Strombegrenzungssteuerung über Mikrocontroller

Hier ist das Grundkonzept:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Die Spannung an R4,

$V_X = I_{OUT} R_4 (Rs/ R_1)$

Sie würden R3 und D1 auswählen (oder einen Shunt-Regler wie TLV431 verwenden), um eine geeignete geregelte Spannung für den Operationsverstärker zu erhalten.

Rs wird ausgewählt, um den gewünschten Spannungsabfall bereitzustellen. R1 bestimmt das Stromverhältnis R4 bestimmt die Ausgangsspannung und sollte so niederohmig sein, dass Ihr ADC zufrieden ist.

Sie müssen den Eingang durch Klemmen vor Überspannung schützen. Im schlimmsten Fall könnte es Vin / R1 sein, vorausgesetzt, nichts schlägt fehl.

Der Operationsverstärker muss einen Rail-to-Rail-Eingang haben, und viele dieser Operationsverstärker sind mit 5-V-Versorgungen zufrieden. Vorwiderstände zu den Eingängen können eine gute Idee zum Schutz vor Kurzschlüssen sein. Sie können auch einen Widerstand in Reihe mit dem Kollektor von Q1 schalten, vorausgesetzt, es fällt nicht zu viel Spannung bei minimalem Vin und maximalem Strom ab. Dies würde ein sicheres Klemmen für die MCU ermöglichen, unabhängig davon, was mit der Strommessschaltung passiert.

Die Hauptfehlerquellen sind Widerstandstoleranzen, einschließlich Verbindungswiderständen zu R2 und Operationsverstärker-Offsetspannung. Der Fehler aufgrund des letzteren ist ein "Null"-Offset von Vos/R2. Also ein 100uV Offset mit 10m$\Omega$Widerstand repräsentiert einen Fehler von +/-10mA im gemessenen Strom. Da die Schaltung nur einen Ausgang für positive Ströme bereitstellt, kann es 10 mA dauern, bis sie beginnt, mehr als Null zu lesen, oder sie kann 10 mA lesen, ohne dass Strom fließt. Aus diesem Grund möchten Sie einen Operationsverstärker mit relativ niedriger Offset-Spannung, vielleicht einen Chopper-stabilisierten Typ.

Sie können eine Kelvin-Verbindung zu R2 verwenden (vier Verbindungen, wobei die äußeren Verbindungen den hohen Strom führen).

Es ist auch möglich, anstelle des BJT einen P-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus zu verwenden, aber normalerweise gibt es keinen signifikanten Vorteil (es gibt einen kleinen Fehler vom Basisstrom in der gezeigten Schaltung, aber normalerweise etwas weniger als die Widerstandstoleranzen).

Messen Sie den Strom, der durch den MOSFET vom Eingang zum Ausgang fließt.

Der einfachste/einfachste und möglicherweise billigste Weg, um eine genaue Messung bereitzustellen, ist die Verwendung eines isolierten Halleffektgeräts wie dem ACS712 (jetzt durch den ACS723 ersetzt, aber immer noch leicht erhältlich). Es ist in mehreren FSD-Stufen erhältlich, aber die +/-5A sollten den Anforderungen entsprechen. Diese gibt es bei Ebay für wenige Euro als komplettes Modul.
Da der SCS7xx über eine gute interne Referenz verfügt, gibt die Ausgangsspannung den Strom durch den Messpfad bei 400 mV/A genau wieder. Hier gibt es einen sehr niedrigen Bahnwiderstand von typischerweise 0,65 mOhm, sodass der Spannungsabfall wahrscheinlich belanglos ist.

Sie haben nicht definiert, wie Sie mit der aktuellen Grenze von 3A umgehen wollen.
Beabsichtigen Sie:

1. Begrenzen Sie den Strom auf 3 A, was möglicherweise erfordern würde, dass der Reihen-FET bei kurzgeschlossenem Ausgang über 100 W abgibt.
2. Schalten Sie den Reihen-FET ab, wenn der Strom 3A übersteigt. Hier müssen Sie den Überlastzustand speichern und entweder einen MCU- oder manuellen Reset bereitstellen.
3. Bieten Sie einen Rollback des Stroms, nachdem Sie 3S erreicht haben. Beispielsweise können Sie auf 100 mA zurücksetzen, was bei einem Kurzschluss in diesem Zustand gelten würde. Es könnte sich jedoch selbst zurücksetzen, wenn es dafür ausgelegt ist.

Sie geben keine Ahnung, mit welcher Rate der Strom unter Fehlerbedingungen ansteigen würde. Dies lässt eine Reaktion der MCU ziemlich unangemessen erscheinen. Sie müssten entweder einen A / D verwenden, um den Strom aufzulösen, oder einen festen Schwellenwert (E / A-Pin), aber die MCU reagiert langsam. Wenn Sie eine Batterieversorgung mit beträchtlicher Ausgangskapazität verwenden, könnten Sie leicht bei 3 A auslösen, aber bis Sie reagieren, brechen Sie 30 A oder mehr.
Aus diesem Grund erfolgt die Überstromerfassung und -begrenzung größtenteils in analoger Hardware.

Nun zu deinem Schaltungsvorschlag. So wie dargestellt wird es sicher nicht funktionieren.
Sie haben einen Widerstandsteiler zum Fuß des P-Chan-Gatters eingebaut, was gut ist, aber die Werte sind falsch. Die meisten FETs haben V(GS)-Grenzwerte um 10–12 V, daher müssen Sie die Spannung unter allen Bedingungen auf weniger als diesen Grenzwert begrenzen. Ihr Teiler würde bei Ihrer höchsten angelegten Spannung zu fast 36 V über dem Gate führen.

Ich werde keine Schaltung vorschlagen, bis Sie entschieden haben, wie auf Überstrom reagiert werden soll.

Dies ist vielleicht nicht der Weg, den Sie gehen möchten, aber Analog Devices hat eine Reihe von Teilen, die als elektronische Sicherungen fungieren. Ich habe den LTC4361 Surge Stopper für diese Anwendung verwendet https://www.analog.com/en/products/ltc4361.html Es ist vielleicht mehr als das, wonach Sie suchen, aber es hat einige nette Funktionen.