фото 5. Монтажна плата

4. Складання плати і виносних елементів електронної схеми в повному обсязі для випробування, налаштування та регулювання вихідних параметрів.

Фото 6. Вузол керування БП

5. Виготовлення та підгонка шунта і додаткового опору для використання микроамперметра як амперметра або вольтметра БП. Додаткове опір складається з послідовно з'єднаних постійного і підлаштування резисторів (на фото зверху). Шунт (на фото нижче) включається в основну ланцюг струму і складається з проводу з малим опором. Перетин дроту визначається максимальним вихідним струмом. При вимірюванні сили струму, прилад підключається паралельно шунту.

Фото 7. Мікроамперметр, шунт і додатковий опір

Підгонка довжини шунта і величини додаткового опору проводиться при відповідному підключенні до приладу з контролем на відповідність по мультиметру. Перемикання приладу в режим Амперметр / Вольтметр виконується тумблером відповідно до схеми:

Фото 8. Схема перемикання режиму контролю

6. Розмітка і обробка лицьової панелі БП, монтаж виносних деталей. В даному варіанті на лицьову панель винесено мікроамперметр (тумблер перемикання режиму контролю A / V праворуч від приладу), вихідні клеми, регулятори напруги і струму, індикатори режиму роботи. Для зменшення втрат і в зв'язку з частим використанням, додатково виведений окремий стабілізований вихід 5 ст. Для чого напруга, від обмотки трансформатора на 8в, подається на другий випрямляючий міст і типову схему на 7805 має вбудований захист.

Фото 9. Лицьова панель

7. Складання БП. Всі елементи БП встановлюються в корпус. В даному варіанті, радіатором керуючого транзистора VT1 служить алюмінієва пластина товщиною 5 мм, закріплена у верхній частині кришки корпусу, який служить додатковим радіатором. Транзистор закріплений на радіаторі через електроізолюючими прокладку.

Сьогодні моя стаття буде носити виключно теоретичний характер, вірніше в ній не буде «заліза» як в попередніх статтях, але не турбуйтеся - менш корисною вона не стала. Справа в тому, що проблема захисту електронних вузлів безпосередньо впливає на надійність пристроїв, їх ресурс, а значить і на ваше важливу конкурентну перевагу - можливість давати тривалу гарантію на продукцію. Реалізація захисту стосується не тільки моєї улюбленої силової електроніки, але і будь-якого пристрою в принципі, тому навіть якщо ви проектуєте IoT-вироби і у вас скромні 100 мА - вам все одно потрібно розуміти як забезпечити безвідмовну роботу свого пристрою.

Захист по струму або захист від короткого замикання (КЗ) - напевно найпоширеніший вид захисту тому, що нехтування в даному питанні викликає руйнівні наслідки в прямому сенсі. Для прикладу пропоную подивитися на стабілізатор напруги, якому стало сумно від виниклого КЗ:

Діагноз тут простий - в стабілізаторі виникла помилка і в ланцюзі почали протікати надвисокі струми, по хорошому захист мав відключити пристрій, але щось пішло не так. Після ознайомлення зі статтею мені здається ви і самі зможете припустити в чому могла бути проблема.

Що стосується самої навантаження ... Якщо у вас електронний пристрій розміром із сірникову коробку, немає таких струмів, то не думайте, що вам не може стати так само сумно, як стабілізатора. Напевно вам не хочеться спалювати пачками мікросхеми по 10-1000 $? Якщо так, то запрошую до ознайомлення з принципами і методами боротьби з короткими замиканнями!

мета статті

Свою статтю я орієнтую на людей для яких електроніка це хобі і початківців розробників, тому все буде розповідатися «на пальцях» для більш осмисленого розуміння того, що відбувається. Для тих, кому хочеться академічності - йдемо і читаємо будь вузівських підручників по електротехніки + «класику» Хоровіца, Хілла «Мистецтво схемотехніки».

Окремо хотілося сказати про те, що всі рішення будуть апаратними, тобто без мікроконтролерів і інших збочень. В останні роки стало зовсім модно програмувати там де треба і не треба. Часто спостерігаю «захист» по току, яка реалізується банальним виміром напруги АЦП який-небудь arduino або мікро контролером, а потім пристрою все одно виходять з ладу. Я настійно не раджу вам робити так само! Про цю проблему я ще далі розповім більш докладно.

Трохи про токах короткого замикання

Для того, щоб почати вигадувати методи захисту, потрібно спочатку зрозуміти з чим ми взагалі боремося. Що ж таке «коротке замикання»? Тут нам допоможе улюблений закон Ома, розглянемо ідеальний випадок:

Просто? Власне дана схема є еквівалентною схемою практично будь-якого електронного пристрою, тобто є джерело енергії, який віддає її в навантаження, а та гріється і щось ще робить чи не робить.

Домовимося, що потужність джерела дозволяє напрузі бути постійним, то тобто «не просідати» під будь-яким навантаженням. При нормальній роботі струм, що діє в ланцюзі, буде дорівнює:

Тепер уявімо, що дядько Вася впустив гайковий ключ на дроти що йдуть до лампочки і наша навантаження зменшилося в 100 разів, тобто замість R вона стала 0,01 * R і за допомогою нехитрих обчислень ми отримуємо струм в 100 разів більше. Якщо лампочка споживала 5А, то тепер ток від навантаження буде відбиратися близько 500А, чого цілком вистачить щоб розплавити ключ дяді Васі. Тепер невеликий висновок ...

Коротке замикання - значне зменшення опору навантаження, яке веде до значного збільшення струму в ланцюзі.

Варто розуміти, що струми КЗ зазвичай в сотні і тисячі разів більше, ніж струм номінальний і навіть короткого проміжку часу вистачає, щоб пристрій вийшов з ладу. Тут напевно багато хто пригадає про електромеханічних пристроях захисту ( «автомати» та інші), але тут все дуже прозаїчно ... Зазвичай розетка побутова захищена автоматом з номінальним струмом 16А, тобто відключення відбудеться при 6-7 кратному струмі, що вже близько 100А. Блок живлення ноутбука має потужність близько 100 Вт, тобто струм ньому менше 1А. Навіть якщо станеться КЗ, то автомат довго буде цього не помічати і відключить навантаження, тільки коли все вже згорить. Це скоріше захист від пожежі, а не захист техніки.

Тепер давайте розглянемо ще один, часто зустрічається випадок - наскрізний струм. Покажу я його на прикладі dc / dc перетворювача з топологією синхронний buck, все MPPT контролери, багато LED-драйвера і потужні DC / DC перетворювачі на платах побудовані саме по ній. Дивимося на схему перетворювача:

На схемі позначені два варіанти перевищення струму: зелений шлях для «класичного» КЗ, коли відбулося зменшення опору навантаження ( «сопля» між доріг після пайки, наприклад) і помаранчевий шлях. Коли струм може протікати по помаранчевому шляху? Я думаю багато хто знає, що опір відкритого каналу польового транзистора дуже невелике, у сучасних низьковольтних транзисторів воно становить 1-10 мОм. Тепер уявімо, що на ключі одночасно прийшов ШІМ з високим рівнем, тобто обидва ключа відкрилися, для джерела «VCCIN - GND» це рівносильно підключенню навантаження опором близько 2-20 мОм! Застосуємо великий і могутній закон Ома і отримаємо навіть при харчуванні 5В значення струму більше 250А! Хоча не переживайте, такого струму не буде - компоненти і провідники на друкованій платі згорять раніше і розірвуть ланцюг.

Дана помилка дуже часто виникає в системі харчування і особливо в силовій електроніці. Вона може виникати з різних причин, наприклад, через помилки управління або тривалих перехідних процесах. В останньому випадку не врятує навіть «мертвий час» (deadtime) в вашому перетворювачі.

Думаю проблема зрозуміла і багатьом з вас знайома, тепер зрозуміло з чим треба боротися і залишилося лише придумати ЯК. Про це і піде подальша розповідь.

Принцип роботи захисту по струму

Тут необхідно застосувати звичайну логіку і побачити причинно-наслідковий зв'язок:
1) Основна проблема - велике значення струму в ланцюзі;
2) Як зрозуміти яке значення струму? -\u003e Виміряти його;
3) Зміряли і отримали значення -\u003e Порівнюємо його з заданим допустимим значенням;
4) Якщо перевищили значення -\u003e Відключаємо навантаження від джерела струму.

Виміряти струм -\u003e Дізнатися перевищили допустимий струм -\u003e Відключити навантаження

Абсолютно будь-який захист, не тільки по току, будується саме так. Залежно від фізичної величини по якій будується захист, будуть виникати на шляху реалізації різні технічні проблеми і методи їх вирішення, але суть незмінна.

Тепер пропоную по порядку пройти по всій ланцюжка побудови захисту і вирішити всі виникаючі технічні проблеми. Хороша захист - це захист, яку передбачили заздалегідь і вона працює. Значить без моделювання нам не обійтися, я буду використовувати популярний і безкоштовний MultiSIM Blue, Який активно просувається Mouser-му. Завантажити його можна там же - посилання. Також заздалегідь скажу, що в рамках даної статті я не буду заглиблюватися в схемотехнические вишукування і забивати вам голову зайвими на даному етапі речами, просто знайте, що все трохи складніше в реальному залозі буде.

Вимірювання струму

Це перший пункт в нашому ланцюжку і напевно найпростіший для розуміння. Виміряти струм в ланцюзі можна декількома способами і у кожного є свої переваги і недоліки, який з них застосувати конкретно у вашій задачі - вирішувати тільки вам. Я ж розповім, спираючись на свій досвід, про цих самих достоїнства і недоліки. Частина з них «загальноприйняті», а частина мої світовідчуття, прошу зауважити, що як якусь істину навіть не намагаюся претендувати.

1) Токовий шунт. Основа основ, «працює» все на тому ж великому і могутньому законі Ома. Найпростіший, найдешевший, найшвидший і взагалі самий самий спосіб, але з низкою недоліків:

А) Відсутність гальванічної розв'язки. Її вам доведеться реалізовувати окремо, наприклад, за допомогою швидкодіючого оптрона. Реалізувати це не складно, але вимагає додаткового місця на платі, розв'язаного dc / dc та інші компоненти, які коштують грошей і додають габаритних розмірів. Хоча гальванічна розв'язка потрібна далеко не завжди, зрозуміло.

Б) На великих токах прискорює глобальне потепління. Як я раніше писав, «працює» це все на законі Ома, а значить гріється і гріє атмосферу. Це призводить до зменшення ККД і необхідність охолоджувати шунт. Є спосіб мінімізувати цей недолік - зменшити опору шунта. На жаль нескінченно зменшувати його не можна і взагалі я б не рекомендував зменшувати його менш 1 мОм, Якщо у вас поки що мало досвіду, бо виникає необхідність боротьби з перешкодами і підвищуються вимоги до етапу конструювання друкованої плати.

У своїх пристроях я люблю використовувати ось такі шунти PA2512FKF7W0R002E:

Вимірювання струму відбувається шляхом вимірювання падіння напруги на шунт, наприклад, при протіканні струму 30А на шунт буде падіння:

Тобто, коли ми отримаємо на шунт падіння 60 мВ - це буде означати, що ми досягли межі і якщо падіння збільшиться ще, то потрібно буде відключати наше пристрій або навантаження. Тепер давайте порахуємо скільки тепла виділиться на нашому шунт:

Не мало, правда? Цей момент треба враховувати, тому що гранична потужність мого шунта становить 2 Вт і перевищувати її не можна, так само не варто припаювати шунти легкоплавким припоєм - відпаяні може, бачив і таке інше.

• Використовуйте шунти, коли у вас велика напруга і не сильно великі струми
• Слідкуйте за кількістю виділяється на шунт тепла
• Використовуйте шунти там, де потрібна максимальна швидкодія
• Використовуйте шунти тільки з спеціальним матеріалів: константана, манганина і подібних

2) Датчики струму на ефекті Холла. Тут я допущу собі власну класифікацію, яка цілком собі відображає суть різних рішень на даному ефекті, а саме: дешеві і дорогі.

А) дешеві, Наприклад, ACS712 і подібні. З плюсів можу відзначити простоту використання і наявності гальванічної розв'язки, на цьому плюси закінчуються. Основним недоліком є \u200b\u200bвкрай нестабільна поведінка під впливом ВЧ перешкод. Будь-dc / dc або потужна реактивна навантаження - це перешкоди, тобто в 90% випадків дані датчики марні, бо «божеволіють» і показують швидше погоду на Марсі. Але не дарма ж їх роблять?

Вони мають гальванічну розв'язку і можуть вимірювати великі струми? Так. Не люблять перешкоди? Теж так. Куди ж їх поставити? Правильно, в систему моніторингу з низькою відповідальністю і для вимірювання струму споживання з акумуляторів. У мене вони стоять в інверторах для СЕС і ВЕС для якісної оцінки струму споживання з АКБ, що дозволяє продовжити життєвий цикл акумуляторів. Виглядають дані датчики ось так:

Б) дорогі. Мають всі плюси дешевих, але не мають їх мінусів. Приклад такого датчика LEM LTS 15-NP:

Що ми маємо в підсумку:
1) Висока швидкодія;
2) гальванічна розв'язка;
3) Зручність використання;
4) Великі вимірювані струми незалежно від напруги;
5) Висока точність вимірювання;
6) Навіть «злі» ЕМВ не заважають роботі і не; впливають на точність.

Але в чому тоді мінус? Ті, хто відкривали посилання вище однозначно його побачили - це ціна. 18 $, Карл! І навіть на серії 1000+ штук ціна не впаде нижче 10 $, а реальна закупівля буде по 12-13 $. У БП за пару баксів таке не поставити, а як хотілося б ... Підведемо підсумок:

А) Це найкраще рішення в принципі для вимірювання струму, але дороге;
б) Застосовуйте дані датчики в важких умовах експлуатації;
в) Чи застосовуєте ці датчики в відповідальних вузлах;
г) Застосовуйте їх якщо ваш пристрій коштує дуже багато грошей, наприклад, ДБЖ на 5-10 кВт, там він себе однозначно виправдає, адже ціна пристрою буде кілька тисяч $.

3) Трансформатор струму. Стандартне рішення в багатьох пристроях. Мінуса два - не працюють з постійним струмом і мають нелінійні характеристики. Плюси - дешево, надійно і можна вимірювати просто величезні струми. Саме на трансформаторах струму побудовані системи автоматики і захисту в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на підприємствах, а там тисячі ампер цілком собі нормальне явище.

Чесно кажучи, я намагаюся їх не використовувати, бо не люблю, але в різних шафах управління і інших системах на змінному струмі все таки ставлю, тому що стоять вони пару $ і дають гальванічну розв'язку, а не 15-20 $ як LEM-и і своє завдання в мережі 50 Гц відмінно виконують. Виглядають зазвичай ось так, але бувають і на будь-яких EFD сердечниках:

Мабуть з методами вимірювання струму можна закінчити. Я розповів про основні, але зрозуміло не про всіх. Для розширення власного кругозору і знань, раджу додатково хоча б погуглити та подивитися різні датчики на тому ж digikey.

Посилення виміряного падіння напруги

Подальша побудова системи захисту піде на базі шунта в ролі датчика струму. Давайте будувати систему з раніше озвученими значенням струму в 30А. На шунт ми отримуємо падіння 60 мВ і тут виникають 2 технічні проблеми:

А) Вимірювати і порівнювати сигнал з амплітудою 60 мВ незручно. АЦП мають зазвичай діапазон вимірювань 3.3В, тобто при 12 бітах розрядності ми отримуємо крок квантування:

Це означає, що на діапазон 0-60 мВ, який відповідає 0-30А ми отримаємо невелику кількість кроків:

Отримуємо, що розрядність вимірювання буде всього лише:

Варто розуміти, що це ідеалізована цифра і в реальності вони буде в рази гірше, тому що АЦП сам по собі має похибку, особливо в районі нуля. Звичайно АЦП для захисту ми використовувати не будемо, але вимірювати струм з цього ж шунта для побудови системи управління доведеться. Тут завдання було наочно пояснити, але це так само актуально і для компараторів, які в районі потенціалу землі (0В зазвичай) працюють дуже нестабільно, навіть rail-to-rail.

Б) Якщо ми захочемо протягнути по платі сигнал з амплітудою 60 мВ, то через 5-10 см від нього нічого не залишиться через перешкоди, а в момент КЗ розраховувати на нього точно не доведеться, тому що ЕМІ додатково зростуть. Звичайно можна схему захисту повісити прямо на ногу шунта, але від першої проблеми ми не позбудемося.

Для вирішення даних проблем нам знадобиться операційний підсилювач (ОУ). Розповідати про те, як він працює не буду - тема відмінно гугл, а ось про критичних параметрах і виборі ОУ ми поговоримо. Для початку давайте визначимося зі схемою. Я говорив, що особливих витонченість тут не буде, тому охопимо ОУ негативним зворотним зв'язком (ООС) і отримаємо підсилювач з відомим коефіцієнтів посилення. Дане дії я змоделюють в MultiSIM (картинка клікабельні):

Завантажити файл для симуляції у себе можна -.

Джерело напруги V2 виконує роль нашого шунта, вірніше він симулює падіння напруги на ньому. Для наочності я вибрав значення падіння рівне 100 мВ, тепер нам потрібно посилити сигнал так, щоб перенести його в більш зручне напруга, зазвичай між 1/2 і 2/3 V ref. Це дозволить отримати велику кількість кроків квантування в діапазон струмів + залишити запас на вимірювання, щоб оцінити наскільки все погано і порахувати час наростання струму, це важливо в складних системах управління реактивним навантаженням. Коефіцієнт посилення в даному випадку дорівнює:

Таким чином ми маємо можливість посилити сигнал наш сигнал до необхідного рівня. Тепер розглянемо на які параметри варто звернути увагу:

• ОУ повинен бути rail-to-rail, щоб адекватно працювати з сигналами близько потенціалу землі (GND)
• Варто вибирати ОУ з високою швидкістю наростання вихідного сигналу. У мого улюбленого OPA376 цей параметр дорівнює 2В / мкс, що дозволяє досягати максимальна вихідна значення ОУ рівне VCC 3.3В всього за 2 мкс. Цього швидкодії цілком достатньо, щоб врятувати будь-перетворювач або навантаження з частотами до 200 кГц. Дані параметри варто розуміти і включати голову при виборі ОУ, інакше є шанс поставити ОУ за 10 $ там, де вистачило б і підсилювача за 1 $
• Смуга пропускання, обраного ОУ, повинна бути як мінімум в 10 разів більше, ніж максимальна частота комутації навантаження. Знову ж шукайте «золоту середину» в співвідношення «ціна / ТТХ», все добре в міру

У більшості своїх проектів я використовую ОУ від Texas Instruments - OPA376, його ТТХ вистачає для реалізації захисту в більшості завдань і цінник в 1 $ цілком собі хороший. Якщо вам необхідно дешевше, то дивіться на рішення від ST, а якщо ще дешевше, то на Microchip і Micrel. Я з релігійних міркувань використовую тільки TI і Linear, бо воно мені подобається і сплю так спокійніше.

Додаємо реалізм в систему захисту

Давайте тепер в симуляторі додамо шунт, навантаження, джерело живлення і інші атрибути, які наблизять нашу модель до реальності. Отриманий результат виглядає наступним чином (картинка клікабелье):

Завантажити файл симуляції для MultiSIM можна -.

Тут уже ми бачимо наш шунт R1 з опором все ті ж 2 мОм, джерело живлення я вибрав 310В (випрямлена мережу) і навантаженням для нього є резистор 10.2 Ом, що знову за законом Ома дає нам ток:

На шунт як бачите падають, раніше пораховані, 60 мВ і їх ми підсилюємо з коефіцієнтом посилення:

На виході ми отримуємо посилений сигнал з амплітудою 3.1В. Погодьтеся, його вже і на АЦП можна подати, і на компаратор і протягнути по платі 20-40 мм без будь-яких побоювань і погіршення стабільності роботи. З цим сигналом ми і будемо далі працювати.

Порівняння сигналів за допомогою компаратора

компаратор - це схема, яка приймає на вхід 2 сигналу і в разі якщо амплітуда сигналу на прямому вході (+) більше, ніж на інверсному (-), то на виході з'являється лог. 1 (VCC). В іншому випадку лог. 0 (GND).

Формально будь-який ОУ можна включити як компаратор, але таке рішення по ТТХ поступатиметься компаратору за швидкодією і співвідношенню «ціна / результат». У нашому випадку, чим вище швидкодія, тим вище ймовірність, що захист встигне відпрацювати і врятувати пристрій. Я люблю застосовувати компаратор, знову ж від Texas Instrumets - LMV7271. На що варто звернути увагу:

• Затримка спрацьовування, за фактом це основний обмежувач швидкодії. У зазначеного вище компаратора цей час близько 880 нс, що досить швидко і в багатьох задачах кілька надлишково за ціною в 2 $ і ви можете підібрати найбільш раціональний компаратор
• Знову ж - раджу використовувати rail-to-rail компаратор, інакше на виході у вас буде не 5В, а менше. Переконатися в цьому вам допоможе симулятор, виберіть щось не rail-to-rail і поекспериментуйте. Сигнал з компаратора зазвичай подається на вхід аварії драйверів (SD) і добре б мати там стійкий TTL сигнал
• Вибирайте компаратор з виходом push-pull, а не open-drain і інші. Це зручно і маємо прогнозовані ТТХ по виходу

Тепер давайте додамо компаратор в наш проект в симуляторі і подивимося на його роботу в режимі, коли захист не спрацювала і струм не перевищує аварійний (клікабелье картинка):

Завантажити файл для симуляції в MultiSIM можна -.

Що нам потрібно ... Потрібно в разі перевищення струму більш 30А, щоб на виході компаратора був лог. 0 (GND), цей сигнал буде подавати на вхід SD або EN драйвера і вимикати його. У нормальному стані на виході повинна бути лог. 1 (5В TTL) і включати роботу драйвера силового ключа (наприклад, «народний» IR2110 і менш древні).

Повертаємося до нашої логіки:
1) Зміряли ток на шунт і отримали 56,4 мВ;
2) Посилили наш сигнал з коефіцієнтом 50.78 і отримали на виході ОУ 2.88В;
3) На прямий вхід компаратора подаємо опорний сигнал з яким будемо порівнювати. Його задаємо за допомогою дільника на R2 і виставляє 3.1В - це відповідає току приблизно в 30А. Даним резистором регулюється поріг спрацьовування захисту!
4) Тепер сигнал з виходу ОУ подаємо на інверсний і порівнюємо два сигнали: 3.1В\u003e 2.88В. На прямому входу (+) напруга вище, ніж на інверсному вході (-), значить струм не перевищено і на виході лог. 1 - драйвера працюють, а наш світлодіод LED1 не горить.

Тепер збільшуємо ток до значення\u003e 30А (крутимо R8 і зменшуємо опір) і дивимося на результат (клікабелье картинка):

Давайте переглянь пункти з нашої «логіки»:
1) Зміряли ток на шунт і отримали 68,9 мВ;
2) Посилили наш сигнал з коефіцієнтом 50.78 і отримали на виході ОУ 3.4В;
4) Тепер сигнал з виходу ОУ подаємо на інверсний і порівнюємо два сигнали: 3.1В< 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.

Чому апаратна?

Відповідь на це запитання проста - будь-програмований рішення на МК, з зовнішнім АЦП та інше, можуть просто «зависнути» і навіть якщо ви досить грамотний софтопісатель і включили сторожовий таймер і інші захисту від зависання - поки воно все буде опрацьовано ваш пристрій згорить.

Апаратна захист дозволяє реалізувати систему з швидкодією в межах декількох мікросекунд, а якщо бюджет дозволяє, то в межах 100-200 нс, чого достатньо взагалі для будь-якого завдання. Також апаратний захист не зможе «зависнути» і врятує пристрій, навіть якщо з якихось причин ваш керуючий мікроконтролер або DSP «зависли». Захист відключить драйвер, ваша керуюча схема спокійно увімкнеться знову, протестує апаратну частину і або подасть помилку, наприклад, в Modbus або запуститься якщо все добре.

Тут варто зазначити, що в спеціалізованих контролерах для побудови силових перетворювачів є спеціальні входи, які дозволяють апаратно відключити генерацію ШІМ сигналу. Наприклад, у всіма улюбленого STM32 для цього є вхід BKIN.

Окремо варто сказати ще про таку річ як CPLD. По суті це набір високошвидкісний логіки і по надійності воно порівнянно з апаратним рішенням. Цілком здоровим глуздом буде поставити на плату дрібну CPLD і реалізувати в ній і апаратні захисту, і deadtime та інші принади, якщо ми говоримо про dc / dc або якихось шафах управління. CPLD дозволяє зробити таке рішення дуже гнучким і зручним.

Епілог

На цьому мабуть і все. Сподіваюся вам було цікаво читати цю статтю і вона дасть вам якісь нові знання або освіжить старі. Завжди намагайтеся заздалегідь думати які модулі у вашому пристрої варто реалізувати апаратно, а які програмно. Часто реалізація апаратна на порядки простіше реалізації програмної, а це веде з економії часу на розробку і відповідно її вартості.

Формат статті без «заліза» для мене новий і попрошу висловити вашу думку в опитуванні.

Дана схема являє собою найпростіший блок живлення на транзисторах, обладнаний захистом від короткого замикання (КЗ). Його схема представлена \u200b\u200bна малюнку.

Основні параметри:

• Вихідна напруга - 0..12В;
• Максимальний вихідний струм - 400 мА.

Схема працює в такий спосіб. Вхідна напруга мережі 220В перетворюється трансформатором в 16-17В, потім випрямляється діодами VD1-VD4. Фільтрація пульсацій випрямленої напруги здійснюється конденсатором С1. Далі випрямлена напруга надходить на стабілітрон VD6, який стабілізує напругу на своїх висновках до 12В. Залишок напруги гаситься на резисторі R2. Далі здійснюється регулювання напруги змінним резистором R3 до необхідного рівня в межах 0-12В. Потім слід підсилювач струму на транзисторах VT2 і VT3, який підсилює потік до рівня 400 мА. Навантаженням підсилювача струму служить резистор R5. Конденсатор С2 додатково фільтрує пульсації вихідної напруги.

Захист працює так. При відсутності КЗ на виході напруга на висновках VT1 близько до нуля і транзистор закритий. Ланцюг R1-VD5 забезпечує зміщення на його базі на рівні 0,4-0,7 В (падіння напруги на відкритому p-n переході діода). Цього зміщення досить для відкриття транзистора при певному рівні напруги колектор-емітер. Як тільки на виході відбувається коротке замикання, напруга колектор-емітер стає відмінним від нульового і рівним напрузі на виході блоку. Транзистор VT1 відкривається, і опір його колекторного переходу стає близьким до нуля, а, значить, і на стабілітроні. Таким чином, на підсилювач струму надходить нульовий вхідний напруга, через транзистори VT2, VT3 буде протікати дуже маленький струм, і вони не вийдуть з ладу. Захист відключається відразу ж при усуненні КЗ.

деталі

Трансформатор може бути будь-який з площею перетину сердечника 4 см 2 і більше. Первинна обмотка має 2200 витків дроту ПЕВ-0,18, вторинна - 150-170 витків дроту ПЕВ-0,45. Підійде і готовий трансформатор кадрової розгортки від старих лампових телевізорів серії ТВК110Л2 або подібний. Діоди VD1-VD4 можуть бути Д302-Д305, Д229Ж-Д229Л або будь-які на струм не менше 1 А і зворотне напруга не менше 55 В. Транзистори VT1, VT2 можуть бути будь-які низькочастотні малопотужні, наприклад, МП39-МП42. Можна використовувати і кремнієві більш сучасні транзистори, наприклад, КТ361, КТ203, КТ209, КТ503, КТ3107 та інші. Як VT3 - германієві П213-П215 або більш сучасні кремнієві могутні низькочастотні КТ814, КТ816, КТ818 та інші. При заміні VT1 може виявитися, що захист від КЗ не працює. Тоді слід послідовно з VD5 включити ще один діод (або два, якщо буде потрібно). Якщо VT1 буде кремнієвий, то і діоди краще застосовувати кремнієві, наприклад, КД209 (А-В).

На закінчення варто помітити, що замість зазначених на схемі p-n-p транзисторів можна застосовувати і аналогічні за параметрами транзистори n-p-n (не замість будь-якого з VT1-VT3, а замість всіх з них). Тоді потрібно буде поміняти полярності включення діодів, стабилитрона, конденсаторів, діодного моста. На виході, відповідно, полярність напруги буде інша.

список радіоелементів

позначення	Тип	Номінал	кількість	Примітка	Магазин	Мій блокнот
VT1, VT2	біполярний транзистор	МП42Б	2	МП39-МП42, КТ361, КТ203, КТ209, КТ503, КТ3107		В блокнот
VT3	біполярний транзистор	П213Б	1	П213-П215, КТ814, КТ816, КТ818		В блокнот
VD1-VD4	діод	Д242Б	4	Д302-Д305, Д229Ж-Д229Л		В блокнот
VD5	діод	КД226Б	1			В блокнот
VD6	стабілітрон	Д814Д	1			В блокнот
C1		2000 мкФ, 25 В	1			В блокнот
C2	електролітичний конденсатор	500 мкФ. 25 В	1			В блокнот
R1	резистор	10 кОм	1			В блокнот
R2	резистор	360 Ом	1			В блокнот
R3	Змінний резистор	4.7 кОм	1			В блокнот
R4, R5	резистор

Терміном «коротке замикання» в електротехніці називають аварійний режим роботи джерел напруги. Він виникає при порушеннях технологічних процесів передачі електроенергії, коли на діючому генераторі або хімічний елемент вихідні клеми замикаються накоротко (закорочуються).

При цьому вся потужність джерела миттєво прикладається до закоротки. Через неї протікають величезні струми, здатні спалити обладнання і нанести електричні травми близько розташованих людям. Для припинення розвитку подібних аварій використовуються спеціальні захисту.

Які бувають види коротких замикань

Природні електричні аномалії

Вони проявляються під час грозових розрядів, що супроводжуються.

Джерелами їх утворення є високі потенціали статичної електрики різних знаків і величин, накопичені хмарами при їх переміщенні вітром на великі відстані. В результаті природного охолодження при підйомі на висоту пари вологи всередині хмари конденсуються, утворюючи дощ.

Вологе середовище має низький електричним опором, яке створює пробою повітряної ізоляції для проходження струму у вигляді блискавки.

Електричний розряд проскакує між двома об'єктами, що володіють різними потенціалами:

• на що наближаються хмарах;

• між грозовою хмарою і землею.

Перший вид блискавки небезпечний для літальних апаратів, а розряд на землю здатний зруйнувати дерева, будівлі, промислові об'єкти, повітряні лінії електропередач. Для захисту від нього встановлюють громовідводи, які послідовно виконують функції:

1. прийому, тяжіння потенціалу блискавки на спеціальний уловлювач;

2. пропускання отриманого струму по тоководов до контуру заземлення будівлі;

3. відведення високовольтного розряду цим контуром на потенціал землі.

Короткі замикання в ланцюгах постійного струму

Гальванічні джерела напруги або випрямлячі створюють на вихідних контактах різниця позитивних і негативних потенціалів, які в нормальних умовах забезпечують роботу схеми, наприклад, світіння лампочки від батарейки, як показано на малюнку нижче.

Електричні процеси, що відбуваються при цьому описує математичний вираз.

Електрорушійна сила джерела розподіляється на створення навантаження у внутрішньому і зовнішньому контурах за рахунок подолання їх опорів «R» і «r».

В аварійному режимі між клемами батарейки «+» і «-» виникає закоротку з дуже низьким електричним опором, яка практично виключає протікання струму в зовнішньому ланцюзі, виводячи цю частину схеми з роботи. Тому по відношенню до номінального режиму можна вважати, що R \u003d 0.

Весь струм циркулює тільки у внутрішньому контурі, що володіє маленьким опором, і визначається за формулою I \u003d E / r.

Оскільки величина електрорушійної сили не змінилася, то значення струму дуже різко зростає. Таке коротке замикання протікає по закорачивается провіднику і внутрішньому контуру, викликає всередині них величезна виділення тепла і подальше порушення конструкції.

Короткі замикання в ланцюгах змінного струму

Всі електричні процеси тут теж описуються дією закону Ома і відбуваються за аналогічним принципом. Особливості на їх проходження накладають:

застосування схем однофазних або трифазних мереж різної конфігурації;

наявність контуру заземлення.

Види коротких замикань в схемах змінної напруги

Токи КЗ можуть виникнути між:

фазою і землею;

двома різними фазами;

двома різними фазами і землею;

трьома фазами;

трьома фазами і землею.

Для передачі електроенергії по повітрю ЛЕП системи електропостачання можуть використовувати різну схему підключення нейтралі:

1. ізольовану;

2. глухозаземленной.

У кожному з цих випадків струми коротких замикань формуватимуть свій шлях і мати різну величину. Тому всі перераховані варіанти збірки електричної схеми та можливості виникнення в них струмів коротких замикань враховуються в створенні конфігурації струмових захистів для них.

Усередині споживачів електроенергії, наприклад, електродвигуна теж може виникнути коротке замикання. У однофазних конструкцій потенціал фази може пробити шар ізоляції на корпус або нульовий провідник. У трифазному електрообладнанні додатково може виникнути несправність між двома або трьома фазами або між їх поєднаннями з корпусом / землею.

У всіх цих випадках, як і при КЗ в ланцюгах постійного струму, через що утворилася закоротки і всю підключену до неї до генератора схему буде протікати струм короткого замикання дуже великий величини, що викликає аварійний режим.

Для його запобігання використовують захисту, які здійснюють автоматичне зняття напруження з обладнання, що піддалося дії підвищених струмів.

Як вибирають межі спрацювання захисту від короткого замикання

Всі електричні прилади розраховані на споживання певної величини електроенергії в своєму класі напруги. Робоче навантаження прийнято оцінювати не потужністю, а струмом. Його простіше заміряти, контролювати і створювати на ньому захисту.

На зображенні представлені графіки струмів, які можуть виникнути в різних режимах роботи обладнання. Під них підбираються параметри налаштування і налагодження захисних пристроїв.

На графіку коричневим кольором показана синусоїда номінального режиму, який вибирається в якості вихідного при проектуванні електричної схеми, обліку потужності електропроводки, підборі струмових захисних пристроїв.

Частота промислової синусоїди при цьому режимі завжди стабільна, а період одного повного коливання відбувається за час 0,02 секунди.

Синусоїда робочого режиму на зображенні показана синім кольором. Вона зазвичай менше номінальної гармоніки. Люди рідко повністю використовують всі резерви відведеної їм потужності. Як приклад, якщо в кімнаті висить пятірожковой люстра, то для освітлення часто включають одну групу лампочок: дві або три, а не всі п'ять.

Щоб електроприлади надійно працювали при номінальному навантаженні, створюють невеликий запас по струму для настройки захистів. Величину струму, на який їх налаштовують для відключення, називають уставкой. При її досягненні вимикачі знімають напругу з обладнання.

В інтервалі амплітуд синусоїд між номінальним режимом і уставкой схема живлення працює в режимі невеликого перевантаження.

Можлива тимчасова характеристика аварійного струму показана на графіку чорним кольором. У неї амплітуда перевищує уставку захистів, а частота коливань різко змінилася. Зазвичай вона має апериодический характер. Кожна полуволна змінюється за величиною і частоті.

Будь-яка захист від короткого замикання включає в себе три основних етапи роботи:

1. постійне відстеження стану синусоїди контрольованого струму і визначення моменту виникнення несправності;

2. аналіз ситуації і видача логічною частиною команди на виконавчий орган;

3. зняття напруги з обладнання комутаційними апаратами.

У багатьох пристроях використовується ще один елемент - введення затримки часу на спрацьовування. Його використовують для забезпечення принципу селективності в складних, розгалужених схемах.

Оскільки синусоїда досягає своєї амплітуди за час 0,005 сек, то цього періоду, як мінімум, необхідно для її виміру захистами. Наступні два етапи роботи теж не відбуваються миттєво.

Загальний час роботи найшвидших струмових захистів по цих причин трохи менше періоду одного коливання гармоніки 0,02 сек.

Конструктивні особливості захистів від короткого замикання

Електричний струм, проходячи по будь-якого провідника, викликає:

термічний нагрів струмопроводу;

наведення магнітного поля.

Ці дві дії прийняті за основу конструювання захисних апаратів.

Захисту на основі принципу термічного впливу струму

Теплова дія струму, описане вченими Джоулем і Ленцем, використовується для захисту запобіжниками.

захист запобіжниками

Вона заснована на установці всередині шляху струму плавкої вставки, яка оптимально витримує номінальне навантаження, але перегорає при її перевищенні, розриваючи ланцюг.

Чим вище величина аварійного струму, тим швидше створюється розрив схеми - зняття напруги. При невеликому перевищенні струму відключення може відбутися через тривалий проміжок часу.

Запобіжники успішно працюють в електронних пристроях, електрообладнанні автомобілів, побутової техніки, промислових пристроях до 1000 вольт. Окремі їх моделі експлуатуються в ланцюгах високовольтного обладнання.

Захисту на основі принципу електромагнітного впливу струму

Принцип наведення магнітного поля навколо провідника зі струмом дозволив створити величезний клас електромагнітних реле і захисних автоматів, які використовують котушку відключення.

Її обмотка розташована на осерді - муздрамтеатрі, в якому складаються магнітні потоки від кожного витка. Рухомий контакт механічно пов'язаний з якорем, що є що коливається частиною сердечника. Він притискається до стаціонарно закріпленому контакту зусиллям пружини.

Струм номінальної величини, що проходить по витків котушки відключення, створює магнітний потік, який не може подолати зусилля пружини. Тому контакти постійно знаходяться в замкнутому стані.

При виникненні аварійних струмів якір притягається до стаціонарної частини муздрамтеатру і розриває ланцюг, створену контактами.

Один з видів автоматичних вимикачів, що працюють на основі електромагнітного зняття напруги з захищається схеми, показаний на картинці.

У ньому використовується:

автоматичне відключення аварійних режимів;

система гасіння електричної дуги;

ручне або автоматичне включення в роботу.

Цифрові захисту від короткого замикання

Всі розглянуті вище захисту працюють з аналоговими величинами. Крім них останнім часом в промисловості і особливо в енергетиці починають активно впроваджуються цифрові технології на основі роботи і статичних реле. Такі ж прилади зі спрощеними функціями випускаються для побутових цілей.

Замір величини і напрямку струму, що проходить по захищається схемою, виконує вбудований понижуючий трансформатор струму високого класу точності. Заміряний їм сигнал піддається оцифрування за допомогою накладення за принципом амплітудної модуляції.

Потім він надходить на логічну частину мікропроцесорного захисту, яка працює за певним, заздалегідь налаштованому алгоритмом. При виникненні аварійних ситуацій логіка пристрою видає команду виконавчому скасовує механізм на зняття напруги з мережі.

Для роботи захисту використовується блок живлення, що бере напруга від мережі або автономних джерел.

Цифрові захисту від коротких замикань володіють великою кількістю функцій, налаштувань і можливостей аж до реєстрації предаварийного стану мережі та режиму її відключення.

Представлена \u200b\u200bконструкція захисту для блоку живлення будь-якого типу. Дана схема захисту може спільно працювати з будь-якими блоками харчування - мережевими, імпульсними і акумуляторами постійного струму. Схематична розв'язка такого блоку захисту відносна проста і складається з декількох компонентів.

Схема захисту блоку живлення

Силова частина - потужний польовий транзистор - в ході роботи не перегрівається, отже в теплоотводе теж не потребує. Схема одночасно є захистом від переплюсовкі харчування, перевантаження і КЗ на виході, струм спрацьовування захисту можна підібрати підбором опору резистора шунта, в моєму випадку струм становить 8 Ампер, використано 6 резисторів 5 ват 0,1 Ом паралельно підключених. Шунт можна зробити також з резисторів з потужністю 1-3 ват.

Більш точно захист можна налаштувати шляхом підбору опору підлаштування резистора. Схема захисту блоку живлення, регулятор обмеження струму Схема захисту блоку живлення, регулятор обмеження струму

~~~ При КЗ і перевантаження виходу блоку, захист миттєво спрацює, відключивши джерело живлення. Про спрацьовування захисту повідомить світлодіодний індикатор. Навіть при КЗ виходу на пару десятків секунд, польовий транзистор залишається холодним

~~~ Польовий транзистор не критичний, підійдуть будь-які ключі зі струмом 15-20 і вище Ампер і з робочою напругою 20-60 Вольт. Дуже добре підходять ключі з лінійки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 або більш потужні - IRF3205, IRL3705, IRL2505 і їм подібні.

~~~ Дана схема також відмінно підходить в якості захисту зарядного пристрою для автомобільних акумуляторів, якщо раптом переплутали полярність підключення, то з зарядним пристроєм нічого страшного не станеться, захист врятує пристрій в таких ситуаціях.

~~~ Завдяки швидкій роботі захисту, її можна з успіхом застосувати для імпульсних схем, при КЗ захист спрацює швидше, ніж встигнуть згоріти силові ключі імпульсного блоку живлення. Схематика підійде також для імпульсних інверторів, як захист по струму. При перевантаженні або кз у вторинному ланцюзі інвертора, миттю вилітають силові транзистори інвертора, а такий захист не дасть цьому відбутися.

Коментарі
Захист від короткого замикання, Переплюсовкі полярнос і перевантаження зібрана на окремій платі. Силовий транзистор використаний серії IRFZ44, але при бажанні можна замінити на більш потужний IRF3205 або на будь-який інший силовий ключ, який має близькі параметри. Можна використовувати ключі з лінійки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 і інші ключі з струмом більше 20 Ампер. В ході роботи польовий транзистор залишається крижаним ,. тому в теплоотводе не потребує.

Другий транзистор теж не критичний, в моєму випадку використаний високовольтний біполярний транзистор серії MJE13003, але вибір великий. Струм захисту підбирається виходячи з опору шунта - в моєму випадку 6 резисторів по 0,1Ом паралельно, захист спрацьовує при навантаженні 6-7 Ампер. Більш точно можна налаштувати обертанням змінного резистора, таким чином я налаштував струм спрацьовування в районі 5 Ампер.

Потужність блоку живлення досить пристойна, вихідний струм доходить до 6-7 Ампер, що цілком достатньо для зарядки автомобільного акумулятора.
Резистори шунта вибрав з потужністю 5 ват, але можна і на 2-3 ват.

Якщо все зроблено правильно, то блок починає працювати відразу, коротке замикання в ній вихід, повинен спалахнути світлодіод захисту, який буде горіти до тих пір, поки вихідні дроти знаходяться в режимі КЗ.
Якщо все працює як треба, то приступаємо далі. Збираємо схему індикатора.

Схема змальована з зарядника акумуляторної викрутки. Червоний індикатор свідчить про те, що є вихідна напруга на виході БП, зелений індикатор показує процес заряду. З таким розкладом компонентів, зелений індикатор буде поступово потухат і остаточно згасне, коли напруга на акумуляторі буде 12,2-12,4 Вольт, коли акумулятор відключений, індикатор горіти не буде.