Eingangsschutz für eine elektronische Last

Ich arbeite derzeit an einer Dummy-Last, die zum Testen kleiner Netzteile mit weniger als etwa 10 V entwickelt wurde. Ich möchte einen Rückwärtseingangsschutz bereitstellen, um zu verhindern, dass die Operationsverstärker beschädigt werden. Da die Last die Eingangsspannung messen muss (Konstantleistungs- und Widerstandsbetrieb), muss der Spannungsabfall über dem Eingangsschutz so gering wie möglich sein.

Ich habe über die Verwendung eines P-Kanal-MOSFET nachgedacht, aber das erfordert, dass die Eingangsspannung über der Vgs-Schwelle des MOSFET liegt, was über der Mindestspannung liegt, die diese Last testen kann (idealerweise unter ~ 1 V). Außerdem würde dies zu großen Spannungsabfällen und Verlustleistung führen, wenn die Eingangsspannung nahe der Vgs-Schwelle des MOSFET liegt.

Eine andere Lösung, die ich gesehen habe, ist ein Zener mit Sicherung / PTC. PTCs lösen zu langsam aus und Sicherungen müssen ausgetauscht werden, das scheint also keine gute Lösung zu sein.

Die einfachste Lösung, die mir einfällt, ist eine einzelne Diode, aber das ist wegen des ziemlich großen Spannungsabfalls (mindestens etwa 0,3 V bei einem Schottky) auch nicht ideal.

Hier meine aktuelle Schaltung:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich schätze alle Ideen, die Sie alle zu bieten haben!

BEARBEITEN: Ich habe vergessen zu erwähnen, dass dies NICHT von der zu testenden Stromversorgung gespeist wird. Es wird batteriebetrieben sein, also denke ich an 2 3-V-Knopfzellen in Reihe, die auf 5 V geregelt sind.

Außerdem glaube ich nicht, dass mir klar war, was ich mit der Verwendung eines P-Kanal-MOSFET gemeint habe: https://www.circuitlab.com/circuit/bka32t/p-channel-protection/

Irgendetwas ist mit der Schaltungsbefestigung schief gelaufen.
Das war schnell! Sollte jetzt funktionieren.

Antworten (3)

Für den Verpolungsschutz könnten Sie (konzeptionell) so etwas in Betracht ziehen. Dioden sind die inhärenten Body-Dioden der N-Kanal-MOSFETs, keine diskreten Komponenten.

Jeder Eingang kann bis zu einem Diodenabfall (Body) negativ werden, daher kann je nach Verstärker/Komparator eine gewisse Vorspannung erforderlich sein, möglicherweise ein Widerstand gegen Masse an jedem Eingang des Komparators und ein Widerstand gegen +5, um den Eingang über Masse vorzuspannen . Einige Verstärker/Komparatoren benötigen möglicherweise nur ein Teilernetzwerk.

Wenn Vx negativ ist, beträgt der Ausgang von U1 auf jeden Fall ~ 0 V, sodass Q2 ausgeschaltet bleibt, und Vx kann so hoch wie die Durchbruchspannung von Q2 sein, ohne Schaden zu verursachen (vorausgesetzt, R4, R5 sind hoch genug, um Schäden an U1 zu vermeiden). Wenn Vx mehr als ein paar mV positiv ist, schaltet Q2 vollständig ein und fügt der Schaltung nur Milliohm hinzu.

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich baue diese Schaltung auf und bin immer noch etwas verwirrt über eine Sache. Was genau meinen Sie mit "Jeder Eingang könnte so stark negativ werden wie ein (Körper-) Diodenabfall"? Schalten sich der Komparator und Q2 nicht automatisch aus und verhindern einen Stromfluss?
Es sollte , aber wenn der Komparator etwas komisch macht (weil der Eingangs-Gleichtaktbereich überschritten wurde), ist es vielleicht nicht so. Einige Teile (z. B. LM324) kehren die Phase um, wenn ein Eingang unter Masse gebracht wird, was zu einer Verriegelung führt. Stellen Sie besser sicher, dass es unter allen möglichen Eingaben funktioniert.
Meine Versorgungsspannung (5 V) ist möglicherweise geringer als die Eingangsspannung, die bis zu 10 V betragen wird. Ich kann einfach die Eingangsspannung teilen und diese dann vorspannen, richtig?
Ja, also 3 Widerstände pro Eingang.
Hatten Sie das im Sinn? In CircuitLab scheint es gut zu funktionieren. Ich habe die Widerstandswerte so hoch gewählt, wie ich es für praktisch hielt. Sollen sie geändert werden? circuitlab.com/circuit/7gzsm4/electronic-load
Sieht gut für mich aus. Der maximale Wert hängt davon ab, welchen Chip Sie verwenden und wie viel Offset in Ordnung ist, aber für einen CMOS-Eingang kann das in Ordnung sein.
Großartig. Ich schätze all Ihre Hilfe sehr!

Sie sollten einen 10k-Widerstand in den Pfad von der FET-Quelle zum -ve-Eingang des Operationsverstärkers einbauen. Sie möchten nicht, dass das dort direkt angeschlossen wird, und Sie erfassen nur die Spannung. Achten Sie jedoch auf die Eingangsvorspannung dieses Operationsverstärkers, da dies einen Spannungsabfall über den 10k verursacht und Fehler hinzufügt. Wählen Sie daher einen Widerstand, der niedrig genug ist, um Ihrer Spannungserfassung keinen signifikanten Fehler hinzuzufügen, oder einen Präzisions-Operationsverstärker mit niedrige Eingangsruheströme.

Sie möchten auch 10 Ohm bis 100 Ohm zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers und das Gate des FET legen. Der Operationsverstärker möchte das kapazitive Gate nicht ansteuern, und die 10-100 Ohm dort bilden zusammen mit der Gate-Kapazität einen Pol, der die Schleife stabilisiert. Einige Leute fügen gerne zusätzliche Kapazität vom Gate zu GND hinzu, wenn die Schleife immer noch schwingt und sie noch langsamer brauchen.

Für den Verpolungsschutz können Sie möglicherweise den Strommesswiderstand so verwenden, wie er vorhanden ist, und entweder einen FET im Verarmungsmodus (wenn Sie die Vgs-Probleme lösen können) oder einfach ein Relais. Beachten Sie, dass die Body-Diode des MOSFET bei umgekehrt angeschlossener Last in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und der Messwiderstand und der MOSFET im Strompfad liegen. Dies wird ein hoher Strom sein, und Sie können das spüren, und Sie können auch spüren, dass er durch die Polarität über dem Messwiderstand umgekehrt ist.

Außerdem können Sie diese nicht über die LOAD mit Strom versorgen. Sie müssen eine unabhängige Stromversorgung für die Operationsverstärker haben. Sie können sich ein Grundstück teilen, das ist alles.

Für ein fortschrittlicheres Design können Sie die Ausgangssektion schweben lassen und diese von einer separaten Versorgung mit Strom versorgen. Das Schließen der Schleife vom MOSFET zum Operationsverstärker würde über Optokoppler oder Signaltransformatoren in beide Richtungen erfolgen.

Danke für die Vorschläge zu den Rückkopplungswiderständen. Ich werde dafür sorgen, dass diese hinzugefügt werden. Außerdem ist dieser Operationsverstärker nur einer, den ich in CircuitLab zur Simulation verwendet habe. Ich bin mir nicht sicher, was ich im endgültigen Design verwenden werde. Der FET im Verarmungsmodus ist eine interessante Idee, aber wie verhindert er, dass die negative Spannung die Mess-Operationsverstärker zerstört? Reichen hochwertige Widerstände aus, um diese zu schützen?
Der einfachste Weg, über die umgekehrte Anwendung des Last-Netzteils nachzudenken, besteht darin, den Knoten am Drain des FET zu betrachten. Wenn Ihr Netzteil 15 V hat und Sie es umgekehrt einschalten, ist das EINZIGE, was Ihre Schaltung sehen würde, dieser Knoten bei -15 V. alles andere ist gleich; GND würde nicht plötzlich auf +15 V ansteigen, aber dieser Knoten wird herunterfallen. Sehen Sie sich also diesen Punkt an und bestimmen Sie, was passieren wird, wenn dieser Knoten am Drain des FET -15 V beträgt (oder Ihre maximale Netzteilspannung, wenn Sie 48-V-Netzteile testen, beträgt dieser Punkt -48 V. Wie können Sie Ihre Schaltung jetzt schützen? . :)
Ich beginne mit Ihnen. Angenommen, Sie versorgen die Operationsverstärker über ihre eigene Stromschiene und legen -15 V an diesen Knoten an, gilt Folgendes: OA3 ist sicher vor Schaden, es sieht nur -1,5 V an seinem Eingang und kein Strom.
OA6 ist immer noch sicher ... es sieht nur die Differenzspannung über dem R1-Messwiderstand, genau wie zuvor, nur dass jetzt die Spannung umgekehrt ist. Der -ve-Eingang ist negativer als der +ve-Eingang, sodass der Ausgang auf GND geht. 0V. Der FET ist in dieser speziellen Situation in Ordnung (Gate auf 0 V). [Hinweis: Wenn Sie OA6 mit einer bipolaren Versorgung versorgen, können Sie ihn in dieser Situation unter GND gehen lassen. (Der FET mag das möglicherweise nicht, Sie benötigen jetzt eine Diode zum Gate) ... aber dieser negative Schwung des Ausgangs kann Ihre Verpolungsanzeige sein und andere Logik ansteuern, um die Last zu trennen :)
Nur zur Verdeutlichung, wir sprechen über die Verwendung eines Verarmungs-FET, richtig? Solange der FET ausgeschaltet ist, sollten OA6 und OA2 in Ordnung sein, da beide den Abfall über dem Widerstand messen, richtig?
Ich habe nicht daran gedacht, einen Verarmungs-FET als aktiven Haupt-FET zu verwenden, aber ich nehme an, das könnte auch funktionieren. Es ist nicht die Lösung für den Verpolungsschutz. Ich dachte, Sie könnten den FET im Verarmungsmodus in Übereinstimmung mit dem Eingang verwenden, sodass er normalerweise offen ist. Wenn Sie jedoch die Sperrspannung erfassen, indem Sie die negative Spannung am Drain des Hauptleistungs-FET erfassen, könnte dies verwendet werden Klemmen Sie den Dep-FET ab und trennen Sie die Sperrspannung. so etwas.. Ich habe es nicht gut durchdacht, es ist nur eine Idee für Sie, mit der Sie arbeiten können. Vgs für den Dep-FET können nicht von der Last kommen
Ja, diese beiden Operationsverstärker sind sicher, ebenso wie der dritte. Der Schlüssel ist zu verstehen, was ich gesagt habe, als ich sagte, dass "eine negative Spannung nur an diesem Knoten (dem Drain des Haupt-FET) erscheint, also welche Probleme verursacht das?" dh wenn dieser Knoten auf -Vmax geht, ist er sicher? Sie haben einen Kurzschluss vom GND-Anschluss über den Sense R1 durch die Haupt-FET-Body-Diode und zum +RED-Anschluss Ihrer Last. Wenn Ihr Netzteil 100 A liefern kann, reicht es aus; Fragen Sie sich also, was wird das bewirken? Wird der Widerstand explodieren, wird der FET seine Spitze durchbrennen? Natürlich wird es das. Sie brauchen also auch eine Sicherung.

Wenn Sie Operationsverstärker in Ihrer Dummy-Last haben, können Sie diese beim Testen nicht über das Netzteil mit Strom versorgen, wenn es nur 1 Volt liefert. Dies muss bedeuten, dass Ihre Dummy-Last eine externe Versorgung hat, und wenn ja, was ist dann das Problem, wenn Sie damit eine ausreichende negative Spannung erzeugen, um Ihren p ch fet einzuschalten? Vielleicht übersehe ich hier etwas?

Danke für die Antwort! Ich habe vergessen zu erwähnen, dass dies NICHT von der zu testenden Stromversorgung gespeist wird. Es wird batteriebetrieben sein, also denke ich an 2 3-V-Knopfzellen in Reihe, die auf 5 V geregelt sind. Ist es basierend auf der Eingangsschutzschaltung, die ich gerade in der Bearbeitung hinzugefügt habe, immer noch möglich, eine negative Spannung zu erzeugen? Wie würde ich das auf eine negative Eingangsspannung reagieren lassen?
Eingangsschutz für eine elektronische Last
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