Strombegrenzung einer kurzgeschlossenen Last auf 20A

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Analoger Neuling hier und zum ersten Mal in diesem Forum ... Danke fürs Lesen!

Was ich habe, ist eine Kontrolle für die Pyrotechnik. Ich habe alle digitalen Steuerungsaufgaben herausgefunden, aber analoge Bits sind nicht meine Stärke.

Die Autobatterie versorgt dieses Rig und die Ausgangskanäle werden mithilfe von SCRs, IGBTs oder einfachen Fahrzeugrelais umgeschaltet. Ich möchte den Strom so begrenzen, dass diese Komponenten nicht missbraucht werden und viele Kanäle einen hohen Strom empfangen können, selbst wenn einige einen wesentlich höheren Widerstand als andere haben.

Die meisten Schaltkreise, die ich sehe, befassen sich mit Batterieladung oder haben einen viel geringeren Strom. Das ist das Einfachste, was ich mir bisher ausgedacht habe:

20A Gleichstrombegrenzer

Grundsätzlich verwende ich die Stromverstärkung jedes Teils meines Darlington-Paares, um den Strom in die Last zu begrenzen. Ich hätte gerne Feedback zu diesem Design oder Hinweise auf etwas Passenderes (was, wie gesagt, schwierig zu finden war, da die Last kurz sein kann).

Kleinere Probleme sind:

Ich glaube, ich brauche irgendwo eine Dämpfungsdiode (oder Kappen?) Um meine Last und Diode in der Nähe des Schalters.

kurzgeschlossen.neuron
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Ich sehe, ich habe dich erfolgreich rekrutiert =)
NickHalden
Brennt das die Pyrotechnik? Sie brauchen also nur einen sehr kurzen Puls? Oder muss es ständig eingeschaltet bleiben?
Endolith
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@endolith ja, es sollte ein kurzer Puls sein. Das System kann jedoch auch einen "manuellen" Einkanal-Fernbetrieb ausführen, und manchmal hält der Bediener den Zündknopf bis zu 10 Sekunden lang gedrückt, wenn nichts passiert, in der Hoffnung, dass er aufleuchtet. In diesem Fall muss ich, wenn wir einen kurzgeschlossenen Zündkreis haben, den Strom begrenzen (aber hoffentlich in Foldback-Manier, denn wenn der Kurzschluss einfach schlecht eingetaucht ist, wollen wir ihn aufheizen (ein oder zwei Sekunden) ) und hoffentlich
loslegen
Bitte beachten Sie, dass die Verstärkung (in Ihrer Basiswiderstandsauswahl) nicht konstant ist, insbesondere in Ihrem Fall. Ihr grundlegender Ansatz muss also überdacht werden.
WhatRoughBeast

Antworten:

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Ein Problem bei der Strombegrenzung unter Verwendung eines Lineartreibers wie diesem besteht darin, dass der Treiber Energie proportional zu der über ihn abfallenden Spannung abführt. Wenn die Last den größten Teil der Spannung abfällt, kann der Treiber möglicherweise so gebaut werden, dass er überlebt. Wenn die Last jedoch bei 20 Ampere nur um wenige Volt abfällt, verbraucht der Fahrer eine große Menge Energie.

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

Wenn Sie 10 V bei 20 A laden, muss der Treiber die verbleibenden 2 Volt fallen lassen. Die Verlustleistung beträgt also 10 V x 20 A = 200 Watt und die Verlustleistung des Treibers 2 V x 20 A = 40 Watt. 40 Watt in einen Darlington benötigen einen ziemlich großen Kühlkörper, um nicht zu heiß zu werden. Wenn Sie es schnell herunterfahren und sich nur ein oder zwei davon in diesem Modus befinden, können Sie möglicherweise "damit durchkommen". Wenn jedoch eine Reihe von Lasten eine Weile im Grenzstrom bleiben, "gibt es Probleme".

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

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

Der beste Weg ist die Verwendung eines Schaltmodustreibers, der auf 20 A begrenzt und die verfügbare Energie nur bei Bedarf abschaltet. Dies können auch einfache 92 Transistoren in minimalistischer Form sein, die jedoch einen störenden Induktor pro Schaltung benötigen.


Wie gezeigt, ist das Ergebnis SEHR ungenau, da die Stromverstärkung des Darlington-Transistorpaars sehr ungenau ist. Wenn Sie beim Test nicht auswählen (z. B. den Basiswiderstand mit einem Potentiometer einstellen), ist er sehr ungenau und auch dann langfristig nicht gut. Ich kann Ihnen billige Schaltungen für einen Strombegrenzungstreiber geben. Aber zuerst wollen wir sehen, wohin die Frage geht.

Ja, Sie benötigen eine Diode über der Last, wenn diese induktiv ist und die Polarität so ist, dass sie normalerweise nicht leitet.


Verlustleistung im Controller und warum:

Der Stromfluss von 12 V durch die Last und den Regler zur Erde beträgt

  • I = V / R.

R ist die Summe aller Widerstände in einem gegebenen Reihenpfad.

Für 20A bei 12V

  • R = V / I = 12/20 = 0,6 Ohm.

Wenn Sie die Strombegrenzung auf 20 A einstellen, erstellen Sie ein elektronisch variables R, das das gesamte R im Stromkreis automatisch auf 0,6 Ohm einstellt, wenn die Last weniger als 0,6 beträgt.

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

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

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

  • Verlustleistung im Regler = 20 ^ 2 x .5 = 200 Watt.

Controller wird heiß ":-).

PWM-Strombegrenzung:

PWM = Pulsweitenmodulation schaltet die Last vollständig auf fos, sagen wir X%, wenn die Zeit und 100-X% der Zeit ausgeschaltet ist

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

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

Ich aus = 0

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

Die Batterie muss in der Lage sein, die 120A-Spitzen zu liefern.

Das Hinzufügen eines Induktors in Reihe mit der Last und einer "Fangdiode" verwandelt die Schaltung in einen "Abwärtswandler", z. B. wie diesen

Grundlegender Abwärtswandler

Wenn der Schalter an einem N-ten der Zeit eingeschaltet ist, beträgt der Spannungsausgang 1 / Nstel von Vin.

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

Hier ist ein Beispiel, das genau das tut.

Dies ist nicht ganz das, was Sie wollen, sondern zeigt das Prinzip. Dies ist eine von Richard Prosser gelieferte Relaistreiberschaltung, die von mir kommentiert wurde. Das Ersetzen eines geeigneten Induktors für L1 und das Platzieren der Last direkt unter L1 liefert eine strombegrenzte Versorgung. Dies wird ein bisschen "beschäftigt" für das, was Sie wollen.


Verwendung eines geschützten Strombegrenzungs-MOSFET

Die Verwendung eines stromgeschützten MOSFET wurde vorgeschlagen, wie beispielsweise des durch ON Semiconductor NCV8401 geschützten Low-Side-Treibers mit Strom- und Temperaturgrenze

Die Aufgabe des NCV8401 besteht darin, abzuschalten, wenn ein hoher Fehlerstrom aufrechterhalten wird, und den maximalen Strom zu begrenzen, der fließen kann, wenn ein Fehler auftritt. Geräte wie dieses machen das gut, aber sie sollen nicht zulassen, dass der Grenzstrom über lange Zeiträume aufrechterhalten wird. Ich habe versucht, ein solches Verbindungsgerät direkt über eine Autobatterie zu schalten und sie einzuschalten. Kein Problem - sie gehen nur in die Begrenzung und stellen den normalen Betrieb wieder her, wenn der Überlastungszustand beseitigt ist.

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

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

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

  • (2) Verwenden Sie die Energieumwandlung im Schaltmodus, damit der Treiber 20 A bei der für die Last erforderlichen Spannung liefert. Der Fahrer befasst sich nur mit Energie aus ineffizienter Umwandlung. Wenn beispielsweise die Last 0,2 Ohm beträgt, ist bei 20 A Vload = I x R = 20 A x 0,2 = 4 Volt. Die Lastleistung beträgt entweder I ^ 2 x R = 400 x 0,2 = 80 Watt oder OR = V x I = 4 V x 20 A = 80 Watt (wieder natürlich).

In diesem Fall, wenn die 4 V von einem Schaltmoduswandler bezogen werden, der z% effizient ist (0 <= Z <= 100). In dem obigen Beispiel, in dem Pload = 80 Watt ist, verbraucht der Schaltmoduswandler nur (100-Z) / 100 x P-Last = 0,3 x 80 W = 24 Watt, wenn der Wandler Z = 70 (%) sagt. Dies ist immer noch erheblich, aber weit weniger als die 240-80 = 160 Watt, die mit einem linearen Begrenzer abgeführt würden. So ...

Strombegrenzer des Schaltreglers

Dies ist als weiteres Beispiel als endgültige Lösung gedacht. Es könnte in Betrieb genommen werden, aber ein auf diesem Prinzip basierendes Grunddesign wäre besser.

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

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

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

Hier kann die Ausgangsspannung auf "hoch" eingestellt werden, da wir nach der Energieumwandlung und der Strombegrenzung suchen. Wenn beispielsweise die Last 0,4 R beträgt und die fiktive Zielspannung 12 V beträgt, begrenzt der Strombegrenzer, was wirklich passiert. Anstelle von oder neben dem Zyklus-für-Zyklus-Begrenzer können Sie eine niedrige seitliche Laststrommessung hinzufügen und diese verwenden, um die Antriebsspannung so zu begrenzen, dass der Ziellaststrom bereitgestellt wird.


Stufenbegrenzungs-Linearbegrenzer

Die einfachste Methode kann darin bestehen, eine Reihe geschalteter Widerstände bereitzustellen, die binär geschaltet werden können, um den Laststrom auf 20 A zu begrenzen. Ein Zähler zählt den Widerstandswert nach oben, wenn der Strom zu hoch ist, und nach unten, wenn der Strom zu niedrig ist. Die Verlustleistung beträgt 240 W bei 20 A, immer wenn die Last weniger als 0,6 R beträgt, ABER die Widerstände erledigen die Arbeit und Bipolartransistoren oder FETs, die als Lastschalter verwendet werden, können kühl laufen. Nicht allzu schwer zu machen, aber ein "nervig roher" Ansatz :-).

Russell McMahon
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Ich brauche die Strombegrenzung nicht, um genau zu sein ... +/- 20% sollten ausreichen.
shorted.neuron
Warum besteht dieses Ding darauf, meinen Kommentar jedes Mal zu "speichern", wenn ich <ENTER> drücke?
shorted.neuron
Jedenfalls verstehe ich Russell nicht ganz. Gehen wir einen Schritt zurück und haben nur die Batterie und die Last im Stromkreis. Nehmen wir an, RLoad = 0,1 Ohm. Wenn ich das nur über eine 12-V-Batterie stecken würde, würde ich 120 A und 1440 Watt bekommen ... die Last würde nicht sehr lange dauern. Aber jetzt sagen wir, dass es 1000 Ohm ist ... 12/1000 = 12 mA, aber es MUSS 12 V Abfall über dem Widerstand geben, wenn dies das einzige ist, was in der Schaltung ist.
shorted.neuron
Fügen wir nun diesen 1k-Widerstand wieder in meinen Stromkreis ein ... schalten Sie ihn ein und immer noch 12mA Strom durch den Widerstand, aber Sie sagen, dass meine Transistoren "den Rest der 12V fallen lassen" und was ... verbrennen werden auf den maximalen Strom, den meine Batterie basierend auf ihrem ESR beziehen kann? Zugegeben, mir fehlt hier wahrscheinlich ein sehr einfaches Konzept. Dieses Forum ist sicher mürrisch, nicht wahr? Verstehe nicht, wie sie erwarten, dass du eine Antwort in so wenigen Zeichen klärst.
shorted.neuron
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Später mehr. Der Stromfluss von 12 V nach Masse beträgt I = V / R. R ist die Summe aller Widerstände in einem gegebenen Reihenpfad. Für 20 A bei 12 V ist R = V / I = 12/20 = 0,6 Ohm. Wenn Sie Stromgrenze 20A Sie eine elektronisch variable R machen , die automatisch einstellt in der Schaltung bis 0,6 Ohm Gesamt R IF die Last kleiner als 0,6 ist. Wenn die Last MEHR als 0,6 Ohm beträgt, bleibt der Controller eingeschaltet, da der Strom weniger als 20 A beträgt. In Ihrem Beispiel mit einem 0,1R-Zünder muss der Regler 0,6-0,1 = 0,5 Ohm hinzufügen. Leistung im Zünder = 40 Watt. Verlustleistung im Regler = 200 Watt. Controller 'wird heiß ":-).
Russell McMahon
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R.D.S.(ÖN.)

Sie möchten keinen Strombegrenzer bei Kurzschluss, sondern eine Stromabschaltung. Im Falle eines Kurzschlusses liegen die 12 V (?) Der Batterie über den schaltenden MOSFETs und selbst mit einem 20 A Strombegrenzer müssen sie mit 240 W (!) Auskommen. Es gibt Tricks für Foldback-Strombegrenzer, die den Strom nach einem Kurzschluss auf ein sichereres Niveau reduzieren, aber meine Idee ist, dass es am besten ist, ihn vollständig abzuschalten.

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

stevenvh
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Vielen Dank, Sir ... weil dies ein Pyro-Controller ist, ja, ich möchte wirklich Strom in den Kurzschluss leiten. Ich wollte alle Komponenten für 20A entwerfen, habe aber wahrscheinlich mein tatsächliches Limit auf 10A festgelegt. Ich hatte schon früher über MOSFETs nachgedacht, war aber wegen ihres Rufs ferngeblieben, geschlossen zu bleiben und im Vergleich zu BJTs etwas zerbrechlich zu sein.
shorted.neuron
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Nachdem Sie zuvor Pyro-Steuerungen gebaut und verschiedene Arbeitsschutzimplementierungen an CNC-Geräten usw. durchgeführt haben, sollten Sie niemals eine Sicherheitssteuerung über die Logikschaltung zulassen.

Sie sollten mindestens einen physischen Schalter in der Gleichstromleitung zu den Pyro-Zündgeräten als Teil des Aktivierungsschlüssels verwenden. Haben Sie darüber nachgedacht, was passieren wird, wenn beispielsweise ein FET kurzgeschlossen wird ... sie tun es ... der Zündkreis wird unter Spannung stehen, der Typ wechselt den Pyro gegen den nächsten und bläst seine Hand ab.

Alle Sicherheitsstromkreise an Maschinen durchlaufen zugelassene Sicherheitsrelais, physikalische Relais, die den Antrieb zu Motoren usw. unterbrechen können. Sie müssen niemals nur das Signal an den Antriebsmotor abstellen. Wahrscheinlich wird auch dieses Signal abgeschaltet, aber es gibt immer ein Signal auch physisches Relais. Sie sollten zu 100% eine Möglichkeit zum Trennen der 12 V von den FETs als Teil Ihres Sicherheitskreises einschließen.

Sie sollten auch die Einschaltdauer begrenzen. Diejenigen, die ich erstellt habe, enthielten eine Durchgangsprüfung von ein paar Ma, um anzuzeigen, ob vor dem Auslösen ein guter Stromkreis auf dem Kanal vorhanden war, und natürlich, um die Durchgängigkeit nach dem Auslösen des Geräts anzuzeigen, das sich nicht entzünden konnte ...

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

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

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

ZWEITE Antwort, die ich wahrscheinlich umsetzen werde:

Ich wollte dies ursprünglich für Kfz-Relais tun, um Zuverlässigkeit und Robustheit zu gewährleisten. Später ging ich diesen Festkörperpfad entlang, weil die physische Größe der Relais und ihrer Kabelbäume und Buchsen etwas irritierend wurde und ich billige IGBTs und / oder SCRs zur Steuerung der Kanäle entdeckt hatte und nur dieses Strombegrenzungsschema durchführen wollte vor ihnen begrenzt der Strom einen Satz von 4 Kanälen auf insgesamt 20A.

Abgesehen von Drivel, glaube ich, wird eines dieser wunderbaren Geräte pro Kanal verwendet: ON Semiconductor NCV8401 Selbstschutz-Leistungs-MOSFET . Sie sind als Ersatz für Kfz-Relais gedacht und kosten zu meinem Erstaunen jeweils nur 0,80 US-Dollar. Ich bin mir sicher, dass Motorola (ON) mit seinem internen Strom und ihrer thermischen Begrenzung besser abgeschnitten hat als jemals zuvor. Ich werde Probleme mit der Hitze haben und wahrscheinlich große Kupferdrahtstücke auf meine Leiterplatte löten müssen, um den Strom zu verarbeiten, aber da es sich um Dinge mit kurzem Arbeitszyklus handelt, denke ich, dass ich es schaffen kann, ohne etwas in Brand zu setzen.

Vielen Dank, Herren, für Ihre Hilfe

kurzgeschlossen.neuron
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Die Selbstschutzvorrichtungen sind wunderbar ABER sie nicht tun , was Sie sagen , Sie wollen. Siehe geänderte Antwort.
Russell McMahon
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So würde ich das machen. Die Schaltung ermöglicht einen hohen Anfangsstrom (begrenzt durch C1 ESR und Source-Drain-Widerstand von U2), hält jedoch den Strom aus der Batterie jederzeit unter 20 A (unter der Annahme von 15 V gemäß Ihrem Diagramm). Dies sollte eine gute Schnellzündfähigkeit bieten, während das Gehäuse des "schlecht getauchten Zündgeräts" gut gehandhabt wird.

Bearbeiten - Nach weiteren Überlegungen gibt es bei diesem Schaltplan einige Sicherheitsprobleme. Ich werde diese Antwort bald mit einem Update überarbeiten, das diese Probleme behebt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ben Burns
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Die Glühbirne. Eine 240-W-Glühlampe in Reihe mit der Last begrenzt den ungünstigsten Strom auf 20 A und dient gleichzeitig als einfacher Leiter. Bonus-Bediener-Feedback und Notabschaltung. Helligkeit proportional zum Stromfluss zu einem bestimmten Zeitpunkt. Wenn Sie die Lampenhülle zerschlagen, brennt das Filament schnell ab und unterbricht den Stromkreis.

Slomobile
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