Strombegrenzung einer kurzgeschlossenen Last auf 20 A

Ein Problem bei der Strombegrenzung unter Verwendung eines linearen Treibers wie diesem besteht darin, dass der Treiber Energie proportional zu der an ihm abfallenden Spannung dissipiert. Wenn die Last den größten Teil der Spannung abfällt, kann der Treiber möglicherweise so gebaut werden, dass er überlebt. Aber wenn die Last bei 20 Ampere nur um wenige Volt abfällt, wird der Treiber eine große Menge an Energie verbrauchen.

Bei 20 Ampere und 12 Volt verbraucht die Schaltung Leistung = V x I = 12 x 20 = 240 Watt. Das ist eine beträchtliche Menge.

Wenn die Last bei 20 A um 10 V abfällt, muss der Treiber die restlichen 2 Volt absenken. Der Lastverlust beträgt also 10 V x 20 A = 200 Watt und der Treiberverlust 2 V x 20 A = 40 Watt. 40 Watt in einem Darlington benötigen einen ziemlich großen Kühlkörper, um nicht zu heiß zu werden. Wenn Sie es schnell herunterfahren und nur ein oder zwei davon in diesem Modus sind, können Sie möglicherweise "damit durchkommen". Aber wenn mehrere Lasten für eine Weile auf Grenzstrom bleiben, "gibt es Probleme".

Eine Lösung besteht darin, einen Controller zu haben, der sich vollständig ausschaltet, wenn ich 10 Ampere überschreite, eine Weile wartet und es erneut versucht. Das Problem dabei ist, dass bis zu 20 A alles in Ordnung ist, aber wenn die Last versucht, mehr als 20 A aufzunehmen, ist sie auf Bursts von 20 A begrenzt = viel weniger als der Durchschnitt von 20 A.

Eine Lösung besteht darin, den Schalter zu "PWM" zu machen, wenn er sich in der Strombegrenzung befindet - der Schalter ist nur ein- oder ausgeschaltet - und das Aus-/Aus-Verhältnis so einzustellen, dass der Durchschnitt = 20 A beträgt. Die Schaltung dafür kann billiger und einfacher sein, als es sich anhört. Ein Operationsverstärker oder bis pro Schaltung und ein paar passive Komponenten. Oder ein CMOS-Schmitt-Gate-Paket und etwas Spielen.

Der "beste" Weg ist die Verwendung eines Schalttreibers, der bei 20 A begrenzt und die verfügbare Energie nur bei Bedarf herunterfährt. Dies können auch einfache 92-Transistoren in minimalistischer Form sein, benötigen jedoch eine störende Induktivität pro Schaltung.

Wie gezeigt, wird das Ergebnis SEHR ungenau sein, da die Stromverstärkung des Darlington-Transistorpaars sehr ungenau sein wird. Wenn Sie nicht auf Test auswählen (z. B. Basiswiderstand mit einem Potentiometer einstellen), ist dies sehr ungenau und auch dann noch nicht langfristig gut. Ich kann Ihnen billige Schaltungen für einen Strombegrenzungstreiber geben. aber erstmal sehen wo die frage hinführt.

Ja, Sie benötigen eine Diode über der Last, wenn sie induktiv ist, mit einer Polarität, die normalerweise nicht leitet.

Verlustleistung im Controller und warum:

Stromfluss von 12V durch Last und Regler nach Masse ist

• Ich = V/R.

R ist die Summe aller Widerstände in einem gegebenen Reihenpfad.

Für 20A bei 12V

• R = V/I = 12/20 = 0,6 Ohm.

Wenn Sie den Strom auf 20 A begrenzen, erstellen Sie ein elektronisch variables R, das das Gesamt-R im Stromkreis automatisch auf 0,6 Ohm einstellt, wenn die Last weniger als 0,6 beträgt.

Wenn die Last MEHR als 0,6 Ohm beträgt, bleibt der Controller hart eingeschaltet, da der Strom weniger als 20 A beträgt.

In Ihrem Beispiel mit einem 0,1R-Zünder muss der Controller 0,6-0,1 = 0,5 Ohm hinzufügen.

• Leistung im Zünder = I^2 x R = 20^2 x 0,1 = 40 Watt.

• Verlustleistung im Controller = 20 ^ 2 x 0,5 = 200 Watt.

Controller "wird heiß" :-).

PWM-Strombegrenzung:

PWM = Pulsweitenmodulation schaltet die Last für sagen wir X% der Zeit vollständig ein und für 100-X% der Zeit aus

Wenn Sie die Last mit einem Arbeitszyklus von 1:5 vollständig ein- und dann vollständig ausschalten, beträgt der durchschnittliche Strom 20 A.

I ein = 12/0,1 = 120 A !

Ich aus = 0

(1 x 120 A + 5 x 0 A ) / 6 = 20 Durchschnitt

Der Akku muss die 120A-Spitzen liefern können.

Das Hinzufügen einer Induktivität in Reihe mit der Last und einer "Fangdiode" verwandelt die Schaltung in einen "Abwärtswandler", z. B. so

Wenn der Schalter ein N-tel der Zeit eingeschaltet ist, beträgt die Ausgangsspannung 1/N-tel von Vin.

Der normale Ansatz besteht darin, Iout zu überwachen und die Einschaltdauer anzupassen, um den maximalen Strom wie gewünscht zu begrenzen.

Hier ist ein Beispiel, das genau das tut.

Das ist nicht ganz das, was Sie wollen, zeigt aber das Prinzip. Dies ist eine von mir kommentierte Relaistreiberschaltung von Richard Prosser. Das Ersetzen einer geeigneten Induktivität für L1 und das Platzieren der Last direkt unter L1 bietet eine strombegrenzte Versorgung. Dies wird ein bisschen "beschäftigt" für das, was Sie wollen.

Verwendung eines geschützten Strombegrenzungs-MOSFET

Es wurde die Verwendung eines stromgeschützten MOSFET vorgeschlagen, wie z. B. der geschützte Low-Side-Treiber NCV8401 von ON Semiconductor mit Strom- und Temperaturbegrenzung

Die Stärke des NCV8401 ist das Abschalten, wenn ein hoher Fehlerstrom aufrechterhalten wird, und das Begrenzen des maximalen Stroms, der fließen kann, wenn sich ein Fehler entwickelt. Geräte wie dieses machen das gut, aber sie sind nicht dafür gedacht, dass der Grenzstrom über lange Zeiträume aufrechterhalten werden kann. Ich habe versucht, ein solches Gerät direkt über eine Autobatterie anzuschließen und einzuschalten. Kein Problem – sie gehen einfach in die Begrenzung und kehren zum normalen Betrieb zurück, wenn der Überlastungszustand entfernt wird.

Dies sind wunderbare Geräte und an ihrer Stelle äußerst nützlich, aber sie erfüllen nicht das ursprünglich angegebene Ziel, unter zB Fehlerbedingungen einen konstanten Strom von 20 Ampere in der Last aufrechtzuerhalten, AUSSER wenn Sie sie wärmesenken, um den vollen Fehlerstrom aufzunehmen - was erforderlich ist eine Verlustleistung von bis zu 12V x 20A = 240 Watt im Treiber, Worst Case. Der NCV8401 hat einen Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse von 1,6 C/Watt und eine maximale Sperrschichttemperatur von 150 C. Selbst auf einem perfekten Kühlkörper (0 C/W) bei 25 C Umgebungstemperatur würden Sie maximal (150-25)/ 1,6 = 78 Watt. In der Praxis wären etwa 40 Watt selbst mit einem extrem leistungsfähigen Kühlsystem sehr, sehr gut.

Wenn die Spezifikation geändert wurde, ist das in Ordnung, aber wenn Sie kontinuierlich begrenzte 20 A beziehen möchten (bis sie gestoppt werden oder durchbrennen), gibt es nur zwei Möglichkeiten. Entweder

• (1) Akzeptieren Sie die Gesamtverlustleistung von 12 V x 20 A = 240 W, wobei der Treiber das abführt, was die Last nicht aufnimmt oder

• (2) Schaltmodus-Energieumwandlung verwenden, sodass der Treiber 20 A bei jeder Spannung bereitstellt, die für die Last erforderlich ist. Der Fahrer befasst sich nur mit Energie aus ineffizienter Umwandlung. Wenn die Last beispielsweise 0,2 Ohm beträgt, dann ist bei 20 A Vload = I x R = 20 A x 0,2 = 4 Volt. Die Lastleistung ist entweder I ^ 2 x R = 400 x 0,2 = 80 Watt ODER = V x I = 4 V x 20 A = 80 Watt (wieder natürlich).

In diesem Fall, wenn die 4 V von einem Schaltmoduswandler stammen, der einen Wirkungsgrad von z% hat (0 <= Z <= 100). Im obigen Beispiel, wo Pload = 80 Watt ist, dann verbraucht der Schaltwandler, wenn der Wandler z. B. Z = 70 (%) ist, nur (100-Z)/100 x Pload = 0,3 x 80 W = 24 Watt. Das ist immer noch beachtlich, aber weit weniger als die 240-80 = 160 Watt, die mit einem linearen Limiter verbraucht würden. So ...

Schaltregler Strombegrenzer

Dies ist als weiteres Beispiel und nicht als endgültige Lösung gedacht. Es könnte in Betrieb genommen werden, aber ein grundlegendes Design auf der Grundlage dieses Prinzips wäre besser.

Eine Schaltung, die fast genau das tut, was Sie wollen, kann z. B. mit einem MC34063 in der Schaltung von Abb. 11a oder 11b hier MC34063-Datenblatt gebaut werden

Es wäre wahrscheinlich so einfach, ein Paket von Komparatoren (z. B. LM393, LM339 usw.) zu verwenden, um etwas Ähnliches zu implementieren, da Sie eine echte Laststromerfassung anstelle der hier durchgeführten Zyklus-für-Zyklus-Erfassung durchführen können, aber dies wird funktionieren.

Die referenzierten MC34063-Schaltungen könnten modifiziert werden, um auf Wunsch einen externen N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFET zu verwenden (was ich wahrscheinlich verwenden würde). FETs haben in der Tat die Angewohnheit, bei Kurzschluss zu versagen. Das Entwerfen, dass sie selten, wenn überhaupt, fehlschlagen, macht dies weniger problematisch :-).

Hier kann die Ausgangsspannung auf „high“ eingestellt werden, da es uns um die Energiewandlung und die Strombegrenzung geht. Wenn beispielsweise die Last 0,4 R beträgt und die fiktive Zielspannung 12 V beträgt, begrenzt der Strombegrenzer, was wirklich passiert. Anstelle oder zusätzlich zum Zyklus-für-Zyklus-Begrenzer könnten Sie eine Laststromerfassung auf der niedrigen Seite hinzufügen und diese verwenden, um die Ansteuerspannung zu begrenzen, sodass der Ziellaststrom bereitgestellt wird.

Stufenwiderstands-Linearbegrenzer

Die einfachste Methode besteht möglicherweise darin, eine Reihe geschalteter Widerstände bereitzustellen, die binär geschaltet werden können, um den Laststrom auf 20 A zu begrenzen. Ein Zähler zählt den Widerstandswert hoch, wenn der Strom zu hoch ist, und herunter, wenn er zu niedrig ist. Die Verlustleistung beträgt 240 W bei 20 A, immer wenn die Last weniger als 0,6 R beträgt, ABER die Widerstände erledigen die Arbeit, und als Lastschalter verwendete Bipolartransistoren oder FETs können kühl laufen. Nicht zu schwer zu tun, aber ein "ärgerlich grober" Ansatz :-).

Ich würde vorschlagen, MOSFETs anstelle des Darlington-Transistors zu verwenden. Der Darlington kann ein paar Volt darüber haben und bei 20 A bis zu 40 W verbrauchen. Das wollen wir nicht. Es gibt MOSFETs, die sehr niedrig sind$R_{DS(ON)}$, die nur einen Bruchteil davon abführen wird.

Sie wollen keinen Strombegrenzer im Kurzschlussfall, sondern eine Leistungsabschaltung. Im Kurzschlussfall liegen die 12V(?) der Batterie über den schaltenden MOSFETs und selbst mit einem 20A-Strombegrenzer müssen sie mit 240W(!) fertig werden. Es gibt Tricks für Foldback-Strombegrenzer, die den Strom nach einem Kurzschluss auf ein sichereres Niveau reduzieren, aber meine Idee ist, dass es am besten ist, vollständig abzuschneiden.

Prinzip: Messen Sie die Spannung über den MOSFETs. Wenn es über einen bestimmten Schwellenwert wie 1 V steigt, wird ein Set-Reset-Flipflop zurückgesetzt, dessen Ausgang die MOSFETs ansteuert. Wenn der Kurzschluss entfernt wird, bleiben die MOSFETs ausgeschaltet, und das Set-Reset-Flipflop muss erneut gesetzt werden, um die Versorgung neu zu starten.

Nachdem Sie zuvor Pyro-Controller gebaut und verschiedene industrielle Sicherheitsimplementierungen an CNC-Geräten usw. durchgeführt haben, sollten Sie niemals eine Sicherheitssteuerung durch die Logikschaltung zulassen.

Sie sollten mindestens einen physikalischen Schalter in der DC-Leitung zu den Pyro-Zündgeräten als Teil des Aktivierungsschlüssels verwenden. Haben Sie darüber nachgedacht, was passieren würde, wenn, sagen wir, ein FET einen Kurzschluss hat ... sie tun es ... der Zündkreis wird unter Spannung stehen, der Typ geht, um den Pyro gegen den nächsten auszutauschen, und bläst seine Hand weg.

Alle Sicherheitsschaltkreise an Maschinen durchlaufen zugelassene Sicherheitsrelais, physische Relais, die den Antrieb zu Motoren usw. unterbrechen können. Sie verlassen sich nie darauf, nur das Signal zum Antriebsmotor zu unterbrechen ... sie unterbrechen wahrscheinlich auch dieses Signal, aber es gibt immer ein auch physisches Relais. Sie sollten zu 100% eine Möglichkeit zum Trennen der 12 V von den FETs als Teil Ihrer Sicherheitsschaltung enthalten.

Sie sollten auch die Einschaltzeit begrenzen, die von mir gebauten enthielten eine Kontinuitätsprüfung von ein paar ma, um anzuzeigen, ob vor dem Zünden ein guter Stromkreis auf dem Kanal war, und natürlich um Kontinuität zu zeigen, nachdem das Zünden des Geräts nicht gezündet hat ...

Meine eigene Antwort: Diese Schaltung ist in meinen Steckbretttests vielversprechend. Ich plane, den LED-Ausgang durch eine andere Schaltung zu ersetzen, um das Gate eines Leistungs-MOSFET herunterzuziehen.

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

Ich muss noch herausfinden, wie ich diese Abschaltung mit meinem bestehenden Kontrollschema koexistieren kann, aber es ist einfach.

ZWEITE Antwort, die ich wahrscheinlich implementieren werde:

Ich wollte dies ursprünglich wegen der Zuverlässigkeit und Robustheit mit Kfz-Relais tun. Später ging ich diesen Festkörperpfad ein, weil die physische Größe der Relais und ihrer Kabelbäume und Sockel ein wenig irritierend wurde und ich billige IGBTs und/oder SCRs zur Steuerung der Kanäle entdeckt hatte und nur dieses Strombegrenzungsschema durchführen wollte davor, Strombegrenzung für einen Satz von 4 Kanälen auf insgesamt 20A.

Abgesehen vom Treiben glaube ich, dass ich eines dieser wunderbaren Geräte pro Kanal verwenden werde: ON Semiconductor NCV8401 selbstschützender Leistungs-MOSFET . Sie sind als Ersatz für Kfz-Relais gedacht und kosten zu meinem großen Erstaunen nur 0,80 US-Dollar pro Stück. Ich bin mir sicher, dass Motorola (ON) mit seiner internen Strom- und Wärmebegrenzung besser abgeschnitten hat als ich es jemals tun werde. Ich werde Hitzeprobleme haben und wahrscheinlich große Stücke Kupferdraht an meine Leiterplatte löten müssen, um den Strom zu bewältigen, aber da dies ein Zeug mit kurzer Einschaltdauer ist, denke ich, dass ich es schaffen kann, ohne etwas in Brand zu setzen.

Vielen Dank, meine Herren, für Ihre Hilfe

So würde ich das machen. Die Schaltung ermöglicht einen großen Anfangsstrom (begrenzt durch C1 ESR und den Source-Drain-Widerstand von U2), hält den Strom von der Batterie jedoch jederzeit unter 20 A (unter der Annahme von 15 V gemäß Ihrem Diagramm). Dies sollte eine gute Schnellzündfähigkeit ergeben, während das Gehäuse mit "schlecht getauchtem Zünder" gut gehandhabt wird.

Bearbeiten - Bei weiterem Nachdenken gibt es bei diesem Schaltplan einige Sicherheitsprobleme. Ich werde diese Antwort bald mit einem Update überarbeiten, das diese Probleme behebt.

Die Glühbirne. Eine 240-W-Glühlampe in Reihe mit der Last begrenzt den Strom im schlimmsten Fall auf 20 A, während sie als einfacher Leiter dient. Bonus-Operator-Feedback und Notabschaltung. Helligkeit proportional zum jeweils fließenden Strom. Zertrümmern Sie die Glühlampenhülle und der Glühfaden brennt schnell ab und unterbricht den Stromkreis.