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 нагрузкуАбсолютно 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 глобально 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.
Комментарии (118)
mphys
30.04.2018 17:54-3Читая эту статью, вы можете ощутить классическое то самое «Вот вам сложение и вычитание, да. А теперь, с помощью очевидных преобразований, перейдем к функциональному анализу и преобразованиям Фурье». Это я о переходе от закона Ома к dc/dc преобразователям :))
NordicEnergy Автор
30.04.2018 17:58+1А что именно не понятно? Из dc-dc тут были рассмотрены лишь сквозные токи, но там прям с картинками объяснил откуда оно приходит и почему приходит
mphys
30.04.2018 18:14Я просто не знаю что это такое, я достаточно плох в любой электрике и электронике выше закона Ома. Но все равно интересно.
Сразу вопрос, а источник V1 на рисунках с компаратором в реальном применении чем является? Батарейкой на плате? Получается, любой ОУ требует какого-то «еще одного» источника питания? :)NordicEnergy Автор
30.04.2018 18:35V1 можно воспринимать как батарейку, по сути это любой источник напряжения на 0.1В. ОУ достаточно только одного питания, а V1 просто как замена сигналу, надо же было что-то усилить)
DmSting
30.04.2018 19:30Правильнее рассматривать V1 как источник питания цепей управления устройства.
Та же логика и драйверы (в примере с ИБП) откуда-то ведь питаются.
Neuromantix
30.04.2018 18:47Как раз в эту тему возник недавно такой вопрос — есть некий девайс, питающийся от сетевого трансформатора, и потребляющий около 10-15вт по нескольким обмоткам. Работает он круглосуточно, при этом из девайса есть выносные элементы на проводах, которые могут быть повреждены. Как его защитить от вероятных КЗ? Ток в обмотках мал, плавкие предохранители не подходят, сам трансформатор даже в случае глухого КЗ нагревается слабо, т.к. большой, и витков на вольт много, поэтому терморазмыкатели тоже не подходят. Любые электронные схемы, отключающие основную. не подходят по принципу «кто будет сторожить сторожей». Пока единственное, что придумалось — это самовосстанавливающиеся предохранители-позисторы. Но может есть что-то более грамотное?
NordicEnergy Автор
30.04.2018 19:33Если напряжение с транса выпрямляется и все питается постоянным током, то как раз описанный тут случай и подойдет: шунт + компаратор + полевой транзистор. Компаратор в случае ошибки будет просто разрывать минусовой провод и все. Просто, быстро и дешево.
qbertych
30.04.2018 19:02А случайно не знаете, почему у «дорогого» датчика Холла такая форма? Помнится, при первой встрече с ним сразу же показалось, что это токовый трансформатор — лишь цена на сомнения навела.
NordicEnergy Автор
30.04.2018 19:30+2Вы правы, он сильно близок к токовому трансу по сути, но материал сердечника более хитрый (ради линейности) и сам транс сложнее с обмоткой компенсации и прочие премудрости. Ну и немного технопрона на эту тему))
qbertych
30.04.2018 23:22А имеет ли право на жизнь самодельная комбинация из токового трансформатора + «дешевого» датчика Холла + стабилизатора напряжения к нему (от помех)? Или же оно по цене будет не сильно ниже, чем девайс на картинке?
NordicEnergy Автор
30.04.2018 23:24+1Утверждать не буду, но думаю оно по цене будет как минимум также как купить готовый датчик. Там внутри достаточно хороший ИОН и ОУ, а это уже 5-6$ минимум. Ради интересна попробовать может и есть смысл, но экономической выгоды не вижу.
Googlist
01.05.2018 22:49И єто железо будет работать на 30-70 кГц?
NordicEnergy Автор
02.05.2018 14:49До 200 кГц точно работает. Про железо где-то выше уже писал, что это high flux, но в такой вот форме
Dmitriy62
30.04.2018 19:52Очень полезная статья! Как раз проектирую ЛБП. Думал сделать защиту на микроконтроллере. Всего один контроллер и можно реализовать все защиты и всё управление. Теперь буду думать… Пожалуйста, продолжайте Ваш архи полезный труд. Пишите больше статей полезных и поучительных! СПАСИБО!
NordicEnergy Автор
30.04.2018 19:56+2Посмотрите на STM32F334C4T6, например. Там прям внутри МК есть аппаратные компараторы в количестве 3-х штук и возможность как опору использовать ЦАП самого МК (встроенный регулятор получается, не надо всяких резисторов) и выход этого же компаратора идет внутри на BKIN. То есть силовой модуль весь аппаратный собран на кристалле и даже если повиснет ядро, то сама периферия будет работать и выключит ШИМы.
Ссылочку на эти motor control оставлю — тут.parakhod
01.05.2018 11:24Поддержу полностью, F3 — одна из самых толковых серий в плане управления серьёзными нагрузками. И освобождает от достаточно большого количества рассыпухи.
AnV_Electro
30.04.2018 20:07Совсем недавно такой датчик тока LTS (на эффекте Холла) встретил в Болгарском тиристорном преобразователе (ELL). Кстати этот датчик имеет несколько диапазонов измерения тока, в зависимости от способа его подключения (вернее числа витков провода сквозь датчик). Удивлен его стоимости!
Igor_O
30.04.2018 20:41Трансформатор тока. Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два — не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики.
Но есть магия, на которой работают токовые клещи, которые измеряют не только переменный, но и постоянный ток.
Есть еще простой вариант (но на достаточно большие постоянные токи), где используется два ТТ и дополнительный источник переменного тока.
Но да, для постоянки внутри устройства проще использовать шунт.NordicEnergy Автор
30.04.2018 20:45Клещи внутри имеют аналог того же LTS, не дешевое удовольствие поэтому тоже)) А вот про два ТТ только читал, на практике такое решение не доводилось увидеть.
Alexx31
30.04.2018 20:46У меня тоже вопрос к автору: как известно, напряжение смещения по входу у ОУ и компараторов соизмеримы в силу примерно одинаковых входных цепей. Поэтому, почему бы не сэкономить наносекунды и доллары, просто отказавшись от ОУ, подав на вход компаратора сразу с шунта? Ведь по точности примерно то же самое будет.
NordicEnergy Автор
30.04.2018 20:52Тут два момента:
1) Ток все равно придется измерять в большинстве случаев, поэтому усилить придется. Про это в статье писал
2) Подать на компаратор 60 мВ в принципе можно, только это дополнительная сложность, т.к. придется опору делать эти же самые 60 мВ, а в условиях помех это не лучшая затея, хотя работать в принципе будет, но вопрос стабильности. Я бы так сделал где нибудь в защите по постоянке, например, в шине 5В от USB, там помех особо нет.
ammaaim
30.04.2018 21:38«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.»
На самом деле автомат подбирается для защиты отходящей линии, а не всевозможной техники которую к ней будут подключатьNordicEnergy Автор
30.04.2018 21:41+1Именно, поэтому я и не советовал рассчитывать на различную электромеханику — у нее цель иная. За исключением наверное случаев, когда розетка предназначена для конкретной нагрузки, например, электроплита и защита строится конкретно для нее.
sim2q
30.04.2018 21:54В затравке на картинке как раз мой вариант для чего мне нужна защита, жаль не развернули тему дальше:)
Не стал мудрствовать с ОУ, поставил двойной 10 мегабит оптрон параллельно шунту (по одному на каждый полупериод). Да, это падение 1.0-1.5V (и только во время аварийной перегрузки), но подумал, что сделав что то сложнее в горячей части — по любому сгорит во время отладки на большее. И это UPS, работать в этом режиме всё равно редко и не долго. Там во время срабатывания и так вокруг всё греется. Тем более что ток измеряет штатный транс, моя доработка лишь аппаратная защиты в обход МК.NordicEnergy Автор
30.04.2018 21:59В стабилизаторе были трансформаторы тока, время реакции защиты там около 1-2 мс — маловато для такой мощности. Заменено на LEM-ы + шустрые компараторы и заведено на SN74LVC126 на котором и собрана защита, тоже кстати в обход МК. В клеммную колодку тыкал отверткой для КЗ — отрабатывало отлично, только искра и все. В UPS-е можно так же сделать, особенно удобно если нейтраль сквозная — одним датчиком можно обойтись.
sim2q
30.04.2018 22:12Да, шунт один уже от средней точки между транзисторами к сглаживающему ШИМ дросселю. На каждый транзистор — сложнее и и вылетает не от сквозного (там логика перед транзисторами все равно не даст), а от не срабатывании штатной защиты. Не понятно она если вообще или сломана. Нарисовал пока полностью аппаратную — сливает затворы при срабатывании. На следующем открывающем импульсе — открывается снова. Это как вы (если не ошибаюсь) советовали такой готовый оптрон, который после нескольких таких срабатываний подряд (если я правильно понял) выдаёт сигнал аварии.
Потом прикручу МК уже настраивать задержку. А может и так будет норм:)
Dorozhny
30.04.2018 22:10LM358 слишком медленная, для потактового ограничения тока не пойдет. Более быстрый и дешевый способ- токовое зеркало…
Еще один способ защиты- измерение падения напряжения на открытом ключе.NordicEnergy Автор
30.04.2018 22:11Может для начала статью прочитать и увидеть там OPA376?)) В модели LM358 чисто потому, что он есть и за счет популярности spice-модель не сильно кривая.
sim2q
30.04.2018 22:14Падение на ключе — выглядит вкусно. Особенно когда это встроено в сам ключ. Отдельно собирать самому, как я понял — много сложностей.
NordicEnergy Автор
30.04.2018 22:17У меня в статье по ac\dc была схемка в pdf и там на ключах как раз защита на внешних IR25750. Обвязка из 4-х что ли компонентов, ничего сложного и вполне себе стабильно работает. Для измерения тока конечно штука бесполезная, но засечь быстро превышение тока в 2+ раза может отлично и отключить нагрузку.
sim2q
01.05.2018 19:42Спасибо, что напомнили, смотрел этот pdf. Но все же IR25750 — не совсем рассыпуха, хотя и не дорогая. Ещё вопрос возник — у вас там с компаратора защиты запрещающий сигнал идёт на EN ISO7340 (тоже спасибо за наводку). И получается ООС — оно там не заведётся случаем как нибудь при срабатывании защиты по току? ps у меня стоит D-триггер. Защитой по току выход будет заблокирован до следующего открывающего MOSFET импульса.
Dorozhny
02.05.2018 00:45Вот вам пример адаптивного драйвера на рассыпухе: ixbt.photo/?id=photo:802638
sim2q
02.05.2018 00:57спасибо, хотя не совсем уверен, что оно работает, но аналоговая картинка — шикарная!)
Dorozhny
02.05.2018 01:24Там, в альбоме этого автора, можно найти картинки с осциллограммами...)) А тут описан процесс осмысления: electronix.ru/forum/index.php?showtopic=81435&st=90
sim2q
02.05.2018 03:12Спасибо ещё раз, только со второго раза уже по второй ссылке прочитал: «дополнительно — резистор, параллельно сток-исток р-канального MOSFET, 150 Ом», теперь — заработало :)
Dorozhny
30.04.2018 22:28Сложности там не много. Обратная связь только с драйвером ключа. Как бонус, может помочь организовать ZVS режим переключения.
Dorozhny
30.04.2018 22:23Каюсь, читал по диагонали, в надежде увидеть что-то интересное для себя...)) OPA376 конечно пошустрей, но и маловато будет выше 100 кГц. Надо что-то типа AD823…
NordicEnergy Автор
30.04.2018 22:26Там вроде про частоту писал (или хотел написать) — до 200 кГц мною лично проверено отлично работает, а вот на больших частотах уже лучше взять OPA320, например, но там и ценник уже повыше. Они проверены на 1 МГц с GaN-ом, на 2-х МГц уже небольшой завал идет, то терпимо еще.
Dorozhny
30.04.2018 22:32Попробуйте токовое зеркало- его можно хоть внизу, хоть вверху. Небольшая нелинейность, но дешево и быстро.
NordicEnergy Автор
30.04.2018 22:45Спасибо, надо будет поковыряться на досуге пока праздники и заказчики не пристают)
olartamonov
30.04.2018 23:07+3«Я просто оставлю это здесь», у нас есть простенькая, но весьма полезная схема защиты для некритичных применений, когда-то давно откуда-то срисованная. При превышении тока защёлкивается в выключенном состоянии, чем разительно отличается от схем ограничения тока, берущих всё тепловыделение на себя, при этом проста как валенок. Минус — большое падение напряжения, ибо срабатывает при 0,6—0,7 В.
Отдельной статьи не заслуживает, но как комментарий в тему — норм.
На Q1 тут защита от переполюсовки, D3 — от перенапряжения (открывается и вызывает срабатывание защиты по току).NordicEnergy Автор
30.04.2018 23:16Что-то похожее видел под названием «электронный предохранитель». Думаю народу будет интересно получить отработанную схемку. Благодарю!
juray
01.05.2018 15:40Есть отдельная деталька, реализующая тот же алгоритм — защелкивание в открытом состоянии при превышении тока, отщелкивание обратно — по падению напряжения ниже порога сброса.
Вот только сопротивление открытого канала у нее приличное — 10-20 Ом, так что годится только для слаботочных линий.olartamonov
01.05.2018 17:06eFuse на десятки миллиом есть у Техаса, например. Только оно, как правило, доступно исключительно под заказ, и цена пристойная начинается с катушки в 3 тыс. штук.
Вот смотрю, например, TPS259573 — поставка 13 рабочих дней, ценник $1,06 на 100 штуках, $0,53 на катушке.
На незамысловатые устройства обычно хочется чего-то попроще иметь.juray
01.05.2018 17:59Бакс при сотне — это вполне по-божески (у TBU где-то так же 1.20 от сотни, 0.9 от тысячи, если на маусере смотреть). Да еще учитывая, что тут еще и With Overvoltage Protection.
Впрочем, я смотрю, напряжение держит всего 18 В, тогда как TBU — до 400 rms или 850 в импульсе (специфика наших девайсов — бортсеть 24 В, в которой встречаются импульсы до 200 В с длительностью в сотни мс, так что TPS не катит).
Зато по току картина обратная — TPS на 4 А, TBU — максимум 0,75 А (да еще и ±0,25 при этом). Ну тут что лучше — зависит от задачи.
А еще у TPS что-то выводов многовато, намекает на обвязку намекает. Да хотя бы GND завести надо — а TBU двухполюсник.
Схема на рассыпухе хороша тем, что под свои параметры настроить можно. Но проигрывает по габаритам. Мы для защиты от тех самых 200 В таки наворотили схему на субплате. Правда, потом откопали супрессор SM8S33A, он энергию «импульса 5» вполне успевает рассеять, как показали испытания. Но напряжение на нём всё-таки растет вольт до 40, что таки не комильфо. Так что оставили схему отсечки.
Ну и если «чего попроще» не требует молниеносной реакции — есть же еще еще разнообразные PolySwitch в ассортименте.olartamonov
01.05.2018 18:05TPS ещё и ненастоящий предохранитель — там по превышению тока не выключение, а ограничение тока, после чего оно греется как утюг, а потом вырубается по перегреву. Впрочем, у большинства ключей с защитой так.
С другой стороны — там мозгов много, тут тебе и OVP, и UVP, и мягкий старт, и чёрт в ступе, и всё в одном чипе с обвязкой из трёх-пяти пассивов.
В общем, каждой задаче своё решение.
P.S. PolySwitch я не сильно люблю. Во-первых, медленные до одури, во-вторых, при частых и регулярных срабатываниях деградируют.
videochel
30.04.2018 23:07-7Вы очень тяжолый для понимания. Вас нельзя подпускать к обучению.
И писать такие статьи вам нельзя. Вы только запутываете людей.
Сами вы разбираетесь тоже — плохо.
Статья — демонстрация вашей… э несомысленности темы и убогости знаний в электронике. (несмотря на схемы, эмуляции и прочее)
ну вот хотя бы это:
«ОУ должен быть rail-to-rail, чтобы адекватно работать с сигналами около потенциала земли (GND)»
Ну что, нельзя взять обычный ОУ и подтянуть землю двумя резисторами?
всегда можно. Если говорить о работе у земли — то это и неграмотно.
Никогда не получите адекватного сигнала. Ну так только неопытный может поступить — только программист в чужой сфере деятельности, ане инженер-электронщик. Потому что это неграмотно. Тут хоть симяляцию проводи, хоть процессоры ставь. ))NordicEnergy Автор
30.04.2018 23:10+1Эм… а вы статью то хотя бы читали?)) Там в месте про rail-to-rail говорилось, что это удобно и чисто моя рекомендация. Кто-то говорил, что по другому нельзя?
Что касается компетенции, то с таким профессионалом как вы мне просто невозможно тягаться. Буду ждать вашей публикации,которая никогда не выйдет навернякагде вы научите глупых людей вроде меня уму разуму и как надо разрабатывать электронику. Честно, очень жду.akhkmed
03.05.2018 00:30Объективности ради, rail-to-rail бывает разное:
1. rail-to-rail вход, чтобы работать с входными сигналами, близкими по напряжению как к нулю, так и к источнику питания. Даже если выбранный ОУ будет без такого входа, он почти наверняка будет правильно работать вблизи нуля или напряжения питания, о чём будет указано в документации.
2. rail-to-rail выход, чтобы получить на выходе полный размах напряжения. Про компараторы точно не скажу, но у ОУ, даже у rail-to-rail, бывает, что рабочий ток на выходе зависит от направления тока, то есть он по-разному сможет отдать ток, если нагрузка подключена к нулю, нежели к напряжению питания. Но, насколько я понимаю, компараторы конструируют, чтобы их выход был правильно согласован с одним или несколькими типами логических уровней.
Neuromantix
01.05.2018 00:02Как показывает практика, «обычный ОУ» на земле «из 2 резисторов» порой творит такие чудеса, что не придумаешь. И даже RtR бывает выкобенивается в некоторых приложениях.
parakhod
01.05.2018 09:22+1Хм, чисто из любопытства — а какое у вас образование электронщика?
Просто вот я (как электронщик нынче весьма изредка, да и как учившийся на электронщика больше 20 лет назад) вижу к примеру в той схеме пару недостатков (работать, впрочем, будет), однако от идеи «подтянуть землю двумя резисторами» (может, впрочем, мы вас не особо правильно понимаем — нарисуйте что-ли) у меня откровенно волосы встают дыбом.
Знаете, когда я учился на третьем курсе за разные сопротивления на входах ОУ нас мягко журили, а вот за такое — оправляли на пересдачу, сразу.
elenbert
30.04.2018 23:30Спасибо за полезную статью.
Вопрос о реализации исполнительной схемы узла защиты.
Чем лучше всего размыкать относительно мощную постоянку (110 вольт и токи до 7А)?
Есть H-мост для старых ДПТ на 110 вольт, токовый шунт воткнуть в цепь — не проблема, но как (и где) тут лучше всего отключать питание в случае аварии двигателя?NordicEnergy Автор
30.04.2018 23:35Мост — это наверное слишком уж избыточно, если задача просто отключать. Самое базовое решение: N-канальным мосфетом размыкать землю (GND). Шунт соответственно между GND и истоком, а дальше как в статье: ОУ + компаратор + драйвер нижнего ключа простейший и на затвор. Драйвер можно заменить комплементарной парой из NPN+PNP транзисторов.
Если все же мост, то шунт так же между GND и истоками нижних транзисторов. Независимо от того, какая диагональ моста работает — ток всегда будет проходить через нижние ключи и на них проще всего отловить ток.
P.S. LEM на 15А на плюсовой проводник питания — это если не жалко 15-20$.
qbertych
30.04.2018 23:37Напрашивается вопрос о том, как выбирать время срабатывания защиты (когда это касается пробоев, а не омического нагрева). Вроде как не во всех даташитах оговаривается максимальный пиковый ток. И еще реже говорится, сколько этот импульс занимает по времени.
Igor_O
01.05.2018 00:50Как нас учили на военной кафедре, «читайте Устав, там все написано».
Читайте ПУЭ (и учебники по электротехнике). Там расписано как считать и что учитывать при расчете токов короткого замыкания. Из этого выводится необходимая скорость срабатывания защит в зависимости от вашего конкретного случая.
Чисто для общего образования, посмотрите на кривые срабатывания защит «бытовых» автоматов 10-16 А с характеристикой A, B и C.
А если для защит внутри устройства — принцип очень прост: защита должна сработать максимально быстро. При этом, защита имеет право быть многоуровневой — варистор на входе, емкостно-индуктивный фильтр чуть дальше, датчики тока и напряжения после них.SergeyMax
01.05.2018 01:31А если для защит внутри устройства — принцип очень прост: защита должна сработать максимально быстро
Хм. Теперь устройство уходит в защиту при каждом включении. Похоже, зарядка фильтрующих конденсаторов приводит к её срабатыванию. Какой у нас план, Пендальф? (с)Moog_Prodigy
01.05.2018 10:11Как во взрослых частотниках, сварочниках: заряжать входные конденсаторы через сопротивление, по достижении определенного порога это сопротивление шунтируется реле или контактором.
qbertych
01.05.2018 12:33Эмм. Ответ «максимально быстро» и так очевиден.
Меня интересует, как прикинуть это «максимально быстро» для чувствительной электроники, если оно в даташите явно не указано.juray
01.05.2018 16:22+1А о какой защите речь?
Если о токовой (в вашем комменте выше говорилось «когда это касается пробоев»), так электроника уже пробилась, и мы защищаем остальные цепи от тока КЗ.
И тут критерий — «чтобы проводники, по которым протекает ток, не успели нагреться до нарушения изоляции». Соответственно — прикидываем тепловой баланс (рассеиваемая мощность, теплоемкость) и время нагрева до критичной температуры.
А по напряжению:
Вариант 1. Прикидываем постоянную времени защищаемой цепи, из неё — скорость нарастания напряжения при идеальной ступеньке Хевисайда на входе. То есть переходную характеристику.
Защита должна отработать раньше, чем напряжение дойдёт до критического значения.
Вариант 2. Вспоминаем, что идеальных ступенек не бывает, и реальные импульсы перенапряжений тоже имеют конечную длительность фронта. Прикидываем, в каких условиях будет работать устройство, какие импульсы там вероятны — и от каких мы будем защищаться, а какие считаем форс-мажором.
Нормы по таким импульсам есть в стандартах, например для автомобильной бортсети это ГОСТ 28751 и ISO 7637. Более общие области — МЭК 61643 и т.п.qbertych
01.05.2018 18:25Да, осмысленно. Спасибо.
(Про пробои я имел в виду что-то типа КЗ в нагрузке, при котором хочется спасти питающий ее MOSFET. Тут оценку делать стоит, видимо, исходя из рассеиваемой ключом мощности.)
juray
01.05.2018 16:15«варистор на входе» — это ж не токовая защита, а от входных перенапряжений
Igor_O
01.05.2018 17:46Одна из причин высоких токов — высокое напряжение. Да и получение по входу высоковольтного импульса — одна и весьма частых причин смерти всякой мелкой электроники. Варистор тут, при ценнике в рознице 5-15 рублей, очень оправданное вложение денег. Что интересно, варисторы есть и на напряжения от 6В. Т.е. их можно использовать для защиты от битых USB и нештатных блоков питания. С рассеиваемой энергией 0.6 Дж для 6-ти вольтовых, конечно, он не долго продержится при перенапряжении, но даст время сработать другим защитам.
juray
01.05.2018 18:08qbertych писал:
когда это касается пробоев
то есть именно о КЗ.
А так-то да, в основном защищают устройство именно от перенапряжений, путём комбинирования порогового элемента по напряжению с токоограничителем (даже есть готовые комбинированные устройства с тепловой связью).
От токов КЗ же защищают сеть (ну и частично устройство — но уже не от выхода из строя, а чтоб совсем не заполыхало всей конструкцией).
Кстати, о многоуровневой защите есть интересная статья в журнале «Компоненты и технологии»: www.konkurel.ru/articles/St2.pdf
LAutour
01.05.2018 17:49Для малых токов у Bourns есть серия электронных самовосстанавливающихся предохранителей TBU с временем срабатывания 1мкс.
garus_ru
01.05.2018 17:49Хотелось бы узнать про бюджет погрешностей при расчете первой схемы для шунта (та, что с одним ОУ на LM358). Но, раз у вас итоговая схема с подстроечным резистором, то, видимо, погрешности первого каскада не важны.
Зато каждый экземпляр настраивать…NordicEnergy Автор
01.05.2018 17:52Ох… Два раза по ходу статьи писал, что это просто моделька для наглядности, а не реальная схема и все равно такие вопросы)) О каких погрешностях речь идет, если в схеме никаких фильтров и коррекции даже нет. Подстроечный резистор там просто, чтобы было удобно регулировать порог не останавливая симуляцию…
buglife
01.05.2018 17:55Немного занудности:
«Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А.»
Типичный блок 45-90 Вт, т.е. ток на входе 90 ватника (90/230)/0.95 ~ 0.4A
0.95 — power factor.
ancc
01.05.2018 18:33Хотелось бы узнать мнение автора про ACS711 с аппаратным выходом FAULT. Конечно получается не гибко с порогом, но так же безнадежно в плане помехозащищенности?
NordicEnergy Автор
01.05.2018 18:34ACS712, 711, 758 и прочие — с одной бочки деланы, а следовательно принципиально ничем не отличаются: одинаковые плюсы, одинаковые болезни.
ancc
01.05.2018 18:46Спасибо. А можно узнать ваше мнение как строить аппаратную схему защиты подобной этой только для переменки, когда например на тот же шунт нагружается трансформатор тока.
NordicEnergy Автор
01.05.2018 18:48От задач зависит. Трансформатор тока обычный — хорошее решение, если до 100 кГц и правильно обвязать. Если что-то ответственное, то LEM или таки шунт обычный + ОУ с двухполярным питанием, чтобы обе полуволны ловить.
ancc
01.05.2018 19:31А как по вашему, если применять что-то типа вышеупомянутого ACS712 совместно с внешним ТТ на переменке, улучшит ли это помехозащищенность? В неком устройстве как раз используется ТТ->шунт->выпрямитель на ОУ->STM32. Соответственно двухполярка. Были мысли выбросить это все, оставить ACS712 ->сопротивление->BAV99 под входу STM32, но были сомнения.
NordicEnergy Автор
01.05.2018 19:34Если измерять сеть 50 Гц и рядом нет огромных двигателей или мощных ВЧ преобразователей, то можно ACS смело ставить. На ВЧ переменку смысла ставить особо нет, разве что мудрить с экраном
ancc
01.05.2018 19:54Основной нагрузкой является УПП с токами при старте под 700А в самом худшем случае. В любом случае никакого ВЧ нет.
С шунтами плохо тем, что трудно впихнуть в них весь диапазон, или на низких токах будем мерить шум АЦП или на высоких токах сильно греть шунты.
juray
01.05.2018 19:19Вот тут есть сравнение разных способов замера тока:
www.power-e.ru/2005_01_80.phpjuray
01.05.2018 19:48впрочем, эту статью лучше в pdf читать, www.power-e.ru/pdf/2005_01_80.pdf
а то веб вариант какой-то урезанный, и нумерация рисунков сломана.
Wan-Derer
01.05.2018 21:49Этта… А я правильно понимаю что в этой схеме https://hsto.org/webt/ad/ev/_j/adev_jqj2khspbcdoofr8wboy30.png
при к.з. в нагрузке на вход ОУ прилетит 300В и ему поплохеет?
Я, конечно, понимаю что это всего лишь моделька, но всё же: как защиту сделать не одноразовой?NordicEnergy Автор
01.05.2018 22:27Я наверное глупость скажу, но для начала можно просто внимательно статью прочитать…
Вариант №1: Из предложенных вариантов выбрать датчик с гальванической развязкой, например, ТТ или LEM.
Вариант №2: Реализовать после шунта развязку на оптроне и после него все уцелеет.
Вариант №3: Не накосячить в проектировании, тогда быстродействия защиты с запасом хватит, чтобы закрыть транзистор силовой до момента пока его пробьет. Собственно смысл защиты именно в этом.gligi
02.05.2018 20:49-3Знаете, а Вам уже сказали, что Вас нельзя подпускать к обучению. А тоже присоединюсь.
Кроме того я думаю, что Ваши советы очень вредные особенно для начинающих. Чтобы понять то, что вы хотите сказать, надо иметь неплохие знания электроники и опыт. Говорю это как плохой разработчик DC-DC конверторов который в середине 90-тих оказался с кучей сгоревших деталей стоимости $1000-2000 (приобретенных мною за моими деньгами). Тогда я наконец понял, что все, что работает с высокими напряжениями и токами (и индуктивными нагрузками) любит гореть:
1. Быстро.
2. Шумно.
3. Взрывом.
4. Дорого.
И да, к сожалению простых защит нет. Потом я надолго отошел из разработки гремучей и горючей электроники.
Вообще:
1. Задумайтесь кому нужна симуляция где: ОУ неверно указан (да, я статью прочитал) и которая гальванически связана с сети питания? Что она симулирует? Разве DIY-читателям очевидно, что при КЗ нагрузки сгорит ОУ, потом контроллер и потом пойдет на все, что на пути попало?
2. Зачем вы не показали подключения и симуляции гальванически развязанной схемы?
3. К какой аудитории направлена статья? Если Вы советуете «Не накосячить в проектировании» — то это не DIY. Как раз DIY это для новичков, профессионалы сами справятся.
П.П. От меня публикации не ждите — я уже сказал — я плохой разработчик високоволтных изделий.NordicEnergy Автор
02.05.2018 21:04+1Вы или очень невнимательный человек и банально врете…
1) С чего вы взяли, что это обучающая статья? Вы видите пометку «tutorial»? Я не вижу…
И еще раз перечитайте вот это, если уж говорите, что читали:
Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.
И такая фраза несколько раз встречается в статье — это только мое мнение и на какую-то правду не претендую, хотите правду? Для таких как вы тоже есть совет по тексту:
Для тех, кому хочется академичности — идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».
2) 1000-2000$? Поздравляю, вы были глупым как минимум в 90-х. Чтобы ничего не сжигать достаточно развязать трансом + электронный предохранитель сделать. А за озвученную вами цифру даже тогда можно было купить 2 лабораторный блока питания 0-600В и не сжигать совсем ничего.
И опять же врать не хорошо — простая защита это электронный предохранитель на любом высоковольтном полевике. Схемка в журнале Радио гуляет с 80-х, да и в спец. главах электротехники про это написано.
Задумался…
1) Нужна всем, если вам не хватает кругозора, то мне жаль. Все активные PFC, стабилизаторы напряжения силовые и прочее — в принципе строятся без гальванической развязки. Посмотреть на отладку Infineon с PFC на ICE2 и подобных сил хватит?
И я покажусь кэпом, но развязывать ОС по току для какой нибудь UC3842 глупость полнейшая… Она стоит пол бакса, тогда как реализация развязки хотя бы питания и ОС уже встанет в несколько долларов.
2) Добавить оптрон на выход головы у кого-то не хватит? Боюсь такому человеку данная статья на 99% будет не понятна и не нужна.
3) Вы какую-то ахинею пишете… Вот на работе я проектирую, а пришел домой и сел за свою железку — что я начал делать? Все таки «проектировать» оно от слова «проект», а проект может быть в том числе и любительский.
P.S. Такое ощущение, что очень хотелось что-то написать, но написать нечего и выдали стену мало вменяемой отсебятины
nitrocaster
02.05.2018 10:49В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E
Где вы их покупаете, если не секрет?olartamonov
02.05.2018 14:26www.elitan.ru/price/index.php?find=PA2512FKF7W0R002E&delay=-1&mfg=all&seenform=y
Ну и у Компэла есть с аналогичным ценником и сроками.
ПаруДесяток штук в розницу, быстро и дорого можно взять в www.smd.ru/katalog/rezistory_i_potenciometry/nizkoomnye_chip_resistory_dlia_shuntov (там не Yageo, но в общем разница обычно не принципиальна)
P.S. Ещё у Vishay были шунты 2512 с честным Kelvin connection — контакты раздвоенные. Если на единицах миллиом хочется какой-то точности, это полезно.
NordicEnergy Автор
02.05.2018 21:18Я в основном таскаю с mouser через ПМ электроникс: быстро, все есть, но ценник при штучных количествах — не маленький.
ra3vdx
02.05.2018 14:53-1Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А.
ШТА?
Если на автомате написано «16 А», то и отключение произойдёт при 16 А.
А вовсе не «при 6-7 кратном токе». Вы пишете ерунду.ProstoUser
02.05.2018 16:12Уважаемый, прежде чем высказывать такие безапелляционные суждения, стоит хотя бы ознакомиться с матчастью. Посмотрите про времятоковые характеристики автоматических выключателей.
Для справки: Если взять автомат на 16А с самой распространенной времятоковой характеристикой «C» (маркировка «С16»), то мгновенно он сработает при превышении номинального тока от 5 до 10 раз. А двукратное превышение (ток в 32А) гарантировано выдержит не менее 10 секунд. Но и не более 200 секунд.olartamonov
02.05.2018 16:16то мгновенно он сработает при превышении номинального тока от 5 до 10 раз
Да и то в общем не мгновенно, а «мгновенно». Ни для автоматов, ни для плавких предохранителей время срабатывания меньше 10-20 мс никто обычно не гарантирует.ProstoUser
02.05.2018 18:48Конечно, вы правы. 10-20 мс на срабатывание — это время никуда не денется.
lingvo
02.05.2018 17:04Почему аппаратная?
Хочу сказать пару слов в защиту «софтовой» защиты, сорри, за тавтологию.
При правильном подходе к проектированию и реализации она тоже будет достаточно надежной, при этом связка АЦП+микроконтроллер дает неоспоримые преимущества относительно железной защиты, например, за счет меньшего количества аналоговых компонентов, возможности программного задания порога или возможности реализации более сложных алгоритмов защиты, например, адаптивного времени срабатывания (IDMT). Данная связка также позволяет проводить измерения реальной формы тока, а не только его пикового значения (часто надо отключать по перегрузке по RMS, а не пику), без дополнительных компонентов.
В моих проектах решения на контроллерах контролируют защиту от КЗ инвертора на мегаватты, и как-то все работает, хоть и 200нс не обеспечивают, а ближе к 100мксDorozhny
02.05.2018 18:17Если у вас ключи переваривают мегаватты, то возможно достаточно и 100мкс...)) При этом вы не учитываете, что при таких мощностях скорость нарастания тока ограничивается возможностями самой сети…
Защита должна быть аппаратной и ее можно организовать аппаратными средствами мк (вплоть до бланкирования сигнала с датчика тока), при этом программно можно измерять хоть суточный RMS тока… Как пример- dspic33fj16gs504 и его модуль SMPS.
lingvo
02.05.2018 18:42При этом вы не учитываете, что при таких мощностях скорость нарастания тока ограничивается возможностями самой сети…
Конечно учитываем.
Защита должна быть аппаратной и ее можно организовать аппаратными средствами мк (вплоть до бланкирования сигнала с датчика тока), при этом программно можно измерять хоть суточный RMS тока… Как пример- dspic33fj16gs504 и его модуль SMPS.
Еще раз, я чувствую, что вы где-то обожглись на МК и теперь твердите всем, что правильная защита — только железная.
Да, сделать надежную защиту от перегрузок или КЗ на МК не так-то просто. Это обусловлено в том числе и тем, что в момент КЗ у вас в системе происходит такая свистопляска (начиная от проседания напряжения питания и заканчивая возможными искро-дуговыми разрядами, которые создают помехи на сотни метров вокруг), что в неправильно спроектированной схеме микроконтроллеру, ответственному за защиту, попросту очень поплохеет от помех и он зависнет или вырубится как раз в тот момент, когда он больше всего нужен. Второй фактор, как вы сами написали — софт, который должен гарантированно отработать аварию в течении определенного достаточно короткого интервала. А это жесткий реал-тайм, который и под которым не умеют сегодня программировать 99% свежеиспеченных IoT/Arduino программистов.
Вот и получается, что априори считается, что контроллеры/процессоры не приспособлены для таких задач, хотя в принципе это не так.
В качестве примера приведу устройства для защиты высоковольтных линий от КЗ, перенапряжения и прочих напастей. Там хоть и время реакции миллисекунды, а не наносекунды, но и требования к надежности очень высокие. Тем не менее все эти устройства — микропроцессорные до мозга костей.Dorozhny
02.05.2018 19:18Нигде я не обжигался...))) Вы просто путаете проблемы: защиту ключей ИИП и защиту линий эл. передач. В последнем случ. необходим анализ перегрузки, который и обеспечивается программно в течении заданного времени (например, десяток периодов частоты сети). Далее, отслеживается переход через ноль и только тогда происходит аварийное отключение.
В ИИП решаются совсем другие задачи. В частичности, потактовое ограничение тока через ключ. Это значит, в каждом такте отслеживается ток ключа и при превышении макс. значения ключ закрывается. При частоте коммутации 50кГц. один такт занимает 1...10 мксек.
Ко всему этому, можно добавить, что КЗ в некоторых источниках- штатный режим (сварочный инверторы, например)…lingvo
02.05.2018 21:13Я ничего не путаю. Я просто говорю, что достаточно ответственная защита может быть реализована на МК и он не зависнет, как вы написали в своей статье.
Да, быстродействие у МК медленней компаратора, хотя в принципе с быстрыми АЦП можно уложиться и в пару десятков микросекунд.Dorozhny
02.05.2018 23:20Я не автор этой статьи, а вы просто не понимаете о чем идет речь. Какие пару десятков микросекунд? Завязывайте фантазировать и изучите уже матчасть… И потом, даже самый быстрый АЦП построен на том же самом компараторе, на котором построен current limit аппаратного модуля ШИМ…
mmmind
02.05.2018 21:15Уважаемый автор, а не довелось ли Вам использовать/сталкиваться с мониторами тока от ti — например, типа ina168?
NordicEnergy Автор
02.05.2018 21:17INA194 стоит в серийном MPPT в синхронном buck-е на выходе и много где еще при DC шине до 60-80В. Очень удобное решение как по мне.
parakhod
Я, конечно, дико извиняюсь, но где в списке обычные плавкие предохранители?
Не говоря уже о самовосстанавливающихся предохранителях? (я вот в своих девайсах много лет Bourns использую типа вот таких: it.farnell.com/bourns/mf-usmf050-2/multifuse-smd-1210-0-5a/dp/1294885, вполне доволен).
NordicEnergy Автор
В большинстве случаев в устройстве сгорает все, кроме предохранителя. Слишком уж они медленные, а следовательно бесполезные, т.к. не дают какой либо надежности от слова совсем. Их можно и нужно ставить максимум как дополнительную защиту «авось успеет перегореть».
parakhod
Глянул сейчас даташит на бурнсы — в случае кз (то есть даже не кз а максимального тока в 8А — можно даже и шунт поставить если хочется, хотя у них и самих сопротивление не нулевое) максимальное время срабатывания 20-100мс. Не наносекунды, конечно, но никакую дорогую микросхему перегреть до состояния пыщь не успеет даже близко.
По крайней мере у меня по питанию жертв с ними не бывало ни разу.
NordicEnergy Автор
20 мс — это, например, один период сети, то есть если устройство питается от сети, то оно успеет целых 2 раза испариться. Если говорить о совсем слаботочке, то фьюз опять не дает каких либо гарантий надежность, например, память типа SRAM умирает куда быстрее, чем 100 мс.
Хотя если бы делал не ответственную железку за 1$ с огромной серией, то тоже бы поставил фьюз)) Как писал в статье — нужно думать головой при выборе разумеется.
parakhod
Мой практический опыт — с низкими напряжениями (последний раз я делал что-то высоковольтное лет 25 назад когда в институте паял источник питания для сцинцилляторного датчика на 5000 вольт что-ли, с тех пор придерживаюсь мудрого совета Хоровица и Хилла о том, что блоки питания — единственная тема в схемотехнике которую лучше оставить другим))), однако на вполне себе ответственных железках по €50 за штуку, малые партии, они себя показывали отлично. Сколько выходы и дорожки не коротили — всё цело пока.
NordicEnergy Автор
Я видимо самый везучий, у меня stm-ки как мухи мрут на этапе отладки если КЗ между VCC и GND)) Хотя какие-то железки несколько секунд КЗ более менее переживают, но по мне такое допустимо максимум в домашних поделках и на этапах отладки.
parakhod
Странно, я несколько проектов в последние годы делал на STM32F4 и F3 — так у меня на несколько сотен изготовленных плат (четырех разных типов, естественно всё отлаживалось), с разными внешними питаниями, силовыми нагрузками и АЦП копыта откинул только один — и то когда я мосфетом без диода от большого ума стал индуктивную нагрузку рулить, мосфетом вышибло и 24 вольта пошло напрямую на выход gpio. Но тут никакая защита бы не спасла.
dbrr
К слову pptc довольно дешевая штука и придуманы, всё таки в первую очередь для предотвращения возгарания. Это их основное назначение, микрухи не спасёт зато пожар не случится.
parakhod
Да, а учитывая гадостность распаивания вручную LQFP100 и сосчитать невозможно сколько там у них разных ног закорочено было. Коза по питанию много раз случалась, но ни разу к проблемам не приводила. Может быть у вас с разводкой что-то не то было, или не на все питальные ноги питание приходило и ёмкости на них не висели (они хорошо всплески отфильтровывают, а всплеск по напряжению имхо гораздо чаще является причиной смерти кмопа чем большой ток)
SergeyMax
А-ха-ха. За указанное время от некоторых деталей на плате только тени останутся, как в Хиросиме)
parakhod
Ну да, а при прямом попадании молнии и теней не останется. А что будет при прямом попадании снаряда — вообще молчу.
К любой защите надо подходить разумно. Если у вас устройство питается от пятивольтового блока питания, способного выдать не больше пары ампер, то даже какой-нибудь светодиод подключенный без резистора за это время сгореть да и даже подсесть не успеет.
А вот от знакомого каждому электронику запаха воняющего от перегрева текстолита, когда перемкнул случайно не те контакты или просто отвёртку куда не надо уронил, поможет даже очень.
AllexIn
Симисторы влегкую сгорают за полпериода.
parakhod
Ну и не ставьте их на симисторы ))) К тому же я не думаю, что хорошая идея вообще ставить их на высоковольтные цепи, сопротивление-то у них не нулевое, да и после каждого срабатывания немного увеличивается, так что греться будут судя по всему. Но вот на 5-12 вольт — самое оно.
Serge3leo
Честно говоря, некорректно говорить за время срабатывания плавкой вставки. Более точно, у неё есть интегралы Джоуля (I2t) возникновения дуги и полное, которые мало изменяются от протекаемого тока. А уж за какое время они накопятся, за такое накопятся, при грозозащите и за микросекунды цепь рвут.
killik
"Устройство успело защитить предохранитель, перегорев первым."
Плавкие предохранители и автоматы ставят для защиты электропроводки, а не внутренностей электроники. Например, почти во всех блоках питания после предохранителя стоит деталь, которую специально пробивает при превышении входного
напряжения, чтобы предохранитель перегорел и разорвал линию.
juray
Так это защита от перенапряжения, а не от КЗ внутри устройства.
Errbis
Предохранитель — это защита ПРОВОДКИ и от возгорания, но не защита полупроводниковых приборов от КЗ. Медленно и слишком большой параметрический разброс. Ключи, тем более на хоть сколько-нибудь заметный ток предохранитель не спасёт гарантированно.
parakhod
Чисто из любопытства, из какого фундаментального издания вы все берёте эту прекрасную фразу про "защиту проводки" — ну не может же это быть совпадением?
По теме уж было хотел слегка выматериться, да лучше не буду — зачем? Ставьте себе чего хотите и пусть ваши ключи и симисторы будут счастливы.
Да, от простуды предохранители тоже не помогают, если что.