Ist es möglich, die Spannungsversorgung einer Schaltung auf einen bestimmten Spannungsbereich zu beschränken?

Ich habe eine Schaltung, die genau 12 V benötigt, um ordnungsgemäß zu funktionieren, mit einer maximalen Toleranz von ± 0,5 V. Die Schaltung ist willkürlich und man kann sie sich als theoretische Frage vorstellen, aber nehmen wir an, dass sie normalerweise zwischen 0,1 A und 1 A benötigt (wie zum Beispiel einige Arduino + Servo Motor-Projekte).

Ist es in diesem Sinne möglich, eine Schaltung herzustellen, die nur aktiviert wird, wenn die Spannung sehr nahe an 12 V liegt?

Genauer gesagt hat diese Schaltung einige Bedingungen:

  • Es sollte keinen signifikanten Strom unter 11 V erzeugen (oder, wenn möglich, überhaupt keinen Strom). Die Schaltung sollte nur in der Nähe von 12 V aktiviert werden;
  • Es sollte nicht das gesamte Gerät durchbrennen, wenn die Spannung über 13 V liegt. Oberhalb dieser Spannung muss sich das Gerät einfach ausschalten oder irgendwie daran gehindert werden, aktiviert zu werden, bis es wieder auf 12 V zurückgeht. Um vernünftig zu sein, soll es keine Spannungen von bis zu 127 V verhindern, aber mindestens bis zu 20 V oder so;
  • Es muss nur eine Stromversorgung bereitgestellt werden, sodass die Schemata für Spannungsbegrenzung/Steuerung/Durchgang nur von dieser Versorgung abhängen dürfen. Kein Schummeln mit externen Wandadaptern oder angeschlossenen 9-V-Batterien :)

Zusammenfassend wäre es eine einfache Schaltung, die sowohl Unterspannung als auch Überspannung von der Stromversorgung verhindert, indem sie den Strom daran hindert, durch die verbleibende Schaltung zu fließen, und ihn nur bei nahe 12 V aktiv hält.

Das folgende Diagramm zeigt ein Beispiel dafür, wie die Schaltung in diesem bestimmten Spannungsbereich aktiv wäre (z. B. einige LEDs emittieren, einige Motoren antreiben usw.).

Diagramm der Schaltungsaktivität. Die "Aktivität" ist die Fähigkeit, einen Stromkreis zu aktivieren, normalerweise Strom.

(Entschuldigung, wenn ich irgendwelche seltsamen Begriffe verwende, ich komme aus den Biowissenschaften und habe zufällig eine unaufhörliche Neugier für Elektronik entwickelt.)

Beispiele mit integrierten Schaltungen sind immer willkommen. Aber wenn möglich, bitte nichts zu ausgefallenes. Leider gibt es in meinem Land kein Texas Instruments und der Zugang zu ungewöhnlichen elektronischen Teilen ist etwas eingeschränkt. Allerdings wäre jede Referenz akzeptabel, solange sie dazu beiträgt, diese Schaltung zu ermöglichen.

Meistens würden Sie einen Spannungsregler verwenden, bei dem es sich um ein Gerät handelt, das eine Reihe von Spannungen aufnimmt und genau 12 V (oder eine andere eingestellte Spannung) zurückgibt. Dann (für eine Reihe von Spannungen) erhält Ihr Stromkreis immer die gewünschten 12 V. Oft beinhalten diese auch eine Unterspannungserkennung, die den Strom abschaltet, wenn die Spannung zu niedrig wird.
Als allgemeiner Gedanke zu Ihrer allgemeinen (wissenschaftlichen) Frage: Selbst wenn es leicht verfügbare ICs gäbe, die bei einer beliebigen Eingangsspannungsquelle 12 V erzeugen, hätte dies nur eine "Anfangsgenauigkeits" -Spezifikation, und diese Spezifikation kann Ihnen Garantien geben oder nicht über die anfänglichen Genauigkeitserwartungen hinaus. Es driftet mit der Zeit und Temperatur und Lastschwankungen und Eingangsquellenschwankungen und wahrscheinlich der Mondphase. Genauigkeit ist sehr schwer zu erreichen und dann noch schwerer zu behalten. Präzision ist einfacher. Die Antwort liegt also zwischen Ja und Nein und hängt davon ab, welche Toleranz Sie gewähren.
Ihr Aktivitätsparameter ist für Elektronikfreaks seltsam. Dies ist sinnvoll, da die Versorgungsspannung von einer niedrigen Spannung bis zu +12 V ansteigt und leicht erreicht werden kann. Aber ab +12V bringt mich etwas Verwirrung. Es schlägt die Anforderung eines negativen Widerstands vor, bei dem eine steigende Eingangsspannung dazu führt, dass weniger Strom fließt. Ich denke, negativer Widerstand ist nicht das, was Sie wollen ! Eine Überspannungsabschaltung ist möglich, sobald ein Auslösepunkt überschritten wird (z. B. +12,6 V), was einen Eingriff durch einen Benutzer erfordert, um ihn zurückzusetzen.
" ... genau 12 V ... ±0,5 V " ist ein kleiner Widerspruch. Entfernen Sie "genau".
@ user1850479 Spannungsregler schalten den Stromkreis nicht unter einer oberen Spannungsschwelle aus, sondern nur unter minimalen Spannungsschwellen. Zumindest nicht die, die ich kenne. Gibt es einen IC mit einer solchen "oberen Schwelle"?
@glen_geek Tatsächlich ist hier eine negative Spannung nicht der Fall.
@Transistor Ich habe ± 0,5 V gesetzt, um mich auf die Toleranz zu beziehen, nicht auf die maximale Aktivität. Wie auch immer, ich denke, Sie haben den Punkt bereits verstanden, es ist nicht so, als wären Sie in C++ programmiert, um einer solchen Anweisung einen Kompilierungsfehler zuzuschreiben: D

Antworten (3)

Die Lösung von @ user4574 ist wunderbar einfach, aber ich wurde von seinem Vorschlag eines Fensterkomparators mit tatsächlichen Komparatoren inspiriert. Hier ist mein Ansatz dazu:

Stromabschaltung des Fensterkomparators

Es verwendet die gleiche Technik wie die Verwendung eines P-Kanal-MOSFET (Q2), um den Ausgang ein- oder auszuschalten, aber LM393-Komparatoren sind dafür verantwortlich, eine Eingangsspannung außerhalb der akzeptablen Schwellenwerte zu erkennen.

Da jeder Komparator einen Open-Collector-Ausgang hat, benötigen sie einen Pull-Up-Widerstand, aber ihre Ausgänge können miteinander verbunden werden, so dass, wenn einer der Komparatoren seinen Ausgang auf Low zieht, der kombinierte Ausgang ebenfalls Low ist, in einem "Wire-AND" -Typ Anordnung. Nur wenn beide hoch sind, kann die kombinierte Ausgabe unter der Steuerung von R10 und R21 steigen.

Ich möchte, dass das System die Ausgabe deaktiviert, wenn einer der Komparatoren einen "out-of-bounds"-Zustand erkennt, und um die Open-Collector-"Wire-AND"-Aktion des Komparators nutzen zu können, muss ich sie so konfigurieren, dass ihre Ausgänge sind niedrig, wenn sie einen solchen Zustand feststellen.

Mit anderen Worten, nur wenn beide "hohe" Ausgänge haben, sollte Q2 eingeschaltet werden. Leider ist das genau das Gegenteil des Signals, das für das Gate von Q2 erforderlich ist, also füge ich einen einzelnen NPN-Transistor (Q1) hinzu, um den Ausgang des Komparators zu invertieren, und ich treibe stattdessen das Gate von Q2 damit.

Drüben auf der linken Seite bekomme ich schöne konstante 9,1 V von der Verbindungsstelle von R1 und D1 (zumindest wenn die Eingangsspannung über 9,1 V liegt), und das ist meine Referenz für die beiden Komparatoren.

R2 und R3 liefern mir eine Spannung, die 78% des Eingangs beträgt, und R4 und R5 liefern 73%. Sie sind so gewählt, dass bei einem Eingang von 12,5 V die von CMP1 verglichene Spannung etwa 9 V beträgt (nahe der Referenz von D1), und wenn der Eingang 11,5 V beträgt, der Eingang von CMP2 ähnlich etwa 9 V beträgt.

Daher zieht CMP1 den Ausgang auf Low, um einen Überspannungszustand anzuzeigen (Vin > 12,5 V), und CMP2 zieht den Ausgang auf Low, wenn ein Unterspannungszustand vorliegt (Vin < 11,5 V). Eigentlich sind dies keine genauen Werte, da ich durch E12-Werte für die Widerstände eingeschränkt bin, aber sie liegen innerhalb von 0,1 V oder so.

Schließlich habe ich für jeden Komparator (über R6, R7, R8 und R9) eine kleine Menge positiver Rückmeldungen eingefügt, um eine gewisse Hysterese zu implementieren. Dies hilft zu verhindern, dass die Schaltung oszilliert, wenn Vin jemals um einen der Schwellenwerte "schwebt". Dies verhindert auch, dass die Schaltung verwirrt wird, wenn die plötzliche Last, die beim Einschalten von Q2 auftritt, dazu führt, dass Vin leicht abfällt.

Ich werde hier einen Haftungsausschluss hinzufügen, dass ich dies simuliert habe und es sich so verhält, wie ich es beschrieben habe, aber ich habe es nicht im wirklichen Leben mit echten Lasten und echten Spannungsquellen getestet.

Ein weiterer Haftungsausschluss: Das ist kompliziert und übertrieben, und ich bin sicher, es kann vereinfacht werden. Es macht einfach Spaß zu entwerfen und herumzuspielen.
Ihre Antworten (Ihre und @user4574) waren beide erstaunlich! Die Lösung von @ user4574 scheint einfacher zu sein und erfordert weniger Schaltkreise, während Ihre robuster erscheint und mehr Aufwand erfordert. Ich entscheide immer noch, welche die beste Lösung ist, also werde ich Ihre Schaltungen vorher testen, um Ihnen Feedback zu geben.

Was Sie beschreiben, wird als Fensterkomparator bezeichnet. Ein präziser Fensterkomparator kann mit einer Spannungsreferenz und einigen Komparator-ICs hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, einen mit vier Widerständen und zwei Bipolartransistoren zu bauen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Die Schaltung funktioniert wie folgt.

Wenn die Eingangsspannung über VBE_ON * (1 + R1/R2) steigt, schaltet sich Q1 ein und die Last wird von M1 versorgt. Wenn wir VBE_ON = 0,6 V, R1 = 110 K und R2 = 6 K Ohm lassen, liegt die Einschaltschwelle bei etwa 11,6 V. Unter 11,6 V ist Q1 ausgeschaltet und die Last hat keinen Strom.

Wenn die Eingangsspannung über VBE_ON * (1 + R3/R4) steigt, schaltet sich Q2 ein, wodurch Q1 ausgeschaltet und die Last ausgeschaltet wird. Wenn wir VBE_ON = 0,6 V, R3 = 120 K, R4 = 6 K Ohm lassen, liegt die Abschaltschwelle bei etwa 12,6 V.

Zusammenfassend ist die Last eingeschaltet, wenn die Eingangsspannung zwischen 11,6 V und 12,6 V liegt. Sonst ist es aus.

Die VBE_ON-Schwellenwerte der Transistoren sind nicht unbedingt genau 0,6 V und können sich mit der Temperatur ein wenig ändern. Daher müssen Sie möglicherweise mit den Widerstandswerten spielen, bis Sie die genauen Schwellenwerte erhalten, die Sie möchten.

Haben Sie sich Spannungsüberwachungs-ICs angesehen? Sie können einen P-Kanal-MOSFET verwenden, um die Stromversorgung nur einzuschalten, wenn Sie im Band sind und der Strom in Ordnung ist. Als Controller kommt mir der MC34161 in den Sinn. Es gibt viele andere, die die Arbeit erledigen können. Der Primärregler usw. muss so dimensioniert sein, dass er Ihre Last unterstützt, die Sie nicht angegeben haben. Es gibt kommerzielle Einheiten, die tun könnten, was Sie wollen.

Hast du eine Schaltung als Beispiel? Wie auch immer, der MC34161 scheint einen guten Bereich der Versorgungsspannung (2 V bis 40 V) zu unterstützen, also wäre er ein guter Kandidat, wenn er außerhalb der USA weit verbreitet wäre. Leider ist dieser IC hier etwas teuer (etwa 11 $ umgerechnet von der Währung meines Landes).
Ich habe sie an mehreren Stellen für unter 2,00 USD und unter 1,00 USD für ein Dutzend gefunden. Suchen Sie online, sie sollten leicht verfügbar sein.
Ja, 1,00 USD für den IC + 10,00 USD Versandkosten und Einfuhrsteuern. Der Kauf aus Übersee ist hier in meinem Land unverschämt teuer, also bin ich ein bisschen neidisch auf Sie. :P
Ist es möglich, die Spannungsversorgung einer Schaltung auf einen bestimmten Spannungsbereich zu beschränken?
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