ограничение тока закороченной нагрузки до 20А

Аналоговый новичок здесь и впервые на этом форуме ... спасибо, что прочитали!

У меня есть контроль над пиротехникой. Я разобрался со всем цифровым управлением, но аналоговые биты - не моя сильная сторона.

Автомобильная батарея питает эту установку, а выходные каналы будут переключаться с помощью SCR, IGBT или просто обычных автомобильных реле. Я хочу ограничить ток таким образом, чтобы эти компоненты не использовались, и чтобы многие каналы могли получать высокий ток, даже если некоторые из них имеют сопротивление немного выше, чем другие.

Большинство схем, которые я вижу, имеют зарядку батареи или имеют гораздо более низкий ток. Так что это самая простая вещь, которую я придумал до сих пор:

В основном я использую усиление тока каждой части моей пары Дарлингтона для ограничения тока в нагрузке. Я хотел бы получить отзывы об этом проекте или указатели на что-то более подходящее (что, как я сказал, было трудно определить, учитывая, что нагрузка может быть короткой).

Незначительные проблемы включают в себя:

Я считаю, что мне нужен демпфирующий диод (или заглушки?) Вокруг моей нагрузки и диод рядом с выключателем где-то.

Проблема с ограничением тока при использовании линейного драйвера, такого как этот, заключается в том, что драйвер будет рассеивать энергию пропорционально падению напряжения на нем. Если нагрузка падает большую часть напряжения, драйвер может быть в состоянии выжить. Но если нагрузка падает только на несколько вольт при 20 А, то драйвер будет рассеивать большое количество энергии.

При 20 А и 12 В цепь будет рассеивать мощность = V x I = 12 x 20 = 240 Вт. Это существенная сумма.

Если нагрузка падает на 10 В при 20 А, водитель должен сбросить оставшиеся 2 Вольт. Таким образом, рассеяние нагрузки составляет 10 В x 20 А = 200 Вт, а рассеяние драйвера - 2 В x 20 А = 40 Вт. 40 ватт в Дарлингтоне должны иметь достаточно солидный радиатор, чтобы не перегреваться. Если вы отключите его быстро, и если только один или два из них находятся в этом режиме, то вы сможете «сойти с рук». Но если какое-то время какое-то количество нагрузок остается на пределе тока, «будут проблемы».

Одно из решений состоит в том, чтобы иметь контроллер, который полностью отключается, когда я превышаю 10 А, ждет некоторое время и пытается снова. Проблема в том, что до 20А все хорошо, но если нагрузка пытается взять больше 20А, она ограничивается выбросами 20А = намного меньше, чем в среднем 20А.

Одним из решений является «ШИМ» переключателя, когда он находится в режиме ограничения тока (переключатель только включен или выключен), и отрегулируйте соотношение между выходом и выключением, чтобы среднее значение составляло 20А. Схема для этого может быть дешевле и проще, чем может показаться. Операционный усилитель или на схему и несколько пассивных компонентов. Или пакет CMOS Schmitt Gate и немного игры.

Лучший способ - это использовать драйвер режима переключения, который ограничивает до 20 А и отключает доступную энергию только при необходимости. Это также могут быть простые 92 транзистора в минималистском виде), но для каждой цепи требуется раздражающая катушка индуктивности.

Как показано, результат будет ОЧЕНЬ неточным, поскольку коэффициент усиления по току пары транзисторов Дарлингтона будет очень неточным. Если вы не выберете тест (например, не отрегулируете базовый резистор с помощью потенциометра), он будет очень неточным и даже тогда не будет хорошим в долгосрочной перспективе. Я могу дать вам дешевые схемы для ограничителя тока. но сначала давайте посмотрим, куда идет вопрос.

Да, вам нужен диод поперек нагрузки, если он индуктивный, полярность такая, что он обычно не проводит.

Рассеяние в контроллере и почему:

Ток от 12 В через нагрузку и контроллер на землю

• Я = V / R.

R - сумма всех резисторов в данной последовательной цепи.

Для 20А при 12В

• R = V / I = 12/20 = 0,6 Ом.

Если вы ограничиваете ток до 20А, вы создаете переменную R с электронным управлением, которая автоматически настраивает общее значение R в цепи до 0,6 Ом, ЕСЛИ нагрузка меньше 0,6.

Если нагрузка БОЛЕЕ 0,6 Ом, контроллер остается включенным, так как ток меньше 20 А.

В вашем примере с воспламенителем 0,1R контроллер должен добавить 0,6-0,1 = 0,5 Ом.

• Мощность в устройстве зажигания = I ^ 2 x R = 20 ^ 2 x 0,1 = 40 Вт.

• Мощность, рассеиваемая в контроллере = 20 ^ 2 x .5 = 200 Вт.

Контроллер «нагревается» :-).

Ограничение тока ШИМ:

ШИМ = широтно-импульсная модуляция полностью включает нагрузку, скажем, X%, если время и выключено в течение 100-Х% времени

Если вы включите нагрузку полностью, а затем полностью выключите ее с коэффициентом заполнения 1: 5, средний ток составит 20 А.

Я на = 12 / 0,1 = 120 А!

Я выключен = 0

(1 х 120 А + 5 х 0 А) / 6 = 20 в среднем

Батарея должна быть в состоянии обеспечить пики 120А.

Добавление индуктора последовательно с нагрузкой и «диод-ловушка» превращает схему в «понижающий преобразователь», например, так

Если переключатель находится в положении N-й раз, выходное напряжение будет равно 1 / N-й в Vin.

Обычный подход состоит в том, чтобы контролировать Iout и регулировать период включения для ограничения максимального тока по желанию.

Вот пример, который делает именно это.

Это не совсем то, что вы хотите, но показывает принцип. Это схема драйвера реле, предоставленная мною Ричардом Проссером. Подстановка соответствующей катушки индуктивности для L1 и размещение нагрузки чуть ниже L1 обеспечивает ограниченный ток питания. Это становится немного "занят" для того, что вы хотите.

Использование защищенного токоограничивающего MOSFET

Было предложено использовать защищенный от тока МОП-транзистор, такой как защищенный низковольтный драйвер ON Semiconductor NCV8401 с ограничением тока и температуры

Сильной стороной NCV8401 является отключение, если поддерживается высокий ток повреждения, и ограничение максимального тока, который может протекать при возникновении отказа. Устройства, подобные этому, делают это хорошо, но они не предназначены для поддержания ограничивающего тока в течение длительных периодов времени. Я попробовал подключить подобное устройство прямо через автомобильный аккумулятор и включить его. Нет проблем - они просто входят в ограничение и восстанавливаются к нормальной работе, когда условие перегрузки устранено.

Это изумительные устройства, и они чрезвычайно полезны на своем месте, но они не будут соответствовать первоначально заявленной цели поддержания постоянного тока 20 А в нагрузке, например, в условиях неисправности, КРОМЕ ТОГО, если вы теплоотводите их для получения полного тока повреждения - что требует рассеиваемая мощность до 12 В x 20 А = 240 Вт в драйвере, в худшем случае. NCV8401 имеет тепловое сопротивление перехода к корпусу 1,6 ° C / Вт и максимальную температуру перехода 150 ° C. Даже на идеальном радиаторе (0 ° C / Вт) при температуре окружающей среды 25 ° C, что позволит вам максимально (150-25) / 1,6 = 78 Вт. На практике около 40 Ватт будет очень хорошо работать даже с чрезвычайно способной системой радиатора.

Если спецификация была изменена, это нормально, но если вы хотите непрерывно получать ограниченные 20А (до тех пор, пока не остановится или не дойдет), есть только два пути. Или

• (1) Примите полное рассеивание 12 В x 20 А = 240 Вт, когда водитель рассеивает то, что нагрузка не принимает, или

• (2) Используйте преобразование энергии в режиме переключения, чтобы драйвер подавал 20А при любом напряжении, требуемом для нагрузки. Водитель имеет дело только с энергией от неэффективного преобразования. Например, если нагрузка составляет 0,2 Ом, то при 20 А Vload = I x R = 20 А x 0,2 = 4 Вольт. Мощность нагрузки составляет либо I ^ 2 x R = 400 x 0,2 = 80 Вт, либо OR = V x I = 4 В x 20 A = 80 Вт (опять же, конечно).

В этом случае, если напряжение 4 В поступает от преобразователя режима переключения, эффективность которого составляет z% (0 <= Z <= 100). В приведенном выше примере, где Pload = 80 Вт, тогда, если преобразователь имеет значение Z = 70 (%), тогда преобразователь режима переключения рассеивает только (100-Z) / 100 x P нагрузка = 0,3 x 80 Вт = 24 Вт. Это все еще существенно, но гораздо меньше, чем 240-80 = 160 Вт, которые рассеиваются линейным ограничителем. Так ...

Импульсный регулятор, ограничитель тока

Это предназначено в качестве другого примера, чем в качестве окончательного решения. Это может быть введено в эксплуатацию, но было бы лучше сделать предварительный проект, основанный на этом принципе.

Схема, которая будет выполнять почти то, что вам нужно, может быть построена с использованием, например, MC34063 в схеме на рис. 11a или 11b, здесь таблица данных MC34063.

Вероятно, было бы так же легко использовать пакет компараторов (например, LM393, LM339 и т. Д.) Для реализации чего-то подобного, поскольку вы можете выполнять настоящее измерение тока нагрузки, а не циклическое измерение цикла, выполненное здесь, но это будет работать.

Указанные схемы MC34063 могут быть модифицированы для использования внешнего MOSFET N-канала или P-канала, если это необходимо (что я, вероятно, и использовал бы). Полевые транзисторы действительно имеют обыкновение отказывать в коротком замыкании. Создание их редко, если вообще не удается, делает это менее проблематичным :-).

Здесь выходное напряжение можно установить на «высокое», так как то, что нам нужно, это преобразование энергии и ограничение тока. Например, если нагрузка равна 0,4R, а номинальное целевое напряжение равно 12 В, то ограничитель тока ограничит то, что происходит на самом деле. Вместо ограничителя «цикл за циклом» можно добавить значение тока низкой боковой нагрузки и использовать его для ограничения напряжения привода, чтобы обеспечить целевой ток нагрузки.

Ступенчатый резистор линейного ограничителя

Самым простым способом может быть создание набора переключаемых резисторов, которые могут быть двоично-коммутируемыми для ограничения тока нагрузки до 20А. Счетчик считает значение резистора вверх, если ток слишком высокий, и вниз, если слишком низкий. Рассеиваемая мощность составляет 240 Вт при 20 А всегда, когда нагрузка меньше 0,6R, НО резисторы выполняют работу, а биполярные транзисторы или полевые транзисторы, используемые в качестве переключателей нагрузки, могут работать холодными. Не слишком сложно сделать, но "досадно грубый" подход :-).

$R_{DS(ON)}$

Вам не нужен ограничитель тока в случае короткого замыкания, а отключение питания. В случае короткого замыкания напряжение аккумуляторной батареи 12 В (?) Будет превышать переключающие МОП-транзисторы, и даже с ограничителем тока 20 А им придется работать с 240 Вт (!). Существуют хитрости для ограничителей тока с обратной связью, которые снижают ток до более безопасного уровня после короткого замыкания, но моя идея состоит в том, что лучше отключить полностью.

Принцип: измерьте напряжение на полевых МОП-транзисторах. Если он поднимается выше определенного порога, например 1 В, сбросьте триггер сброса набора, выход которого управляет полевыми МОП-транзисторами. Когда короткое замыкание устранено, полевые МОП-транзисторы остаются выключенными, и необходимо снова установить триггер сброса набора для перезапуска питания.

Построив пироконтроллеры ранее и выполнив различные реализации промышленной безопасности на оборудовании с ЧПУ и т. Д., Вы никогда не должны разрешать контроль безопасности через логическую схему.

Как минимум, вы должны использовать физический выключатель в линии постоянного тока для поджигательных устройств как часть ключа постановки на охрану. Задумывались ли вы над тем, что произойдет, если, скажем, FET замыкается на короткое замыкание ... они делают ... цепь срабатывания будет жива, парень переходит на замену поджигателя для следующего и сдувает руку.

Все цепи безопасности на оборудовании проходят через утвержденные защитные реле, физические реле, которые могут отключить привод от двигателей и т. Д., Они никогда не полагаются на простое отключение сигнала на приводной двигатель ... они, вероятно, также убивают этот сигнал, но всегда есть физическое реле также. Вы должны на 100% включить способ отключения 12 В от полевых транзисторов как часть вашей цепи безопасности.

Вы также должны ограничить время, те, которые я построил, включали проверку непрерывности пары ма, чтобы указать, была ли в канале хорошая цепь перед запуском, и, конечно, показать непрерывность после того, как устройство не подожгло ...

Мой собственный ответ: эта схема является многообещающей в моих тестах. Я планирую заменить светодиодный выход другой схемотехникой, чтобы опустить затвор мощного полевого МОП-транзистора.

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

Я все еще должен решить, как сосуществовать это отключение с моей существующей схемой управления, но это просто.

ВТОРОЙ ответ, который, вероятно, я буду реализовывать:

Я собирался сделать это с автомобильными реле изначально для надежности и надежности. Позже я пошел по этому твердотельному пути, потому что физический размер реле, их жгутов и сокетов становился немного раздражающим, и я обнаружил дешевые IGBT и / или SCR для управления каналами, и просто хотел сделать эту схему ограничения тока перед ними ток ограничивает набор из 4 каналов до 20А.

Отбросьте в сторону, я полагаю, будет использовать одно из этих замечательных устройств на канал: ON Semiconductor NCV8401 самозащитный силовой МОП-транзистор . Они предназначены для замены автомобильных реле, и, к моему изумлению, стоят всего 0,80 долларов каждая. Я уверен, что Motorola (ON) работала лучше, чем когда-либо, с их внутренним током и тепловым ограничением. У меня будут проблемы с нагревом, и, возможно, мне придется припаять большие куски медного провода к моей печатной плате, чтобы справиться с током, но, поскольку это мелкий рабочий цикл, я думаю, что я могу это сделать, не поджигая ничего.

Спасибо, господа за вашу помощь

Вот как я это сделаю. Цепь допускает большой начальный ток (ограниченный ESR C1 и сопротивлением истока-истока U2), но постоянно поддерживает ток от батареи ниже 20 А (при условии 15 В на диаграмму). Это должно обеспечить хорошую способность к быстрому воспламенению при хорошем обращении со случаем «плохо погруженного воспламенителя».

Изменить - если подумать, есть несколько проблем безопасности с этой схемой. Я скоро пересмотрю этот ответ с обновлением, которое решает эти проблемы.

Лампочка. Лампа накаливания мощностью 240 Вт, включенная последовательно с нагрузкой, будет ограничивать ток в наихудшем случае до 20 А, выступая в качестве простого проводника. Бонус обратной связи с оператором и аварийное отключение. Яркость пропорциональна току, протекающему в любой момент времени. Разбейте колбу лампы, и нить быстро сгорит, разрывая цепь.