Защита от обратного тока: как защитить ваши схемы, используя только диод

Содержание

как защитить ваши схемы, используя только диод

Добавлено 1 ноября 2018 в 16:44

Сохранить или поделиться

Подключение питание с неправильной полярностью – эту ошибку совершить легко. К счастью, защита вашего устройства от обратной полярности также довольно проста.

Защита от обратной полярности: как защитить ваши схемы, используя только диод

Когда вы меняете полярность питания вашего устройства, могут произойти плохие вещи. Обмен местами положительного и отрицательного выводов питания, вероятно, является основным способом «пускания дыма» от новой блестящей печатной платы, и это на самом деле лучший сценарий, чем нанесение какого-то незначительного урона, который приводит к недоумению и непредсказуемым сбоям. Обратная полярность также может возникать после фазы тестирования и разработки. Устройство, как правило, разработано так, чтобы предотвращать неправильное подключение кабеля конечным пользователем, но даже самые лучшие из нас могут иногда вставлять аккумулятор, не глядя на полярность.

..

Я предпочитаю использовать все доступные средства, чтобы сделать обратную полярность физически невозможной, но суть в том, что устройство никогда не является действительно безопасным, если сама схема не сможет выдержать напряжение питания обратной полярности. В данной статье мы рассмотрим два простых, но очень эффективных способа сделать вашу схему надежной против ошибок изменения полярности питания.

Что такое диодная защита от обратной полярности?

На самом деле вы можете получить защиту от обратной полярности с помощью одного лишь диода. Да, всё, что вам нужно, это один диод. Это действительно работает, но, конечно, более сложное решение может обеспечить лучшую эффективность.

Идея здесь состоит в том, чтобы поставить в линию питания последовательно диод.

Защита от обратной полярности с помощью диода

Если вы не знакомы с этим методом, он может показаться немного странным. Может ли диод изменить полярность приложенного напряжения? Может ли он действительно «изолировать» схему, расположенную ниже, от приложенного напряжения?

Он, конечно, не сможет «отменить» обратную полярность, но он может изолировать остальную часть схемы от этого условия просто потому, что он не будет проводить ток, когда напряжение катода выше напряжения анода.

Таким образом, в случае обратной полярности наносящие повреждения обратные токи не смогут протекать, и напряжение на нагрузке не будет таким же, как обратное напряжение источника питания, потому что диод работает подобно разрыву в цепи.

Схема LTspice, показанная выше, позволяет нам исследовать переходное и установившееся поведение схемы защиты на основе диода. Первоначально напряжение составляет 0В, затем оно резко изменяется до –3В. Моя идея здесь заключается в том, чтобы имитировать эффект неправильной установки двух аккумуляторов 1,5В (или одной батареи 3В). Моделирование включает в себя сопротивление нагрузке (соответствующее схеме, которая потребляет около 3 мА) и емкость нагрузки (соответствующая блокировочным конденсаторам у нескольких микросхем).

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода

Вы можете видеть, что через диод протекает некоторый обратный ток (т.е. от катода к аноду). Переходной ток очень мал, а ток в установившемся состоянии незначителен.

Однако ток течет, и, следовательно, диод со стороны катода не совсем «оторван» от цепи питания; вместо этого в цепи нагрузки имеется очень малое обратное напряжение. Однако это не является установившимся состоянием. Если мы продолжим моделирование до 300 мс, мы увидим следующее:

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода (продолжительность 300 мс)

Так как емкость нагрузки заряжается и становится разрывом в цепи, ток падает до нуля (точнее, до 0,001 фемтоампера, в соответствии с LTspice), и, следовательно, на нагрузке нет никакого обратного напряжения. Вывод здесь заключается в том, что диод не идеален, но, насколько мне известно, его достаточно, потому что я не могу себе представить, что на какую-то реальную схему могут негативно повлиять ~100 мс напряжения обратной полярности в несколько микровольт.

Достоинства и недостатки

К текущему моменту достоинства этой схемы должны быть очевидны: она дешева, чрезвычайно проста и эффективна. Однако есть определенные недостатки, которые необходимо учитывать:

  • Во время нормальной работы на диоде падает ~0,6В.
    Это может быть значительной частью напряжения питания, а при уменьшении напряжения батареи устройство может перестать работать раньше срока.
  • Любой компонент, который вызывает на себе падение напряжения и ток, протекающий через него, потребляет энергию. Если эта рассеиваемая энергия исходит от батареи, диод сокращает время автономной работы. Это не может быть приемлемым компромиссом в устройствах, которые имеют очень низкий риск возникновения обратной полярности.

Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Простым способом смягчения обоих указанных недостатков является использование диода Шоттки вместо обычного диода. Этот подход уменьшает потери напряжения и рассеивание мощности. Я не уверен, как могут вести себя маломощные диоды Шоттки, но в некоторых случаях прямое напряжение может быть ниже 300 мВ.

Вот новая схема моделирования:

Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Следующие спецификации дают нам пример характеристик диода BAT54 при прямом напряжении:

Характеристики диода BAT54 при прямом напряжении

Ниже показан график переходного и установившегося отклика схемы защиты от обратной полярности на основе диода Шоттки.

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Вы можете видеть, что обратный ток и обратное напряжение на нагрузке намного больше, чем те, что мы наблюдали с обычным диодом. Этот более высокий обратный ток утечки является известным недостатком диодов Шоттки, хотя в этом конкретном применении обратный ток по-прежнему намного ниже, чем что-либо, что может вызывать серьезную озабоченность. Поэтому, когда дело доходит до защиты от обратной полярности, диоды Шоттки определенно предпочтительны.

Заключение

Мы видели, что один диод представляет собой удивительно эффективный способ включения в схему электропитания устройства защиты от обратной полярности. Диоды Шоттки имеют более низкое прямое напряжение и, следовательно, обычно лучше подходят, чем обычные диоды. Те, кто имел опыт с этими схемами, рекомендуют 1N4001 (если вы по какой-либо причине хотите использовать обычный диод) или MBRA130 (это диод Шоттки).

Оригинал статьи:

Теги

ДиодДиод ШотткиЗащита цепейИсточник питанияОбратная полярностьОбратный токОбратный ток утечки

Сохранить или поделиться

1. Backfeed protection. Защита от обратного питания ИБП.

  Согласно ГОСТ Р МЭК 62040-1-1-2009 (IEC 62040-1-1:2002), «Источники бесперебойного питания (ИБП), Общие требования и требования безопасности для ИБП, используемых в зонах доступа оператора», в ИБП следует обеспечить защиту от обратного питания Backfeed Protection. Опасность поражения электрическим током не должна появляться на входных клеммах переменного тока устройства защиты от обратного питания при нормальных условиях отказа одиночного компонента в случае исчезновения входного напряжения переменного тока.

Реализация в ИБП EATON. Преимущества Backfeed Protection.

Введение

  Термин «backfeeding» означает ситуацию, когда электропитание подается обратно к входным клеммам источника бесперебойного питания, т.е. когда направление передачи электропитания противоположено нормальной работе. Это создает угрозу безопасности, поскольку присутствие обратного питания может привести к тому, что входные клеммы будут  находиться под напряжением, даже если они были отключены от сети.

Присутствие обратного питания также может привести к серьезным нарушениям в работе другого оборудования, подключенного к общей точке выхода ИБП, и категорически запрещено поставщиками электроэнергии.
Backfeed контактор, в ИБП EATON, защищает обводную линию в случае неисправности статического байпаса, который состоит из последовательно соединенных тиристоров. В худшем случае, при поломке тиристоров может произойти короткое замыкание во всей внутренней линии байпаса ИБП, что вызовет низкое значение сопротивления для большого количества энергии.

Требование к защите от обратного питания

   Как уже говорилось ранее, государственный стандарт ГОСТ Р МЭК 62040-1-1-2009 (IEC 62040-1-1:2002) требует, чтобы устройство ИБП исключало присутствие опасного напряжения и токов, которые могут присутствовать на входных контактах ИБП после отключения вводных автоматов.

  Стандарт допускает два вида реализации защиты от обратного питания: установка внутреннего изолирующего устройства и установка внешнего изолирующего устройства, но с функцией обнаружения и контроля обратных токов, внутри ИБП.

Защита от обратного питания в одиночной системе ИБП

   3-х фазные модели ИБП EATON, такие как: 9355, 9390 и 9395 включают в себя внутренние контакторы защиты от обратного питания, как стандарт (в некоторых новых моделях устанавливается опционально). На рисунке 1 показана схема ИБП EATON, модели 9395-275кВА, в которой присутствует контактор К5, выполняющий функцию защиты от обратного питания. Входные контакты выпрямителя и байпаса изображены на схеме слева, а выходные контакты ИБП справа.

Рисунок 1. Контактор К5.

   Внутренний контактор К5 (backfeed contactor) используется для автоматической защиты в аварийных ситуациях, в случаях неисправности статического байпаса. Если в тиристорах статического байпаса происходит короткое замыкание, выход байпаса будет замкнут с выходом инвертора, в таком случае, если ИБП будет находится в режиме on-line или на батареях, во входящих цепях источника появятся большие токи (встречное напряжение). Встроенное программное обеспечение ИБП включает в себя функцию обнаружения обратного тока, а контактор К5 используется для защиты в аварийной ситуации и автоматически предотвращает появление встречного напряжения.

Это позволяет ИБП оставаться в нормальном режиме работы, даже в случае неисправности статического байпаса.

   Внутренние backfeed контакторы в ИБП EATON, всегда тестируются в рамках стандартного заводского предпродажного теста. Во время заводских испытаний, к ИБП подключается восьмидесяти процентная нагрузка, от номинальной мощности источника и производятся тесты в режиме двойного преобразования, в режиме байпаса производится проверка точности токов нагрузки, а также тестируется функциональность контактора К5.

   Точность измерения тока байпаса имеет важное значение для защиты от обратного питания, так как позволяет своевременно обнаружить обратные токи. Если ИБП работает не в режиме байпаса, но в байпасной линии обнаруживаются токи, то контактор К5 автоматически открывается.

Защита от обратного питания в параллельной системе ИБП

Источники бесперебойного электропитания объединяются в параллель для увеличения надёжности системы или увеличения общей мощности. В параллельных системах, защита от обратного питания ещё более важна, так как параллельные системы имеют большие токи.

На Рисунке 2 показан пример блок-схемы параллельной системы ИБП с внутренним контактором защиты от обратного питания (К5).

Рисунок 2. Параллельная система ИБП.

Если произойдёт сбой в одном из статических переключателей, параллельные инверторы начнут обеспечивать обратным питанием входящую сеть, как показано на Рисунке 3. В этой ситуации контактор защиты от обратного питания откроется автоматически, чтобы предотвратить подачу мощности в городскую (во входящую) сеть.

Линии статического байпаса, в параллельных системах, имеют избыточность, чтобы отказ одной из байпасных линий не препятствовал работе других статических байпасов. В параллельной системе с резервированием мощности, отказ статического байпаса никак не повлияет на работу других байпасных линий, однако в параллельных системах с увеличением мощности, пропускная способность рабочих байпасов будет немного ограничена.

Рисунок 3. Параллельная система с отказавшим байпасом.

Защита от обратного питания в системе с централизованным байпасом.

Некоторые системы параллельной работы ИБП сконструированы с централизованным байпасом, где системный модуль байпаса (SBM) обеспечивает общую обходную линию для всех источников бесперебойного электропитания. Структурная схема данного типа системы изображена на Рисунке 4.

Рисунок 4. Параллельная система с SBM.

Подобно внутреннему байпасу ИБП, SBM также содержит тиристорный байпас и контактор для защиты от обратного питания. Блоки EATON SBM выпускаются для работы с токами от 2000 А, до 5000 А. (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Модуль внешнего электронного байпаса SBM.

Преимущества внутренней защиты от обратного питания.

Помимо преимуществ, связанных с безопасностью, внутренняя защита от обратного питания даёт преимущества в эксплуатации. Одним из существенных преимуществ является способность ИБП продолжать подачу питания для критических нагрузок в режиме двойного преобразования даже в случае неисправности статического байпаса. В случае отказа одного из тиристоров, контактор защиты от обратного питания открывается автоматически, и источник бесперебойного питания может продолжать работать в режиме двойного преобразования до проведения ремонтных работ и даже во время их проведения.

В параллельных системах, внутренняя защита от обратного питания реализована в каждом ИБП, с использованием контакторов. Наличие внешнего контактора защиты, часто означает установку только одного контактора для использования с несколькими статическими байпасами. В этом случае, отказ тиристора в одном из статических байпасов приводит к потере всех байпасных линий, подключённых к общему контактору защиты.

EATON VisionUPS

Реализация аппаратной защиты по току / Хабр

Сегодня моя статья будет носить исключительно теоретический характер, вернее в ней не будет «железа» как в предыдущих статьях, но не расстраивайтесь — менее полезной она не стала. Дело в том, что проблема защиты электронных узлов напрямую влияет на надежность устройств, их ресурс, а значит и на ваше важное конкурентное преимущество — возможность давать длительную гарантию на продукцию. Реализация защиты касается не только моей излюбленной силовой электроники, но и любого устройства в принципе, поэтому даже если вы проектируете IoT-поделки и у вас скромные 100 мА — вам все равно нужно понимать как обеспечить безотказную работу своего устройства.

Защита по току или защита от короткого замыкания (КЗ) — наверное самый распространенный вид защиты потому, что пренебрежение в данном вопросе вызывает разрушительные последствия в прямом смысле. Для примера предлагаю посмотреть на стабилизатор напряжения, которому стало грустно от возникшего КЗ:

Диагноз тут простой — в стабилизаторе возникла ошибка и в цепи начали протекать сверхвысокие токи, по хорошему защита должна была отключить устройство, но что-то пошло не так. После ознакомления со статьей мне кажется вы и сами сможете предположить в чем могла быть проблема.

Что касается самой нагрузки… Если у вас электронное устройство размером со спичечный коробок, нет таких токов, то не думайте, что вам не может стать так же грустно, как стабилизатору. Наверняка вам не хочется сжигать пачками микросхемы по 10-1000$? Если так, то приглашаю к ознакомлению с принципами и методами борьбы с короткими замыканиями!

Цель статьи


Свою статью я ориентирую на людей для которых электроника это хобби и начинающих разработчиков, поэтому все будет рассказываться «на пальцах» для более осмысленного понимания происходящего. Для тех, кому хочется академичности — идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».

Отдельно хотелось сказать о том, что все решения будут аппаратными, то есть без микроконтроллеров и прочих извращений. В последние годы стало совсем модно программировать там где надо и не надо. Часто наблюдаю «защиту» по току, которая реализуется банальным измерением напряжения АЦП какой-нибудь arduino или микроконтроллером, а потом устройства все равно выходят из строя. Я настоятельно не советую вам делать так же! Про эту проблему я еще дальше расскажу более подробно.

Немного о токах короткого замыкания


Для того, чтобы начать придумывать методы защиты, нужно сначала понять с чем мы вообще боремся. Что же такое «короткое замыкание»? Тут нам поможет любимый закон Ома, рассмотрим идеальный случай:

Просто? Собственно данная схема является эквивалентной схемой практически любого электронного устройства, то есть есть источник энергии, который отдает ее в нагрузку, а та греется и что-то еще делает или не делает.

Условимся, что мощность источника позволяет напряжению быть постоянным, то есть «не проседать» под любой нагрузкой. При нормальной работе ток, действующий в цепи, будет равен:


Теперь представим, что дядя Вася уронил гаечный ключ на провода идущие к лампочке и наша нагрузка уменьшилась в 100 раз, то есть вместо R она стала 0,01*R и с помощью нехитрых вычислений мы получаем ток в 100 раз больше. Если лампочка потребляла 5А, то теперь ток от нагрузки будет отбираться около 500А, чего вполне хватит чтобы расплавить ключ дяди Васи. Теперь небольшой вывод…
Короткое замыкание — значительное уменьшение сопротивления нагрузки, которое ведет к значительному увеличению тока в цепи.

Стоит понимать, что токи КЗ обычно в сотни и тысячи раз больше, чем ток номинальный и даже короткого промежутка времени хватает, чтобы устройство вышло из строя. Тут наверняка многие вспомнят о электромеханических устройствах защиты («автоматы» и прочие), но тут все весьма прозаично… Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А. Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А. Даже если произойдет КЗ, то автомат долго будет этого не замечать и отключит нагрузку, только когда все уже сгорит. Это скорее защита от пожара, а не защита техники.

Теперь давайте рассмотрим еще один, часто встречающийся случай — сквозной ток. Покажу я его на примере dc/dc преобразователя с топологией синхронный buck, все MPPT контроллеры, многие LED-драйвера и мощные DC/DC преобразователи на платах построены именно по ней. Смотрим на схему преобразователя:

На схеме обозначены два варианта превышения тока: зеленый путь для «классического» КЗ, когда произошло уменьшение сопротивления нагрузки («сопля» между дорог после пайки, например) и оранжевый путь. Когда ток может протекать по оранжевому пути? Я думаю многие знают, что сопротивление открытого канала полевого транзистора очень небольшое, у современных низковольтных транзисторов оно составляет 1-10 мОм. Теперь представим, что на ключи одновременно пришел ШИМ с высоким уровнем, то есть оба ключа открылись, для источника «VCCIN — GND» это равносильно подключению нагрузки сопротивлением около 2-20 мОм! Применим великий и могучий закон Ома и получим даже при питании 5В значение тока более 250А! Хотя не переживайте, такого тока не будет — компоненты и проводники на печатной плате сгорят раньше и разорвут цепь.

Данная ошибка очень часто возникает в системе питания и особенно в силовой электронике. Она может возникать по разным причинам, например, из-за ошибки управления или длительных переходных процессах. В последнем случае не спасет даже «мертвое время» (deadtime) в вашем преобразователе.

Думаю проблема понятна и многим из вас знакома, теперь понятно с чем нужно бороться и осталось лишь придумать КАК. Об этом и пойдет дальнейший рассказ.

Принцип работы защиты по току


Тут необходимо применить обычную логику и увидеть причинно-следственную связь:
1) Основная проблема — большое значения тока в цепи;
2) Как понять какое значение тока? -> Измерить его;
3) Измерили и получили значение -> Сравниваем его с заданным допустимым значением;
4) Если превысили значение -> Отключаем нагрузку от источника тока.
Измерить ток -> Узнать превысили ли допустимый ток -> Отключить нагрузку
Абсолютно любая защита, не только по току, строится именно так. В зависимости от физической величины по которой строится защита, будут возникать на пути реализации разные технические проблемы и методы их решения, но суть неизменна.

Теперь предлагаю по порядку пройти по всей цепочки построения защиты и решить все возникающие технические проблемы. Хорошая защита — это защита, которую предусмотрели заранее и она работает. Значит без моделирования нам не обойтись, я буду использовать популярный и бесплатный MultiSIM Blue, который активно продвигается Mouser-ом. Скачать его можно там же — ссылка. Также заранее скажу, что в рамках данной статьи я не буду углубляться в схемотехнические изыски и забивать вам голову лишними на данном этапе вещами, просто знайте, что все немного сложнее в реальном железе будет.

Измерение тока


Это первый пункт в нашей цепочке и наверное самый простой для понимания. Измерить ток в цепи можно несколькими способами и у каждого есть свои достоинства и недостатки, какой из них применить конкретно в вашей задаче — решать только вам. Я же расскажу, опираясь на свой опыт, о этих самых достоинствах и недостатках. Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.

1) Токовый шунт. Основа основ, «работает» все на том же великом и могучем законе Ома. Самый простой, самый дешевый, самый быстрый и вообще самый самый способ, но с рядом недостатков:

а) Отсутствие гальванической развязки. Ее вам придется реализовывать отдельно, например, с помощью быстродействующего оптрона. Реализовать это не сложно, но требует дополнительного места на плате, развязанного dc/dc и прочие компоненты, которые стоят денег и добавляют габаритных размеров. Хотя гальваническая развязка нужна далеко не всегда, разумеется.

б) На больших токах ускоряет глобальное потепление. Как я ранее писал, «работает» это все на законе Ома, а значит греется и греет атмосферу. Это приводит к уменьшению КПД и необходимости охлаждать шунт. Есть способ минимизировать этот недостаток — уменьшить сопротивления шунта. К сожалению бесконечно уменьшать его нельзя и вообще я бы не рекомендовал уменьшать его менее 1 мОм, если у вас пока еще мало опыта, ибо возникает необходимость борьбы с помехами и повышаются требования к этапу конструирования печатной платы.

В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E:

Измерение тока происходит путем измерения падения напряжения на шунте, например, при протекании тока 30А на шунте будет падение:


То есть, когда мы получим на шунте падение 60 мВ — это будет означать, что мы достигли предела и если падение увеличится еще, то нужно будет отключать наше устройство или нагрузку. Теперь давайте посчитаем сколько тепла выделится на нашем шунте:


Не мало, правда? Этот момент надо учитывать, т.к. предельная мощность моего шунта составляет 2 Вт и превышать ее нельзя, так же не стоит припаивать шунты легкоплавким припоем — отпаяться может, видел и такое.

Рекомендации по использованию:

  • Используйте шунты, когда у вас большое напряжение и не сильно большие токи
  • Следите за количеством выделяемого на шунте тепла
  • Используйте шунты там, где нужно максимальное быстродействие
  • Используйте шунты только из специальным материалов: константана, манганина и подобных

2) Датчики тока на эффекте Холла. Тут я допущу себе собственную классификацию, которая вполне себе отражает суть различных решений на данном эффекте, а именно: дешевые и дорогие.

а) Дешевые, например, ACS712 и подобные. Из плюсов могу отметить простоту использования и наличия гальванической развязки, на этом плюсы кончаются. Основным недостатком является крайне нестабильное поведение под воздействием ВЧ помех. Любой dc/dc или мощная реактивная нагрузка — это помехи, то есть в 90% случаев данные датчики бесполезны, ибо «сходят с ума» и показывают скорее погоду на Марсе. Но не зря же их делают?

Они имеют гальваническую развязку и могут измерять большие токи? Да. Не любят помехи? Тоже да. Куда же их поставить? Правильно, в систему мониторинга с низкой ответственностью и для измерения тока потребления с аккумуляторов. У меня они стоят в инверторах для СЭС и ВЭС для качественной оценки тока потребления с АКБ, что позволяет продлить жизненный цикл аккумуляторов. Выглядят данные датчики вот так:

б) Дорогие. Имеют все плюсы дешевых, но не имеют их минусов. Пример такого датчика LEM LTS 15-NP:

Что мы имеем в итоге:
1) Высокое быстродействие;
2) Гальваническую развязку;
3) Удобство использования;
4) Большие измеряемые токи независимо от напряжения;
5) Высокая точность измерения;
6) Даже «злые» ЭМИ не мешают работе и не; влияют на точность.

Но в чем тогда минус? Те, кто открывали ссылку выше однозначно его увидели — это цена. 18$, Карл! И даже на серии 1000+ штук цена не упадет ниже 10$, а реальная закупка будет по 12-13$. В БП за пару баксов такое не поставить, а как хотелось бы… Подведем итог:

а) Это лучшее решение в принципе для измерения тока, но дорогое;
б) Применяйте данные датчики в тяжелых условиях эксплуатации;
в) Применяете эти датчики в ответственных узлах;
г) Применяйте их если ваше устройство стоит очень много денег, например, ИБП на 5-10 кВт, там он себя однозначно оправдает, ведь цена устройства будет несколько тысяч $.

3) Трансформатор тока. Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два — не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики. Плюсы — дешево, надежно и можно измерять просто огромнейшие токи. Именно на трансформаторах тока построены системы автоматики и защиты в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на предприятиях, а там тысячи ампер вполне себе нормальное явление.

Честно говоря, я стараюсь их не использовать, ибо не люблю, но в различных шкафах управления и прочих системах на переменном токе все таки ставлю, т.к. стоят они пару $ и дают гальваническую развязку, а не 15-20$ как LEM-ы и свою задачу в сети 50 Гц отлично выполняют. Выглядят обычно вот так, но бывают и на всяких EFD сердечниках:

Пожалуй с методами измерения тока можно закончить. Я рассказал об основных, но разумеется не обо всех. Для расширения собственного кругозора и знаний, советую дополнительно хотя бы погуглить да посмотреть различные датчики на том же digikey.

Усиление измеренного падения напряжения


Дальнейшее построение системы защиты пойдет на базе шунта в роли датчика тока. Давайте строить систему с ранее озвученным значением тока в 30А. На шунте мы получаем падение 60 мВ и тут возникают 2 технические проблемы:

а) Измерять и сравнивать сигнал с амплитудой 60 мВ неудобно. АЦП имеют обычно диапазон измерений 3.3В, то есть при 12 битах разрядности мы получаем шаг квантования:

Это означает, что на диапазон 0-60 мВ, который соответствует 0-30А мы получим небольшое количество шагов:


Получаем, что разрядность измерения будет всего лишь:


Стоит понимать, что это идеализированная цифра и в реальности они будет в разы хуже, т.к. АЦП сам по себе имеет погрешность, особенно в районе нуля. Конечно АЦП для защиты мы использовать не будем, но измерять ток с этого же шунта для построения системы управления придется. Тут задача была наглядно объяснить, но это так же актуально и для компараторов, которые в районе потенциала земли (0В обычно) работают весьма нестабильно, даже rail-to-rail.

б) Если мы захотим протащить по плате сигнал с амплитудой 60 мВ, то через 5-10 см от него ничего не останется из-за помех, а в момент КЗ рассчитывать на него точно не придется, т. к. ЭМИ дополнительно возрастут. Конечно можно схему защиты повесить прямо на ногу шунта, но от первой проблемы мы не избавимся.

Для решения данных проблем нам понадобится операционный усилитель (ОУ). Рассказывать о том, как он работает не буду — тема отлично гуглится, а вот о критичных параметрах и выборе ОУ мы поговорим. Для начала давайте определимся со схемой. Я говорил, что особых изяществ тут не будет, поэтому охватим ОУ отрицательной обратной связью (ООС) и получим усилитель с известным коэффициентов усиления. Данное действия я смоделирую в MultiSIM (картинка кликабельна):

Скачать файл для симуляции у себя можно — тут.

Источник напряжения V2 выполняет роль нашего шунта, вернее он симулирует падение напряжения на нем. Для наглядности я выбрал значение падения равное 100 мВ, теперь нам нужно усилить сигнал так, чтобы перенести его в более удобное напряжение, обычно между 1/2 и 2/3 Vref. Это позволит получить большое количество шагов квантования в диапазон токов + оставить запас на измерения, чтобы оценить насколько все плохо и посчитать время нарастания тока, это важно в сложных системах управления реактивной нагрузкой. Коэффициент усиления в данном случае равен:


Таким образом мы имеем возможность усилить сигнал наш сигнал до требуемого уровня. Теперь рассмотрим на какие параметры стоит обратить внимание:
  • ОУ должен быть rail-to-rail, чтобы адекватно работать с сигналами около потенциала земли (GND)
  • Стоит выбирать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного сигнала. У моего любимого OPA376 этот параметр равен 2В/мкс, что позволяет достигать максимальное выходное значение ОУ равное VCC 3.3В всего за 2 мкс. Этого быстродействия вполне достаточно, чтобы спасти любой преобразователь или нагрузку с частотами до 200 кГц. Данные параметры стоит понимать и включать голову при выборе ОУ, иначе есть шанс поставить ОУ за 10$ там, где хватило бы и усилителя за 1$
  • Полоса пропускания, выбираемого ОУ, должна быть как минимум в 10 раз больше, чем максимальная частота коммутации нагрузки. Опять же ищите «золотую середину» в соотношение «цена/ТТХ», все хорошо в меру

В большинстве своих проектов я использую ОУ от Texas Instruments — OPA376, его ТТХ хватает для реализации защиты в большинстве задач и ценник в 1$ вполне себе хорош. Если вам необходимо дешевле, то смотрите на решения от ST, а если еще дешевле, то на Microchip и Micrel. Я по религиозным соображениям использую только TI и Linear, ибо оно мне нравится и сплю так спокойнее.

Добавляем реализм в систему защиты


Давайте теперь в симуляторе добавим шунт, нагрузку, источник питания и прочие атрибуты, которые приблизят нашу модель к реальности. Полученный результат выглядит следующим образом (картинка кликабельная):

Скачать файл симуляции для MultiSIM можно — тут.

Тут уже мы видим наш шунт R1 с сопротивлением все те же 2 мОм, источник питания я выбрал 310В (выпрямленная сеть) и нагрузкой для него является резистор 10.2 Ом, что опять по закону Ома дает нам ток:


На шунте как видите падают, ранее посчитанные, 60 мВ и их мы усиливаем с коэффициентом усиления:


На выходе мы получаем усиленный сигнал с амплитудой 3.1В. Согласитесь, его уже и на АЦП можно подать, и на компаратор и протащить по плате 20-40 мм без каких либо опасений и ухудшения стабильности работы. С этим сигналом мы и будем далее работать.

Сравнение сигналов с помощью компаратора


Компаратор — это схема, которая принимает на вход 2 сигнала и в случае если амплитуда сигнала на прямом входе (+) больше, чем на инверсном (-), то на выходе появляется лог. 1 (VCC). В противном случае лог. 0 (GND).

Формально любой ОУ можно включить как компаратор, но такое решение по ТТХ будет уступать компаратору по быстродействию и соотношению «цена/результат». В нашем случае, чем выше быстродействие, тем выше вероятность, что защита успеет отработать и спасти устройство. Я люблю применять компаратор, опять же от Texas Instrumets — LMV7271. На что стоит обратить внимание:
  • Задержка срабатывания, по факту это основной ограничитель быстродействия. У указанного выше компаратора это время около 880 нс, что достаточно быстро и во многих задачах несколько избыточно по цене в 2$ и вы можете подобрать более оптимальный компаратор
  • Опять же — советую использовать rail-to-rail компаратор, иначе на выходе у вас будет не 5В, а меньше. Убедиться в этом вам поможет симулятор, выберите что-то не rail-to-rail и поэкспериментируйте. Сигнал с компаратора обычно подается на вход аварии драйверов (SD) и хорошо бы иметь там устойчивый TTL сигнал
  • Выбирайте компаратор с выходом push-pull, а не open-drain и другие. Это удобно и имеем прогнозируемые ТТХ по выходу

Теперь давайте добавим компаратор в наш проект в симуляторе и посмотрим на его работу в режиме, когда защита не сработала и ток не превышает аварийный (кликабельная картинка):

Скачать файл для симуляции в MultiSIM можно — тут.

Что нам нужно… Нужно в случае превышения тока более 30А, чтобы на выходе компаратора был лог. 0 (GND), этот сигнал будет подавать на вход SD или EN драйвера и выключать его. В нормальном состоянии на выходе должна быть лог. 1 (5В TTL) и включать работу драйвера силового ключа (например, «народный» IR2110 и менее древние).

Возвращаемся к нашей логике:
1) Измерили ток на шунте и получили 56. 4 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 2.88В;
3) На прямой вход компаратора подаем опорный сигнал с которым будем сравнивать. Его задаем с помощью делителя на R2 и выставляет 3.1В — это соответствует току примерно в 30А. Данным резистором регулируется порог срабатывания защиты!
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В > 2.88В. На прямом входу (+) напряжение выше, чем на инверсном входе (-), значит ток не превышен и на выходе лог. 1 — драйвера работают, а наш светодиод LED1 не горит.

Теперь увеличиваем ток до значения >30А (крутим R8 и уменьшаем сопротивление) и смотрим на результат (кликабельная картинка):

Давайте пересмотри пункты из нашей «логики»:
1) Измерили ток на шунте и получили 68.9 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 3.4В;
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3. 1В < 3.4В. На прямом входу (+) напряжение НИЖЕ, чем на инверсном входе (-), значит ток превышен и на выходе лог. 0 — драйвера НЕ работают, а наш светодиод LED1 горит.

Почему аппаратная?


Ответ на этот вопрос простой — любое программируемое решение на МК, с внешним АЦП и прочее, могут попросту «зависнуть» и даже если вы достаточно грамотный софтописатель и включили сторожевой таймер и прочие защиты от зависания — пока оно все обработается ваше устройство сгорит.

Аппаратная защита позволяет реализовать систему с быстродействием в пределах нескольких микросекунд, а если бюджет позволяет, то в пределах 100-200 нс, чего достаточно вообще для любой задачи. Также аппаратная защита не сможет «зависнуть» и спасет устройство, даже если по каким-то причинам ваш управляющий микроконтроллер или DSP «зависли». Защита отключит драйвер, ваша управляющая схема спокойно перезапустится, протестирует аппаратную часть и либо подаст ошибку, например, в Modbus или запустится если все хорошо.

Тут стоит отметить, что в специализированных контроллерах для построения силовых преобразователей есть специальные входы, которые позволяют аппаратно отключить генерацию ШИМ сигнала. Например, у всеми любимого STM32 для этого есть вход BKIN.

Отдельно стоит сказать еще про такую вещь как CPLD. По сути это набор высокоскоростной логики и по надежности оно сопоставимо с аппаратным решением. Вполне здравым смыслом будет поставить на плату мелкую CPLD и реализовать в ней и аппаратные защиты, и deadtime и прочие прелести, если мы говорим о dc/dc или каких-то шкафах управления. CPLD позволяет сделать такое решение очень гибким и удобным.

Эпилог


На этом пожалуй и все. Надеюсь вам было интересно читать данную статью и она даст вам какие-то новые знания или освежит старые. Всегда старайтесь заранее думать какие модули в вашем устройстве стоит реализовать аппаратно, а какие программно. Часто реализация аппаратная на порядки проще реализации программной, а это ведет с экономии времени на разработке и соответственно ее стоимости.

Формат статьи без «железа» для меня новый и попрошу высказать ваше мнение в опросе.

Что нужно знать о методах защиты электронных цепей?

Игнорирование некоторых типов электрических воздействий может привести к повреждению компонентов и, в конечном итоге, к выходу из строя всей системы. Что повышает эффективность схемы защиты и как избежать подводных камней при ее реализации?

Представьте ситуацию Настойчивый звонок от вице-президента по операциям разбудил главного инженера глубокой ночью в пятницу. «Наш завод встал!» - возбужденно сообщил вице-президент. Видимо, в Оклахома-Сити была сильная гроза, которая сопровождалась множественными ударами молний, в результате работа завода была приостановлена. Теперь главный инженер должен прервать свой мини-отпуск с семьей в Кабос-Сан-Лукас и следующим рейсом лететь домой в Оклахому. Остановка завода – это вопрос жизни и смерти для главного инженера, и он должен быть решен немедленно.

Согласно данным Национальной сети США по регистрации грозовых явлений, в штате Оклахома отмечается в среднем за год 1017989 ударов молний. По грозовой активности это второе место после Флориды, где в среднем фиксируется 1,45 млн. ударов молнии в год, а плотность этих ударов на квадратную милю достигает колоссального значения в 25,3.

Что можно сделать, чтобы предотвратить аварийную ситуацию? Как защититься от природных воздействий, которые могут повредить оборудование, остановить производство, прервать ваш отпуск и грозят неприятностями на работе?

Еще совсем недавно схемы защиты были громоздкими, дорогими и сложными в реализации. К счастью, достижения современной схемотехники и микроэлектроники предоставили разработчикам электронных систем надежные и простые в реализации интегральные решения для защиты электрических цепей.

Зачем нужна защита системы?

Неисправности электронных систем могут возникать из-за превышения напряжения, тока, температуры и по другим причинам. Надежная защита имеет важное значение для продуктивной эксплуатации системы. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний. Или, что еще хуже, они сталкиваются с выходом ее из строя уже на заводе. Давайте обсудим три наиболее распространенных типа системных сбоев:

  • из-за превышения рабочих диапазонов напряжения;
  • тока;
  • из-за перегрева оборудования.

Сбой по напряжению питания

Броски напряжения и звон в цепях питания

Удары молнии, перегоревший предохранитель, короткое замыкание, горячая замена отдельных блоков, звон в кабеле и другие причины могут привести к тому, что входное напряжение питания постоянного тока окажется выше или ниже диапазона номинальных значений. На рисунке 1 показан пример короткого замыкания на конце кабеля длиной 10 футов (3 м), что сопровождается переходными процессами в цепи питания постоянного тока, известными также как звон напряжения. При этом напряжение достигает пикового уровня 50,4 В, что почти вдвое выше номинального уровня 24 В. Кроме того, звенящее напряжение также понижается примерно до 11 В (относительно начального напряжения короткого замыкания 0 В). Надежная система должна работать без перерывов при возникновении переходных процессов (звона) в цепи питания, либо, по крайней мере, выдержать его без повреждений.

Рис. 1. Звон напряжения в длинном кабеле после имитации кратковременного короткого замыкания (а), настройки испытательной цепи (б) и схема испытательной цепи (в)

Подобный звон напряжения также возникает во время горячей замены отдельных блоков, когда плата с разряженными конденсаторами подключается к находящейся под напряжением объединительной плате (рисунок 2) или когда где-нибудь в системе перегорает предохранитель. Ситуация еще более ухудшается при расширенном диапазоне питания постоянного тока. Например, стандарт IEC61131-2 определяет для промышленного программируемого логического контроллера (ПЛК) постоянное номинальное напряжение питания 24 В с допуском -15…20% и с дополнительными выбросами переменного тока до уровня +5%. Таким образом, шина питания 24 В постоянного тока может иметь минимальное значение 19,2 В и максимальное значение 30 В. Если мы будем использовать в вышеупомянутом эксперименте источник питания 30 В постоянного тока, тогда скачок пикового напряжения легко достигнет уровня 60 В.

Рис. 2. Горячая замена системной платы

Удар молнии может вызвать высоковольтный скачок напряжения. Для предотвращения его воздействия можно использовать внешнее устройство подавления напряжения переходных процессов, или TVS (Transient Voltage Suppressor), и входной фильтр. Для сглаживания пульсаций напряжения в шинах питания 24 В промышленных систем обычно используют защитные диоды, например SMAJ33A. При бросках напряжения TVS может ограничить повышенное напряжение на уровне 53,3 В. Таким образом, любой электронный компонент, подключенный к шине 24 В, должен выдерживать напряжение не менее 53,3 В.

Входное обратное напряжение

В редких случаях может произойти неправильное подключение системы. Например, автомобильный аккумулятор подключен в обратной полярности. Другой пример – стоечная система, где обслуживающий персонал может неправильно вставить плату или подключить кабель питания в обратной полярности, и так далее. Когда уровень входного напряжения внезапно падает из-за короткого замыкания по входу или низкого уровня сигнала, то выходной конденсатор будет иметь более высокий потенциал, что вызывает состояние обратного напряжения. Аналогичное условие возникает, когда выход внезапно замыкается на шину более высокого напряжения, например, в многожильном связном кабеле. Ошибочные подключения входного обратного напряжения случаются редко, но могут привести к дорогостоящему восстановлению системы и, следовательно, должны быть предотвращены.

Неисправности из-за превышения тока

Перегрузка по току и короткое замыкание

Очевидные неисправности, связанные с током – это перегрузка на выходе и короткое замыкание. Перегрузка по току возникает, когда система работает с превышением возможностей. Короткое замыкание может вызвать неисправный компонент на плате. Бывает даже, что кто-то случайно уронил металлический инструмент на разъем питания или просверлил кабель, - эти действия также могут привести к короткому замыканию. И если плата не защищена, то она может получить непоправимые повреждения или даже загореться.

Бросок пускового тока

Когда плата с разряженными конденсаторами устанавливается в находящуюся под рабочим напряжением систему, происходит бросок тока, устремляющегося в заряжающиеся конденсаторы. Этот неконтролируемый пусковой ток описывается формулой 1:

I = C*dv/dt,   (1)

  • где I – пусковой ток;
  • C – емкость;
  • dv/dt – скорость изменения напряжения на конденсаторе.

Если разряженный конденсатор (при напряжении 0 В) подключен к объединительной плате под напряжением 24 В, то в этом случае дифференциальное значение dv/dt является мгновенным (бесконечно большим), что означает бесконечно большое значение для I (тока). Неуправляемый бесконечно большой пусковой ток может повредить разъемы, взорвать предохранители и вызвать звон в цепях питания на объединительной плате.

Обратный ток

Когда появляется обратное напряжение, как это объяснено в разделе «Входное обратное напряжение», возникающий в обратном направлении ток может привести к серьезному повреждению системы.

Неисправности при чрезмерном выделении тепла

Аварийная защита от превышения температуры

Когда температура системы или компонента достигает опасного уровня, защита от перегрева отключает систему, чтобы предотвратить повреждение и возможное возгорание. Правильно спроектированные системы должны работать, не допуская чрезмерного повышения температуры. Тем не менее, отключение при этом может происходить после возникновения таких неисправностей как:

  • постоянное состояние перегрузки;
  • неисправный системный вентилятор;
  • случайная блокировка входа/выхода охлаждающего воздуха;
  • отказ системы кондиционирования воздуха в помещении и так далее.

Тепловая защита

В чем разница между тепловой защитой и аварийным отключением при перегреве? Тепловая защита имеет больше интеллектуальных функций. Вместо того чтобы ожидать, пока температура достигнет уровня отключения, тепловая защита выдает системе предупреждение и альтернативные варианты, когда из-за первичного повреждения температура выйдет за пределы рабочего диапазона. Система может выбирать допустимые нагрузки, работать с пониженной частотой коммутации и так далее, чтобы уменьшить рассеиваемую энергию. Таким образом, при перегреве можно предотвратить отключение системы и снижение производительности до устранения основной неисправности.

Системные защитные решения

Выбор схемы

Разработчики, которые хотят надежно защитить свои электронные продукты, при проектировании схемы сталкиваются с необходимостью решения разного рода задач . Дискретная или частично интегральная реализация защиты требует большого количества внешних компонентов. Набор допусков и погрешностей параметров всех компонентов нуждается в серьезном анализе и проверке, гарантировать устойчивую длительную работоспособность системы непросто. из-за большого количества компонентов габаритные размеры изделия увеличиваются.

Современные защитные функции системы

В идеальном случае защита системы должна иметь высокую степень интеграции, быть простой в проектировании и не затруднять сертификацию проекта. Вот некоторые ключевые особенности современной защиты на базе ИС (интегральных схем):

  • интегрированные полевые транзисторы типов PFET и NFET для защиты от прямого/обратного напряжения/тока;
  • интегрированные прецизионные датчики тока;
  • программируемые повышенное/пониженное напряжения, пороги ограничения тока и режимы реакции на неисправности;
  • тепловая защита с предупреждающей сигнализацией.

Пример современного системного защитного решения

Чтобы защитить разработанную мной систему от всех рассмотренных ранее схемных неисправностей, я выбрал микросхему MAX17608/9. На сегодняшний день это одна из наиболее надежных и компактных ИС для защиты от бросков высокого напряжения при токе нагрузки до 1 А, отличающаяся высокой степенью интеграции. Эти электронные компоненты соответствуют наиболее строгим стандартам производственной безопасности и потребностям в миниатюризации, поскольку габаритные размеры модульных стоек ПЛК продолжают сокращаться, а внутренности стоек уплотняются вместе с увеличением количества портов ввода/вывода.

На рисунке 3 показана принципиальная схема на основе MAX17608/9. Диапазон напряжения питания этой ИС +4,5…+60 В. Она может выдерживать отрицательное входное напряжение до -65 В. MAX17608/9 включает в себя интегрированные PFET и NFET для защиты от повышенного прямого/обратного напряжения/тока. Микросхема использует программируемые превышение/понижение напряжения, пороги ограничения тока, режимы реагирования на неисправности и тепловую защиту с аварийной сигнализацией. Эта ИС выпускается в крошечном 12-контактном корпусе TDFN-EP и занимает на плате площадку 3х3 мм.

Рис. 3. Подключение компактной защитной ИС MAX17608/9 с высокой степенью интеграции

Помимо наличия целого ряда подходящих мне для использования функций, эта микросхема характеризуется очень высокой точностью измерения тока – на уровне ±3%. Собранная из отдельных компонентов защитная схема обычно имеет точность порядка ±20%. Мне также нужно следить за током, потребляемым системой, и я очень доволен тем, что напряжение на выводе SETI позволяет это легко делать.

Заключение

Все электронные системы подвержены неисправностям из-за бросков напряжения, тока, в результате перегрева и из-за ряда других причин. Для создания работоспособной системы необходима надежная защита. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний своей системы. Или, что еще хуже, они могут столкнуться с выходом ее из строя уже на предприятии. От ошибок никто не застрахован, но не стоит рисковать, когда у вас есть выбор защитного решения.

Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции

Введение

В данной статье будет рассмотрено явление самоиндукции, проявляющееся зачастую при коммутации индуктивных нагрузок. Также будут рассмотрены способы защиты и используемое для этого оборудование.

Техника безопасности

ВНИМАНИЕ! К работам по монтажу, наладке, ремонту и обслуживанию технологического оборудования допускаются лица, имеющие техническое образование и специальную подготовку (обучение и проверку знаний) по безопасному производству работ в электроустановках с группой не ниже 2 для ремонтного персонала, а также имеющие опыт работ по обслуживанию оборудования, в конструкцию которого вносятся изменения и дополнения, либо производится модернизация. За неисправность оборудования и безопасность работников при неквалифицированном монтаже и обслуживании ООО «КИП‑Сервис» ответственности не несет.

1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, при изменении во времени магнитного поля. Изменение магнитного поля, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в контуре индуктивной электродвижущей силы (ЭДС). Процесс возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию, а при убывании тока — препятствует убыванию. Величина ЭДС самоиндукции определяется уравнением:

E=−L×dI/dtE= -L times dI / dt

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

Знак «минус» означает, что ЭДС самоиндукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению магнитного потока. Этот факт отражён в правиле Ленца:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Явление самоиндукции можно наблюдать при включении и последующем выключении катушек соленоидов, промежуточных реле, электромагнитных пускателей. При подаче напряжения на катушку создается электромагнитное поле, в следствии чего образуется электродвижущая сила, которая препятствует мгновенному росту тока в катушке. Согласно принципу суперпозиции, основной ток в катушке можно представить в виде суммы токов, один из которых вызван внешним напряжением и сонаправлен с основным током, а второй вызван ЭДС самоиндукции и имеет противоположное направление основному току. Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки. При протекании тока катушка «запасает» энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдает запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. Это, в свою очередь, вызывает всплеск напряжения обратной полярности на катушке. Данный всплеск может достигать значений во много раз превышающих номинальное напряжение источника питания, что может помешать нормальной работе электронных устройств, вплоть до их разрушения.

Разберем более подробно, почему скачок ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность. На рисунке 1 изображены две схемы, на которых стрелками обозначено направление движения тока, а так же потенциалы на всех элементах схемы при закрытом и открытом ключе.

а - закрытый ключ б - открытый ключ

Рисунок 1 — Направление тока при закрытом и открытом ключе

При закрытом ключе потенциалы на всех элементах совпадают с потенциалом источника питания (рисунок 1, а). Во время размыкания ключа, из схемы исключается источник питания, и ЭДС самоиндукции стремится поддержать ток в катушке. Для того, что бы сохранить направление тока в катушке, ЭДС меняет свой потенциал на противоположный по знаку источнику питания (рисунок 1, б). Именно поэтому всплеск ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность.

Более наглядно этот всплеск показан на рисунке 2. На графике изображено напряжение источника питания Uпит, ток возникающий в катушке I, ЭДС самоиндукции.

Рисунок 2 — График изменения тока и напряжения при коммутации

2. Теоретический расчет ЭДС самоиндукции

Рассмотрим явление самоиндукции на примере работы электромагнитной катушки при пропускании через нее постоянного тока. Включение катушки происходит при помощи бесконтактного датчика. Катушку можно заменить на последовательно соединенные активное Rk и индуктивное Lk сопротивления (рисунок 3).

Рисунок 3 — Эквивалентная схема электромагнитной катушки

Тогда электрическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема включения электромагнитной катушки

При сработавшем датчики падение напряжения U на катушке составляет 24 В. При коммутации индуктивной нагрузки в первый момент времени ток остается равным току до коммутации, а после изменяется по экспоненциальному закону. Таким образом, при переходе управляющего транзистора в закрытое состояние катушка начинает генерировать ЭДС самоиндукции, предотвращающую падение тока. Попробуем рассчитать величину генерируемого катушкой напряжения.

На рисунке 5 показано направление тока при открытом транзисторе. Переход транзистора в закрытое состояние фактически означает что цепь катушки с генерируемым ЭДС самоиндукции замыкается через подтягивающий резистор. Обозначим его Ro. По документации датчика это сопротивление составляет 5,1 кОм.

Рисунок 5 — Направление тока при открытом транзистореРисунок 6 — Направление тока после перехода транзистора в закрытое состояние

На рисунке 6 видно что ток на резисторе Ro поменял направление - это обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции в катушке. Для полученного замкнутого контура выполняется следующее уравнение:

UR0+URk+ULk=0U_R0+U_Rk+U_Lk=0

Выражая напряжение через ток и сопротивление, получим:

I×R0+I×Rk+ULk=0I times R_0 + I times R_k +U_Lk=0ULk=−I×(Rk+R0)U_Lk= -I times ( R_k + R_0 )

При этом ток в цепи стремится к значению тока при открытом транзисторе:

I=U/RkI= U / R_k

Подставим данное выражение в предыдущую формулу, получим величину генерируемого напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(Rk+R0)/Rk=−U×(1+R0/Rk)U_Lk= -U times ( R_k + R_0 ) / R_k = -U times ( 1 + R_0 / R_k )

Все переменные из этой формулы известны:
U = 24В — напряжение питания
Ro = 5,1кОм — сопротивление подтягивающего резистора датчика
Rk = 900 Ом — активное сопротивление катушки (данные из документации).

Подставив значения в формулу, рассчитаем примерное значение напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(1+R0/Rk)=−24×(1+5100/900)=−160ВU_Lk= -U times ( 1 + R_0/R_k ) = -24 times ( 1 + 5100 / 900 )=-160 В

Данный расчет упрощен и не учитывает индуктивность катушки, от которой так же зависит ЭДС самоиндукции. Но даже из упрощенного расчета видно, что величина генерируемого напряжения оказывается во много раз больше номинального напряжения 24В.

Воздействие ЭДС самоиндукции может повредить устройства, имеющие общие с индуктивной нагрузкой цепи питания. На рисунке 7 приведена некорректная схема, на которой от одного источника питания подключен бесконтактный датчик и катушка соленоидного клапана.

Рисунок 7 — Некорректная схема подключения

На первый взгляд, данная схема может работать без каких-либо сбоев. Однако, при выключении катушки клапана возникает всплеск напряжения в результате самоиндукции. Всплеск распространяется по цепи питания на клемму «минус» датчика. В результате, разница потенциалов между коллектором и эмиттером закрытого транзистора превышает максимальное значение, что приводит к его пробою.

3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции

Чтобы проверить правдивость приведенных выше теоретических расчетов, проведем измерение ЭДС самоиндукции. Для проведения измерений необходимо собрать схему, для которой мы проводили расчеты. При помощи осциллографа на клеммах катушки произведем измерение напряжения (рисунок 8).

Рисунок 8 — Измерение ЭДС самоиндукции

На рисунке 9 изображена осциллограмма значений напряжения самоиндукции катушки с питанием 24 В. На графике видно, что реальный всплеск напряжения при отключении катушки в несколько раз больше напряжения питания и составляет 128 В. Как следствие, транзисторный ключ выйдет из строя. Возникающий скачок ЭДС приводит к пробою транзисторных ключей, бесконтактных датчиков, слаботочных коммутирующих элементов и другим нежелательным эффектам в схемах управления.

Рисунок 9 — ЭДС самоиндукции при выключении катушки с питанием 24 В

4. Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции

Для подавления ЭДС самоиндукции и предотвращения выхода из строя оборудования необходимо принимать специальные меры. Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, необходимо параллельно катушке включить в схему диод (для постоянного напряжения) или варистор (для переменного напряжения). ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами, тем самым они будут обеспечивать защиту схемы.

Диод включается параллельно катушке против напряжения питания (рисунок 10). Таким образом, в установившемся режиме он не оказывает никакого воздействия на работу схемы. Однако при отключении питания на катушке возникает ЭДС самоиндукции, имеющая полярность, противоположную рабочему напряжению. Диод открывается и шунтирует катушку индуктивности.

а - включение диода в схему PNP б - включение диода в схему NPN

Рисунок 10 — Схема включения диода для защиты от самоиндукции

Варистор также включается параллельно катушке (рисунок 11).

Рисунок 11 — Схема включения варистора для защиты от самоиндукции

При увеличении напряжения выше пороговой величины, сопротивление варистора резко уменьшается, шунтируя индуктивную нагрузку. Соответственно, при броске тока варистор быстро срабатывает и обеспечивает надежную защиту схемы.

На рисунке 12 изображен график напряжения во время включения и выключения индуктивной катушки с использованием защитного диода для напряжения 24 В.

Рисунок 12 — ЭДС самоиндукции с использованием диода

На графике видно, что использование защитных диодов сглаживает переходную характеристику напряжения.

Для защиты от ЭДС самоиндукции существует целый ряд готовых устройств. Их выбор зависит от применяемой катушки и типа напряжения питания. Для гашения ЭДС самоиндукции на катушках промежуточных реле используют модули FINDER серии 99 (рисунок 13):

Рисунок 13 — Защитный модуль Finder/99.02.9.024.99

99.02.0.230.98 Finder/ Модуль защитный(светодиод+варистор)~/=110...240

99.02.9.024.99 Finder/ Модуль защитный(светодиод+диод), =6...24В

Модули устанавливаются непосредственно на колодку реле, не требуют дополнительного изменения схемы управления.

В случае подключения катушек пускателей, либо катушек соленоидных клапанов, необходимо использовать защитные клеммники Klemsan серии WG-EKI (рисунок 14):

Рисунок 14 – Защитный клеммник WG-EKI

110 220 Клеммник WG-EKI с варистором (0,5...2,5 мм2, рабочее напряжение до 30В, рабочий ток до 10А)

110 040 Клеммник WG-EKI с защитным диодом (0,5...2,5 мм2, рабочее напряжение до 1000В, рабочий ток до 10А, ток диода 1А)

Клеммники позволяют осуществить подключение индуктивной катушки без дополнительного изменения схемы. Клеммник имеет два яруса, соединенных между собой защитным диодом либо варистором. Для осуществления защиты необходимо провести провода питания катушки через этот клеммник. При использовании клеммника с защитным диодом необходимо соблюдать полярность при подключении (рисунок 15).

Рисунок 15 — Схема подключения клеммника WG-EKI с защитным диодом

Заключение

В рамках данной статьи было рассмотрено явление самоиндукции, приведен теоретический расчет ЭДС и практическое подтверждение этого расчета. Применяя модули Finder серии 99 и клеммники Klemsan серии WG-EKI, можно избавиться от пагубного воздействия самоиндукции и сохранить целостность коммутирующих элементов цепей управления.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.

Список использованной литературы:

  1. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III / Сивухин Д.В - М.: Наука, 1977. - 724.с.
  2. Калашников, С.Г. Электричество / Калашников С.Г. - 6-е изд., стереот. - М.: Физматлит, 2003.-624.с.
  3. Алексеев Н.И., Кравцов А.В. Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм). Самоиндукция / Лицей No1580 при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 16 с.

Читайте также:

Электронные способы защиты цепей от перегрузки

В статье рассмотрены способы защиты цепей от перенапряжения, провалов напряжения и от токов перегрузки. Рассмотрены электронные предохранители eFuse, в основном на примере продукции компании Texas Instruments, и новое изделие – ограничитель напряжения LTC7862 от компании Analog Devices.

Несмотря на то, что в настоящее время практически во все AC/DC- и DC/DC-преобразователи встроена защита разного рода, потребность в электронных средствах ограничения перегрузки цепей довольно велика. Как правило, электронные средства защиты требуются в случаях, когда необходимо защитить отдельные цепи, питаемые от одного преобразователя. В этом случае защита преобразователя, настроенная на полную нагрузку, может не сработать (или, как иногда говорят, «не достать») при превышении порогового значения тока в отдельной цепи.

Одним из распространенных методов защиты от перегрузки по току являются керамические или полимерные термисторы с положительным температурным коэффициентом (РТС). Термисторы РТС резко увеличивают сопротивление при нагреве, т. е. они, в отличие от электронных средств защиты цепей, не могут защитить цепи с быстрым изменением тока. Кроме того, функциональность электронных предохранителей eFuse и ограничителей напряжения заметно выше. В ряде случаев электронные средства обеспечивает выполнение следующих защитных функций:

  • мягкий старт с ограничением пускового тока;
  • защита от превышения порогового значения тока либо путем разрыва цепи, либо с помощью ограничения тока на пороговом уровне;
  • быстродействующая защита от токов короткого замыкания;
  • защита от обратной полярности токов и входного напряжения;
  • защита от перенапряжения;
  • защита от провалов напряжения;
  • программируемый уровень порогов максимального тока.

На всякий случай заметим, что термистор РТС значительно уступает по функциональным возможностям электронным средствам защиты. Типовая структурная схема электронного предохранителя показана на рисунке 1. Силовые ключи могут интегрироваться в корпус eFuse, но известны варианты и без встроенных силовых ключей. В этом случае возрастают габариты решения, но, как правило, можно выбрать MOSFET с минимальным сопротивлением открытого канала RDS(ON).

Рис. 1. Типичная структурная схема электронного предохранителя

Конечно, весь описанный функционал несложно реализовать с помощью дискретных компонентов. Возможно, при этом даже удастся получить более экономичное решение, но наверняка за счет проигрыша в надежности и габаритах. При использовании электронных предохранителей обычно требуются два внешних компонента – конденсатор для задания скорости мягкого старта и резистор для определения порогового значения тока. Внешний конденсатор служит задатчиком для выходного напряжения – он устанавливает требуемую скорость его изменения при пуске или горячей замене.

Защита от токов короткого замыкания является обычно компромиссным решением между быстродействием, точностью и стоимостью. Результат компромисса – относительно невысокая точность срабатывания защиты. Например, время срабатывания электронного предохранителя TPS25944 от Texas Instruments при превышении током заданного порога короткого замыкания составляет 200 нс. Однако точность индикации тока относительно невысока – всего 8% во всем диапазоне уставок максимального тока 0,6–53 А. Столь малое время срабатывания достигается за счет использования быстродействующего компаратора. Не все предохранители eFuse могут похвастать такими динамическими характеристиками. Например, время срабатывания защиты по току предохранителя eFuse AP91352 от компании Diodes находится в пределах 5,5–40 мкс. К сожалению, не все производители указывают динамические параметры предохранителей eFuse.

Рис. 2. Временная диаграмма работы предохранителя eFuse при удержании тока на пороговом уровне

Защита от перегрузки по току может осуществляться либо за счет удержания тока на пороговом уровне, либо за счет разрыва цепи. Временная диаграмма работы предохранителя eFuse в первом случае показана на рисунке 2, а во втором – на рисунке 3. При удержании максимально допустимого тока (см. рис. 2) предохранитель eFuse проводит ток до тех пор, пока его значение не превысит пороговую величину, либо до срабатывания тепловой защиты, предельно допустимая температура которой обычно задается равной 150°C.

Рис. 3. Временная диаграмма работы предохранителя eFuse при размыкании цепи

Далее в зависимости от модификации предохранителя eFuse возможны два сценария. В первом из них предохранитель выключается. Такой режим называется «защелка». Повторное включение происходит после сброса и повторного включения питания. Во втором режиме при срабатывании тепловой защиты повторное включение происходит с некоторой временной задержкой, исчисляемой обычно десятками миллисекунд после уменьшения температуры на 12–15°C ниже порога срабатывания тепловой защиты. Именно такой вариант показан на рисунке 2, где после нескольких циклов срабатывания защиты происходит восстановление нормального режима.

Возможен вариант ограничения максимального тока с помощью разрыва цепи (см. рис. 3). В этом случае при превышении порогового тока запускается таймер и, если через несколько миллисекунд величина тока не уменьшится ниже порогового уровня, произойдет размыкание цепи. Повторное замыкание произойдет через фиксированное время, обычно исчисляемое несколькими десятками миллисекунд.
На рисунках 2–3 кривая IMON описывает напряжение на выходе микросхемы электронного предохранителя eFuse, пропорциональное значению выходного тока.

Следует оговориться, что на рисунках 2–3 приведены варианты защиты при превышении порогового тока ILIM, заданного пользователем. В случае короткого замыкания, когда ток достигнет величины ISC, отключение происходит гораздо быстрее, например за 200 нс при использовании TPS25944 от Texas Instruments. У менее быстродействующих микросхем eFuse эта величина достигает нескольких десятков микросекунд.

Срабатывание тепловой защиты происходит по сигналу датчика температуры, встроенного в микросхему eFuse. На рисунке 4 показана зависимость времени срабатывания тепловой защиты от рассеиваемой микросхемой мощности и температуры окружающей среды. Эта зависимость схожа с аналогичным графиком для теплового электромеханического реле. Следует оговориться, что тепловая защита целесообразна в случае, если силовые ключи интегрированы в микросхему электронного предохранителя. Гистерезис тепловой защиты обычно составляет 10–15%.

Рис. 4. Зависимость времени срабатывания тепловой защиты от рассеиваемой микросхемой мощности и температуры

В некоторых случаях возникает ситуация, когда выходное напряжение выше входного. Подобное происходит при резервировании по схеме ORing, когда от ветви с более высоким напряжением ток перетекает в цепи с меньшим напряжением, или при наличии в цепи, защищаемой электронным предохранителем, конденсаторов большой емкости. Избежать перетекания обратных токов позволяет защита от обратной полярности токов. Она реализована с помощью блокирующего и проходного FET (см. рис. 1). При обнаружении тока обратной полярности защита срабатывает не позже чем через 1 мкс. Эта же схема служит защитой от напряжения обратной полярности на входе eFuse.

Несколько компаний выпускает электронные предохранители eFuse. На нашем рынке наиболее известны Diodes, NXP, ON Semiconductors, STMicroelectronics, Texas Instruments. Но для защиты от перенапряжений в этих eFuse приходится использовать внешние TVS-диоды. Поскольку параметры eFuse варьируются в широких пределах, нет смысла приводить в статье характеристики некого «типового» электронного предохранителя – такового попросту не существует.

Оригинальное решение недавно предложила компания Linear Technology, которая ныне является подразделением Analog Devices. Свою новую микросхему LTC7862 они назвали: «высокоэффективным ключевым ограничителем перенапряжений» (High Efficiency Switching Surge Stopper).

Несмотря на свое название, помимо ограничения перенапряжения LTC7862 ограничивает максимальный ток, ток короткого замыкания и реализует мягкий старт с заданной скоростью нарастания напряжения, а также имеет защиту от провалов напряжения. Таким образом, микросхема LTC7862 в значительной степени выполняет функции электронного предохранителя eFuse за исключением тепловой защиты, а также защиты от обратной полярности напряжения и тока. Схема включения ограничителя LTC7862 показана на рисунке 5. При показанных на схеме номинальных значениях компонентов уровень ограничения напряжения и тока составит 34 В и 20 А, соответственно.

Рис. 5. Схема включения ограничителя LTC7862

Если значение напряжения и тока ниже установленных пределов, постоянно открыт ключ MTOP, и входное напряжение подается на нагрузку. Если же величина напряжения или тока превышает допустимые пределы, микросхема LTC7862 начинает работать как обычный понижающий DC/DC-контроллер; при этом нижний ключ MBOT играет роль синхронного выпрямителя. При работе в режиме DC/DC-контроллера величина напряжения или тока удерживается на пороговом уровне. При мягком старте микросхема так же работает в режиме DC/DC-контроллера.

При старте режима DC/DC-контрол­лера запускается внутренний таймер микросхемы. Если в течение заданного времени ток или напряжение не опускаются ниже порогового уровня или при мягком старте выходное напряжение не достигает заданной величины, цепь нагрузки разрывается ключом MTOP, а через заданное время процесс запускается вновь. В заключение приведем некоторые основные параметры ограничителя LTC7862:

  • входное напряжение: 4–140 В;
  • уровень порогового напряжения (макс.): 60 В;
  • пороговый уровень провала напряжения, задается уровнем напряжения на внешнем выводе микросхемы: 4,0 или 7,5 В;
  • задержка обнаружения перенапряжения: 1 мкс;
  • падение напряжения на токочувствительном элементе при срабатывании защиты (макс.): 50±7 мВ;
  • рабочая частота в режиме DC/DC-контроллера, программируется: 50–900 кГц;
  • время нарастания сигнала драйверов затвора: 25 нс;
  • время спада сигнала драйверов затвора: 15 нс;
  • диапазон рабочей температуры: –40…125°C;
  • корпус: QFN20 (4×4 мм) TSSOP20.

Разница между прямым и обратным смещением по сравнительной таблице

Одно из основных различий между прямым и обратным смещением состоит в том, что при прямом смещении положительная клемма батареи подключается к полупроводниковому материалу p-типа , а отрицательная клемма подключается к n- Тип полупроводниковый материал . Тогда как при обратном смещении материал n-типа подключается к положительной клемме источника питания, а материал p-типа подключается к отрицательной клемме батареи.Прямое и обратное смещение различаются ниже в сравнительной таблице.

Смещение означает, что к полупроводниковому устройству подключено электрическое питание или разность потенциалов. Разность потенциалов бывает двух типов: прямое смещение и обратное смещение.

Прямое смещение снижает потенциальный барьер диода и обеспечивает легкий путь для прохождения тока. В то время как в обратное смещение разность потенциалов увеличивает силу барьера, который препятствует перемещению носителя заряда через переход.Обратное смещение обеспечивает высокий резистивный путь для прохождения тока, и, следовательно, ток не течет через цепь.

Содержание: прямое смещение против обратного смещения

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

Основа для сравнения Прямое смещение Обратное смещение
Определение Внешнее напряжение, которое прикладывается к PN-диоду для уменьшения потенциального барьера и образует легкий ток через него, называется прямым смещением. Внешнее напряжение, которое прикладывается к PN-переходу для усиления потенциального барьера и предотвращения прохождения тока через него, называется обратным смещением.
Символ
Подключение Положительная клемма батареи подключена к полупроводнику P-типа устройства, а отрицательная клемма подключена к полупроводнику N-типа Отрицательная клемма батареи подключена к P-области и положительный полюс батареи подключен к полупроводнику N-типа.
Барьерный потенциал Снижает Усиление
Напряжение Напряжение анода больше, чем катода. Напряжение на катоде больше, чем на аноде.
Прямой ток Большой Маленький
Слой истощения Тонкий Толстый
Сопротивление Низкое Высокое
Текущий поток Допускает Предотвращает
Величина тока Зависит от прямого напряжения. Ноль
Эксплуатация Проводник Изолятор

Определение прямого смещения

При прямом смещении внешнее напряжение подается на диод PN-перехода. Это напряжение устраняет потенциальный барьер и обеспечивает путь с низким сопротивлением для прохождения тока. Прямое смещение означает, что положительная область подключена к p-клемме источника питания, а отрицательная область подключена к n-типу устройства.

Напряжение потенциального барьера очень мало (около 0,7 В для кремния и 0,3 В для германиевого перехода), поэтому для полного устранения барьера требуется очень небольшое напряжение. Полное устранение барьера составляет путь с низким сопротивлением для прохождения тока. Таким образом, через переход начинает течь ток. Этот ток называется прямым током.

Определение обратного смещения

При обратном смещении отрицательная область подключена к положительной клемме батареи, а положительная область подключена к отрицательной клемме.Обратный потенциал увеличивает силу потенциального барьера. Потенциальный барьер препятствует потоку носителей заряда через переход. Он создает путь с высоким сопротивлением, в котором ток не течет через цепь.


Ключевые различия между прямым и обратным смещением

  1. Прямое смещение снижает силу потенциального барьера, из-за чего ток легко проходит через переход, тогда как обратное смещение усиливает потенциальный барьер и препятствует потоку носителей заряда.
  2. При прямом смещении положительный полюс батареи подключается к p-области, а отрицательный вывод подключается к материалу n-типа, в то время как при обратном смещении положительный вывод источника питания подключается к материалу n-типа, а отрицательный клемма подключается к материалу p-типа устройства.
  3. Прямое смещение создает электрическое поле поперек потенциала, которое снижает силу потенциального барьера, тогда как обратное смещение увеличивает силу потенциального барьера.
    • Примечание. Потенциальный барьер - это слой между диодом с PN-переходом, который ограничивает движение электронов через переход.
  4. При прямом смещении напряжение на аноде больше, чем на катоде, тогда как при обратном смещении напряжение на катоде больше, чем на аноде.
  5. Прямое смещение имеет большой прямой ток, а обратное смещение имеет очень маленький прямой ток.
    • Примечание. Ток в диоде, когда он течет в прямом направлении, называется прямым током.
  6. Слой обеднения диода очень тонкий при прямом смещении и толстый при обратном смещении.
    • Примечание. Слой обеднения - это область вокруг перехода, в которой свободные носители заряда истощены.
  7. Прямое смещение уменьшает сопротивление диода, тогда как обратное смещение увеличивает сопротивление диода.
  8. При прямом смещении ток легко течет по цепи, тогда как обратное смещение не позволяет току проходить через нее.
  9. При прямом смещении величина тока зависит от прямого напряжения, тогда как при обратном смещении величина тока очень мала или незначительна.
  10. При прямом смещении устройство работает как проводник, тогда как при обратном смещении устройство действует как изолятор.

Прямое напряжение кремниевого диода составляет 0,7 В, а прямое напряжение германия - 0,3 В.

AN013 - Защита от обратной полярности

AN013 - Защита от обратной полярности
Elliott Sound Products АН-013
Род Эллиотт (ESP)
Прил.Индекс банкнот
Основной индекс

Обзор защиты от обратной полярности

Большинство электронных схем будут серьезно раздражены, если питание будет подключено с обратной полярностью. Об этом часто свидетельствует немедленная потеря «волшебного дыма», от которого зависят все электронные компоненты. Если серьезно, то часто возникает непоправимый ущерб, особенно при напряжении питания 5 В и более. Традиционная схема защиты от обратной полярности состоит из диода, подключенного последовательно к входящему источнику питания или параллельно с предохранителем или другим защитным устройством, которое может перегореть.

Последовательный диод снижает напряжение цепи, на которую подается питание. Если он работает от батарей, снижение напряжения может легко означать, что значительная часть емкости батареи недоступна для цепи. 0,7 В - это немного, но это настоящая проблема, если в схеме используется напряжение не менее 5 В, а 4 элемента по 1,5 В обеспечивают только номинальное напряжение 6 В. Последовательный диод также может рассеивать много ватт в цепи, потребляющей большой ток - постоянно или периодически.

Параллельный диод должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать полный ток короткого замыкания от источника до срабатывания предохранителя. Обычно это означает очень большой и дорогой диод. Можно использовать и меньший, но в «жертвенном» режиме. Это означает, что он, скорее всего, выйдет из строя (отказ диода всегда связан с коротким замыканием), но он должен быть достаточно надежным, чтобы гарантировать, что он не станет разрывом цепи во время периода сбоя из-за соединения или плавкого предохранителя свинцовой проводки.

Также можно использовать реле, преимущество которого заключается в практически нулевом падении напряжения на контактах.Однако катушки реле потребляют значительный ток, который легко может превышать ток, потребляемый защищаемой схемой. Если источником питания является большая батарея с возможностью подзарядки по запросу, это не проблема, за исключением небольших затрат на эксплуатацию реле. Однако во многих случаях это нежизнеспособный вариант.

Альтернативой является использование полевого МОП-транзистора. Во многих случаях речь идет только о MOSFET, без каких-либо других деталей. Это работает, если напряжение питания ниже максимального напряжения затвор-исток, но требуются дополнительные детали с напряжением более 12 В или около того.Преимущество полевого МОП-транзистора заключается в том, что падение напряжения исчезающе мало, если выбрано правильное устройство.

Часто можно использовать BJT (биполярный транзистор) также для защиты от обратной полярности, но они не работают так же хорошо, как полевые МОП-транзисторы и имеют несколько присущих им недостатков, которые делают их гораздо менее подходящими. Для начала, на базу должен подаваться ток, чтобы транзистор включился, а это пустая трата энергии. BJT не может включаться так же сильно, как MOSFET, поэтому падение напряжения на транзисторе больше.Хотя он обычно превосходит диод (даже Шоттки), реального преимущества нет, потому что MOSFET - гораздо лучший вариант.

На следующих чертежах есть раздел, помеченный просто как «Электроника». На нем изображены электролитический конденсатор и операционный усилитель, но это может быть что угодно, от простой аудиосхемы, логических вентилей (и т. Д.) До микропроцессора. Потребление тока может быть любым, от нескольких миллиампер до многих ампер, и вам нужно выбрать схему, которая лучше всего подходит для вашего приложения. Это не руководство по дизайну , а скорее собрание идей, которые можно расширять и адаптировать по мере необходимости.


Диодная защита

Диод серии А - самый простой и дешевый вид защиты. В схемах низкого напряжения диод Шоттки означает, что падение напряжения снижается с типичных 0,7 В до примерно 200 мВ или около того. Это очень сильно зависит от тока, и при максимальном номинальном токе падение напряжения может превышать 1 В для стандартного кремниевого диода или около 500 мВ для типов Шоттки. Требуется только диод - никаких других деталей не требуется, так что это самый простой и дешевый вариант.


Рисунок 1 - Диодная защита, последовательная (слева), параллельная (справа)

Хотя последовательный диод очень легко реализовать, как отмечалось выше, минимальная потеря напряжения составляет 650 мВ или около того при низком токе, увеличивающаяся с увеличением тока нагрузки. С диодом на 1 А потеря напряжения будет близка к 900 мВ при 1 А, что почти соответствует снижению напряжения питания. Если схема питается от батарей, это представляет собой серьезную потерю емкости, потому что около 900 мВт доступной мощности тратится впустую без уважительной причины.Если у вас достаточно запасной мощности или при высоком напряжении (25 В и более) потери в диоде незначительны.

Диод Шоттки лучше, но они обычно дороже и недоступны для высоких напряжений. Для диода Шоттки 1 А вы можете ожидать потери около 400 мВ при 1 А. Диоды Шоттки имеют прямое напряжение от 150 мВ до 450 мВ, в зависимости от производственного процесса, номинального тока и фактического тока. Максимальное обратное напряжение составляет около 50 В, но обратная утечка выше, чем у стандартных кремниевых диодов.Это может вызвать проблемы с чувствительными устройствами, но обычно это не так. В скобках указано (более или менее) типичное напряжение на диоде Шоттки. Последовательному диоду может «помочь» параллельный диод на стороне оборудования, если утечка диода может вызвать проблемы. Это редко требуется или используется на практике.

С параллельным диодом (иногда называемым защитой «ломом») он должен быть рассчитан на более высокий ток, чем может обеспечить источник. Если источником напряжения являются батареи (любая химия), они могут выдавать чрезвычайно высокий ток, поэтому необходимы некоторые средства для отключения цепи - желательно до того, как диод перегреется и выйдет из строя.Хотя диоды выходят из строя в 99% случаев, это не то, на что стоит полагаться для защиты дорогой электроники. Некоторые источники питания могут возражать против короткого замыкания на выходе, могут ограничивать ток или выходить из строя. Плавкий предохранитель

A - это самый простой и дешевый способ отключения питания, если он подключен в обратном направлении, и предохранитель должен быть рассчитан на пропускание максимального тока, ожидаемого схемой. В этой схеме нет потери напряжения на диоде, но - это небольшая потеря напряжения на предохранителе.Это падение напряжения обычно незначительно. Естественно, если питание будет подключено в обратном направлении, предохранитель (должен) перегореть, а диод может выжить, а может и не выжить. Это означает, что система должна быть проверена и при необходимости отремонтирована, если в любое время будет отключено питание, включая замену предохранителя и / или диода. Возможно, вы сможете использовать термисторный переключатель PolySwitch с положительным температурным коэффициентом (PTC) - это зависит от многих факторов, которые необходимо изучить в первую очередь.


Релейная защита

Хотя поначалу это может показаться глупой идеей, реле - отличный способ обеспечить защиту от обратной полярности.Это при условии, что источник напряжения может питать реле без снижения его емкости. В оборудовании с батарейным питанием это обычно не вариант, но он может быть полезен для оборудования в легковых или грузовых автомобилях, где аккумулятор имеет большую емкость и постоянно заряжается при работающем двигателе. Реле не следует использовать для любого оборудования, которое постоянно подключено, так как оно со временем разрядит аккумулятор.

Как видно ниже, катушка реле может получать ток только при правильной полярности.При положительном (положительном) входе D1 смещен в прямом направлении, и на катушку поступает около 11,3 В, что более чем достаточно для ее втягивания. (нормально разомкнутые) контакты замыкаются, на электронику подается питание. При изменении полярности в катушке не протекает ток, и электроника полностью изолирована от источника питания, поскольку реле не может активироваться.


Рисунок 2 - Релейная защита

Преимущество реле в том, что оно может выдерживать чрезвычайно высокий ток без падения напряжения на контактах.Реле надежны и могут работать многие, многие годы без какого-либо вмешательства. Им не нужен радиатор (независимо от потребляемого тока), и они доступны в бесчисленных конфигурациях и практически для любых известных требований. Автомобильные реле также уже прошли все необходимые обязательные испытания, поэтому они могут снизить стоимость испытаний на соответствие, если это необходимо.

Собственная прочность реле является огромным преимуществом в автомобильных приложениях, где события «сброса нагрузки» являются обычным явлением.Это происходит, когда большая нагрузка отключается от электрической системы, и генератор не может выполнить исправление достаточно быстро, чтобы предотвратить перенапряжение. Есть и другие причины, и все автомобильное оборудование должно быть спроектировано таким образом, чтобы без сбоев выдерживать значительные перенапряжения. Реле легко справятся с этим.

Реле доступны с множеством различных напряжений катушки (например, 5, 12, 24, 36, 48 В), и существуют модели для любых мыслимых требований по току контакта. Если входное напряжение слишком велико для катушки, можно использовать резистор, чтобы снизить напряжение до безопасного значения.Также может быть включена схема «эффективности» (последовательный резистор с параллельным электролитическим конденсатором), которая подает на реле более высокое, чем обычно, напряжение, чтобы втянуть его, а затем снижает ток при зарядке крышки до значения, немного превышающего номинальное. гарантированный ток удержания (определяется резистором). Удерживающий ток может составлять всего 1/3 номинального тока катушки, а иногда и меньше.


Защита MOSFET У полевых МОП-транзисторов

есть очень желанная особенность. Все они имеют обратный диод, который определяет полярность напряжения, но когда полевой МОП-транзистор включен, он проводит одинаково в любом направлении.Таким образом, когда диод смещен в прямом направлении и MOSFET включен, напряжение на MOSFET определяется R DS на (сопротивление сток-исток включено) и током, а не прямым напряжением диод. Это полезное свойство сделало полевые МОП-транзисторы предпочтительным устройством для схем защиты от обратной полярности.

Однако вы должны учитывать тот факт, что полевым МОП-транзисторам требуется некоторое напряжение между затвором и истоком для проведения, а в цепи с очень низким напряжением (менее 5 В) может не хватить напряжения для включения полевого МОП-транзистора.МОП-транзисторы логического уровня могут включаться при более низком напряжении, чем стандартные типы, но они также более ограничены с точки зрения R DS на , и доступно меньше устройств, особенно типов с P-каналом.

На чертеже показаны резистор и стабилитрон. Они обеспечивают защиту затвора для затвора полевого МОП-транзистора, если есть или вероятность того, что максимальное напряжение затвор-исток может быть превышено. Их можно опустить, но, как правило, это неразумно. Если кратковременный выброс превысит напряжение пробоя затвора (обычно около ± 20 В), полевой МОП-транзистор будет поврежден и почти наверняка будет проводить в обоих направлениях. Это полностью отменяет схему защиты !

Для оборудования, которое питается от батарей, маловероятно, что произойдет «разрушительное событие», но затвор полевого МОП-транзистора может быть поврежден при некоторых обстоятельствах. Это кажется маловероятным, но высокое обратное напряжение (например, статическое) может вызвать поломку, если защита не используется. Некоторые полевые МОП-транзисторы имеют встроенный стабилитрон затвора, и резистор необходим для предотвращения разрушающего тока с напряжениями, превышающими напряжение стабилитрона.


Рисунок 3 - Защита MOSFET - N-канал (слева), P-канал (справа)

Вы можете использовать устройства с N-каналом или P-каналом, в зависимости от полярности цепи и от того, можете ли вы прервать соединение земли / заземления, не вызывая неправильного поведения цепи. В автомобильной среде шасси является отрицательным источником питания, и его трудно или невозможно отключить. Это означает, что схема защиты должна быть на положительной шине питания, что немного менее удобно, поскольку обычно требует P-Channel MOSFET.Обычно они имеют меньшую мощность и ток, чем их N-канальные аналоги. Вы все еще можете использовать устройство с N-каналом, но это более утомительно и требует дополнительных схем (показано ниже).

Если вы используете полевой МОП-транзистор с каналом P, не будет прерывания заземления (отрицательного полюса). Это особенно полезно для автомобильной электроники. Однако есть некоторые ограничения, о которых вы должны знать. Наиболее важным (и наиболее вероятным источником проблем) является требуемое напряжение затвор-исток.Это не проблема для автомобильных приложений, потому что доступно 12 В, но это проблема для более низких напряжений.

MOSFET с P-каналом логического уровня (5 В), безусловно, доступны, но, как уже отмечалось, они очень ограничены по сравнению с типами с N-каналом. Они также обычно более дороги для эквивалентных номинальных значений тока, и многие из них доступны только в корпусах для поверхностного монтажа (SMD). Это ограничивает их полезность в цепях с низким напряжением и высоким током, где невозможно или нецелесообразно отключать отрицательную шину (что позволяет использовать устройства с N-каналом).

Если в противном случае напряжение слишком низкое для включения полевого МОП-транзистора, существует возможность использования схемы накачки заряда для смещения устройства с N-каналом. Это добавляет сложности и стоимости, но является приемлемым вариантом, когда другие методы по какой-либо причине не подходят. Зарядный насос используется для генерации напряжения, превышающего входящее напряжение (обычно примерно на 10–12 В или около того), и это напряжение включает полевой МОП-транзистор. Общая идея показана ниже, но подробности о зарядовом насосе не приводятся - это «концептуальная» схема, а не полное решение.Показанные защитные диоды могут понадобиться, а могут и не потребоваться, в зависимости от схемы.


Рисунок 4 - N-канальный МОП-транзистор с нагнетательным насосом

Существует много разных способов создания зарядного насоса, и схема выходит за рамки данной статьи. Однако он должен быть устроен так, чтобы саму зарядовую накачку нельзя было подвергнуть обратной полярности. При подаче питания правильной полярности собственный диод в Q1 проводит и подает питание на накачку заряда и остальную цепь.В течение нескольких миллисекунд зарядный насос генерирует напряжение, достаточное для включения Q1, и МОП-транзистор включается и обходит свой собственный диод. Потеря напряжения определяется исключительно сопротивлением включенного МОП-транзистора и током, потребляемым схемой. Герметичный преобразователь постоянного тока в постоянный (с плавающим выходом) может заменить зарядный насос, если это необходимо.


Транзистор биполярный

Использование BJT подходит для слаботочных нагрузок, но там, где напряжение может быть слишком низким для полевого МОП-транзистора из-за недостаточного напряжения затвора для его правильного включения.В приведенных ниже примерах падение напряжения на транзисторе составляет примерно 125–150 мВ при токе нагрузки 40 мА. Падение напряжения намного меньше при меньших токах. R1 следует выбирать так, чтобы обеспечить достаточный базовый ток для насыщения транзистора. Обычно это означает, что вам необходимо обеспечить по крайней мере в три и до пяти раз больший базовый ток, чем вы рассчитали бы по бета-версии транзистора.

Например, транзистору с коэффициентом усиления (Beta или h FE ) 100 требуется 400 мкА для тока нагрузки 40 мА, но вы должны подавать не менее 5 мА, иначе падение напряжения на транзисторе будет чрезмерным.На чертеже предполагается, что транзистор имеет усиление не менее 65 (из таблицы), а резистор 2,2 кОм обеспечивает базовый ток около 2 мА - это сохраняет потери ниже 50 мВ при 40 мА. Невозможно ожидать гораздо лучшего, чем это, если бы базовый ток не стал чрезмерным. В показанных схемах транзистор рассеивает менее 10 мВт. Вы можете использовать небольшой сигнальный транзистор (например, BC549 или BC559) для слаботочных нагрузок.


Рисунок 5 - Транзистор PNP (слева), NPN (справа)

Существует внутреннее ограничение с использованием BJT, и это напряжение обратного пробоя эмиттер-база.В большинстве случаев напряжение пробоя составляет около 5 В, хотя для некоторых примеров оно может быть больше. Это означает, что входное напряжение выше 5 В, вероятно, неразумно, поскольку переход эмиттер-база будет иметь обратное смещение. Это вызывает ухудшение характеристик транзистора и может передать обратное напряжение электронике. Полный пробой может передать полное обратное напряжение на электронику, что приведет к выходу из строя. Эта проблема, похоже, не была обнаружена в большинстве схем, которые я видел.

Транзистор NPN предположительно лучше, потому что они обычно имеют более высокое усиление и, следовательно, более низкие потери из-за более высокого сопротивления, используемого для питания базы. На практике разница в лучшем случае будет незначительной. Как и N-канальный MOSFET, NPN-транзисторы должны использоваться в отрицательном выводе и требуют, чтобы отрицательный вход и шасси могли быть изолированы. Возникает та же проблема обратного пробоя перехода эмиттер-база.


Заключение

Как всегда в электронике, каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки.Вам необходимо выбрать вариант, наиболее подходящий для вашего приложения, исходя из требуемого тока, доступного напряжения и допустимого падения напряжения. В коммерческих продуктах стоимость может быть решающим фактором, часто за счет повышения производительности.

В некоторых случаях продукту может потребоваться выжить при воздействии импульса высокой энергии в рамках процесса испытаний и / или сертификации. Этого может быть трудно достичь с помощью некоторых из обязательных испытаний импульсами высокой энергии, используемых различными агентствами по всему миру, и это также то, что всегда следует учитывать в автомобильных приложениях, где пики `` сброса нагрузки '' могут вызвать всплески высокого напряжения на всем протяжении автомобиля. электрическая система.Следовательно, информация здесь будет не более чем отправной точкой для некоторых приложений. Тщательное тестирование необходимо для любого продукта, предназначенного для агрессивной среды.

Вы также должны учитывать вероятность (или нет) применения обратного напряжения. Во многих случаях это может произойти только тогда, когда продукт собран, и если это будет сделано таким образом, чтобы почти полностью исключить ошибки, обратная полярность никогда не возникнет. Большинство продуктов не имеют внутренней защиты от полярности, если они питаются от сети.Это связано с тем, что после сборки оборудования нет никакой возможности изменить полярность, кроме как кто-то неопытный, пытающийся его обслужить. Немногие продукты (если таковые имеются) учитывают ошибки, допущенные во время обслуживания.

Если ваша схема может справиться с падением напряжения на диоде и потребляет низкий ток, то, вероятно, достаточно простого блокирующего диода (стандартного или Шоттки). Не думайте, что, поскольку схема MOSFET имеет лучшую производительность, она автоматически становится лучшим выбором.Эта производительность имеет повышенную стоимость и имеет свои особые ограничения. Хорошее проектирование должно минимизировать затраты и сложность и обеспечивать подход, который наилучшим образом соответствует вашим требованиям к дизайну.

Наконец, никогда не стоит недооценивать использование реле. Это одни из самых старых известных «электронных» компонентов (на самом деле они электромеханические, но это не относится к делу). Их прочность и универсальность не имеют себе равных среди других компонентов, и тот факт, что они до сих пор используются сотнями миллионов, свидетельствует об этом.Обратной стороной является их катушечный ток, но он часто имеет второстепенное значение.


Каталожные номера
  1. Является ли наименьшее прямое падение напряжения реальных диодов Шоттки всегда лучшим выбором - IXYS
  2. Обратный ток / Схема защиты аккумулятора - Texas Instruments
  3. Автомобильные полевые МОП-транзисторы: Защита от обратного тока батареи - Infineon
  4. Защита цепей обратного тока - Примечание по применению - Maxim


Прил.Индекс банкнот
Основной указатель
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2017. Воспроизведение или переиздание любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещено. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки.Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана и защищена авторскими правами © Род Эллиотт, 9 января 2017 г.


VOOPOO Drag 2 Manual-Instruction / Problems - Vaper Club

Просмотры сообщений: 26 737

VOOPOO Drag 2 описание:

Внешний вид и основные параметры:

Drag 2 Overview

VOOPOO Drag 2 Mod Параметры:

Размер: 88.3 x 51 x 26,5 мм

Выходная мощность: 5-177 Вт

Батарея: Двойная батарея 18650 x 2

Возможность обновления программы: Да

Диапазон сопротивления: Провод без термопары: 0,05-5,0 Ом (± 5%) Провод термопары: 0,05-1,5 Ом (± 5%)

2. Drag 2 Electric Параметр:

3. Восемь защиты:

Защита от сверхурочной работы - Защита от перегрева - Защита от перегрузки по току на выходе - Защита от перезарядки - Защита от низкого заряда батареи - Защита от короткого замыкания распылителя - Поддержка сбалансированного заряда с аккумуляторами разных производителей - Защита от обратного хода аккумулятора

VOOPOO Drag 2 Mod Инструкции:

Основные операции

①.Нажмите кнопку огня 5 раз: Включение / выключение питания Нажмите кнопку огня 3 раза: последовательно переключайтесь из режима питания → режима FIT → режима TC ②. Одновременно нажмите кнопки «+» и «-»: войдите в меню функций ③. Нажмите одновременно кнопки fire и «+»: Lock / Unlock ④. Одновременно нажать кнопки огонь и «-» : Переключить ориентацию экрана

Четыре режима настройки:

Четыре режима работы:

A. Режим мощности:

а). Отрегулируйте мощность от 5 Вт до 177 Вт. Продукт автоматически рекомендует выходную мощность в соответствии с сопротивлением распылителя, когда обнаруживает, что новый распылитель был присоединен.

б). Одновременно нажмите кнопки вверх и вниз , войдите в меню функций :

B. Режим FIT:

а). Загрузка по умолчанию. Нажмите кнопку «+» или «-», чтобы выбрать три варианта.

C. Режим TC:

а). Поддержка SS, Ni, Ti, NC, TC, 5 видов нагревательной проволоки, заводская настройка по умолчанию SS, Ni, Ti, подключение компьютерного приложения для открытия NC, TC ;

б). Диапазон регулировки температуры : 200-600 ℉ / 100-315 ℃ - Когда температура установлена ​​на 100 ℃, удерживайте нажатой «-», она изменится на 600 ℉; - Когда установлена ​​температура 200 ℉, удерживайте нажатой «-», она изменится на 315 ° C.

в). Чтобы отрегулировать мощность в режиме TC, быстро нажмите кнопку огня 4 раза, чтобы активировать регулировку мощности. Вы увидите мигающий значок мощности «W». Мощность можно регулировать от 5 Вт до 80 Вт.

г). Одновременно нажмите «+» и «-» , Войдите в меню функций :

е). Диапазон значений охлаждения катушки: 0,05 ~ 1,50 Ом

D. Пользовательский режим:

а). Пользовательский режим в режиме Power или TC:

- Нажмите «+» и «-» одновременно , Войдите в меню функций, выберите и переключите M1 на M5 ; - Нажмите кнопку огня 4 раза , Переключите : Настройка мощности (Вт) → Режим FIT → Настройка TC (SS, Ni, Ti) ;

б).В пользовательском режиме есть 2 способа регулировки значения : - Ручное переключение пользовательской кривой в секунду (коротко нажмите кнопку огня 4 раза, чтобы войти в интерфейс кривой, нажмите ВВЕРХ / ВНИЗ для настройки, затем нажмите и удерживайте кнопку огня для выхода.), см. таблицу ниже:

Подключитесь к компьютерному приложению для пользовательских настроек

Дополнительные инструкции:

A. Спящий режим: экран автоматически выключится через 30 секунд без операций и перейдет в режим ожидания через 30 минут без операций / использования после выключения экрана.Для активации нажмите кнопку питания.

B. Режим зарядки: устройство переходит в состояние зарядки с включенным значком батареи, когда оно подключено к источнику питания 5 В с помощью кабеля USB; когда устройство полностью заряжено, значок аккумулятора перестанет работать. Примечание : Для полной зарядки устройства требуется 3 часа (требуется зарядное устройство на 5 В / 2 А).

C. Настройка компьютера : Вы можете выполнять следующие операции настройки с помощью прошивки VOOPOO: страница подсказок, температурный коэффициент, температурная кривая, кривая мощности, увеличение / уменьшение типа катушки и обновление устройства и т. Д.Адрес загрузки : http: //www.voopoo.com.

D. Функциональные подсказки:


E. Коэффициент размещения провода ТП :

Примечание : 1. Чем выше установленный коэффициент катушки, тем выше температура катушки Because 2. Из-за разного материала провода вы можете почувствовать, что мощность недостаточно сильная при вейпинге, вы можете правильно настроить коэффициент катушки на более высокий коэффициент, чтобы получить лучший опыт вейпинга ; 3. Пожалуйста, установите низкий коэффициент катушки, если слишком высокий, существует риск возгорания хлопка.

Внимание :

а. Пожалуйста, держите устройство подальше от источников тепла, огня и воды. б. Не роняйте, не бросайте и не погружайте устройство в воду. c. Пожалуйста, используйте правильный режим работы в соответствии с материалом вашего распылителя. d. Выключите или заблокируйте устройство, чтобы избежать неправильного срабатывания, когда вы берете его в дорогу. е. Храните содержимое этой упаковки в недоступном для детей и беременных женщин. f. Пожалуйста, используйте батареи с высокой скоростью разряда, рекомендуется более 30 А. г. Пожалуйста, не используйте батареи с поврежденной обшивкой или не полностью изолированными.

Связанные сообщенияКак использовать VOOPOO Drag Vape Kit | Руководство пользователя

1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *