Симистор защита от короткого замыкания

Как защитить симистор? Теория и практика.

monitor.net.ru

Сообщения: 3756

Имеется установка. Сушит продукцию (эпоксидка). Установка представляет из себя длинный тоннель, поделенный на секции. В каждой секции стоит группа нагревателей и термодатчик. Продукция едет по конвейеру с определенной скоростью, а для каждой секции задана своя температура. Установка работает уже несколько лет и в принципе все нормально. Процесс отлажен, но иногда случаются сбои. То сеть прыгнет, то ТЭН коротнет, то еще чего. Редко но метко вылетают твердотельные реле. Вообще весь контроль построен на терморегуляторах Autonics и ихних же твердотелках SRH1-1430R. Вещи хорошие, добротные, но вот повадился мне таскать их хозяин цеха на ремонт. В принципе они хорошо ремонтируются и потом вполне себе работают. Ремонтировать одну не очень интересно, но вот когда их собирается три — пять штук то потраченный на ремонт вечерок становится уже вполне радостным.

Т.к. всего нагревательных секций восемь, а цена каждого реле пусть и не большая, но всего за восемь релюх, плюс восемь контроллеров собирается вполне серьезная сумма денег. И вот возникла мысль заменить все регуляторы одним восьмиканальным и все реле заменить просто симисторами. Плюс под это дело хозяин машинки захотел контролировать процесс удаленно. Он прав! Весь цех длинный а по линии разбросаны ящики с термометрами, инверторами, выключателями и сотрудники носятся по цеху осматривая показания и поправляя скорости и температуры. В общем захотел хозяин сделать общий пульт и свести управление в одну точку но возникла еще одна задумка.

Дело в том, что ТЭНы время от времени то перегорают, то пробиваются на «землю», то от них провода отваливаются и хотя случается это редко, на то есть постоянно горцающий по цеху электрик — наладчик, но вот если вовремя произошедшее не заметить, то брак обходится в копеечку и хозяину это не нравится. Он хочет точно знать, что конкретный ТЭН сейчас исправен и что реле не пробито. Но поставить электрика у этого щита он не может и периодами случаются сбои.

Как сделать все уровни контроля я знаю за исключением одного вопроса.

Как предотвратить взрыв симистора при коротком замыкании нагрузки?

В чем я вижу проблему.

Открывание симисторов происходит при переходе через ноль (Zero_cross) и до следующего перехода симистор открыт. Если в этот момент или прямо в момент перехода через ноль произойдет КЗ то ток этого КЗ за время одного полупериода спалит кристалл и не спасет вовремя сработавшая защита никак.

Вот и думаю, а нельзя ли что то придумать?

Как вариант может установить плавкие предохранители по каждому каналу?

На сколько эффективны могут быть автоматы?

Может есть иные способы контроля и предотвращения взрывов симисторов?

Симистор защита от короткого замыкания

Силовая Преобразовательная Техника

Источники питания электронной аппаратуры, импульсные и линейные регуляторы. Топологии AC-DC, DC-DC преобразователей (Forward, Flyback, Buck, Boost, Push-Pull, SEPIC, Cuk, Full-Bridge, Half-Bridge). Драйвера ключевых элементов, динамика, алгоритмы управления, защита. Синхронное выпрямление, коррекция коэффициента мощности (PFC)

  • 44 минуты назад
  • Тему:Проблемы с AC-DC Flyback
  • От:Baza
  • Обратная Связь, Стабилизация, Регулирование, Компенсация

    Организация обратных связей в цепях регулирования, выбор топологии, обеспечение стабильности, схемотехника, расчёт

    • 7 февраля
    • Тему:в adj DC-DC хочу переключать на ходу напряжение …
    • От:yes
  • Первичные и Вторичные Химические Источники Питания

    Li-ion, Li-pol, литиевые, Ni-MH, Ni-Cd, свинцово-кислотные аккумуляторы. Солевые, щелочные (алкалиновые), литиевые первичные элементы. Применение, зарядные устройства, методы и алгоритмы заряда, условия эксплуатации. Системы бесперебойного и резервного питания

    • понедельник в 21:56
    • Тему:Zn-air — есть какие-нить новости?
    • От:Влад123
  • Высоковольтные Устройства — High-Voltage

    Высоковольтные выпрямители, умножители напряжения, делители напряжения, высоковольтная развязка, изоляция, электрическая прочность. Высоковольтная наносекундная импульсная техника

    • 22 часа назад
    • Тему:Питание электрометра. Нужна помощь клуба.
    • От:Tanya
  • Электрические машины, Электропривод и Управление

    Электропривод постоянного тока, асинхронный электропривод, шаговый электропривод, сервопривод. Синхронные, асинхронные, вентильные электродвигатели, генераторы

    • 1 час назад
    • Тему:Выпрямитель в электродрели
    • От:rkit
  • Индукционный Нагрев — Induction Heating

    Технологии, теория и практика индукционного нагрева

    • 10 февраля
    • Тему:Сокращение числа витков индуктора.
    • От:majorka65
  • Системы Охлаждения, Тепловой Расчет – Cooling Systems

    Охлаждение компонентов, систем, корпусов, расчёт параметров охладителей

    • 1 января
    • Тему:Тепловой расчет для КТ827А
    • От:Herz
  • Моделирование и Анализ Силовых Устройств – Power Supply Simulation

    Моделирование силовых устройств в популярных САПР, самостоятельных симуляторах и специализированных программах. Анализ устойчивости источников питания, непрерывные модели устройств, модели компонентов

    • воскресенье в 05:00
    • Тему:Странное поведение модели генератора в Micro-CAP
    • От:SAVC
  • Компоненты Силовой Электроники — Parts for Power Supply Design

    Силовые полупроводниковые приборы (MOSFET, BJT, IGBT, SCR, GTO, диоды). Силовые трансформаторы, дроссели, фильтры (проектирование, экранирование, изготовление), конденсаторы, разъемы, электромеханические изделия, датчики, микросхемы для ИП. Электротехнические и изоляционные материалы.

    Защита с полупроводниковыми элементами

    В заключение отметим еще одну важную область применения управляемых полупроводниковых элементов — их использование для быстродействующей защиты от сверхтоков и перенапряжений. Так, например, тиристоры обладают многими почти идеальными свойствами элементов защиты. От существующих электромеханических элементов защиты тиристоры выгодно отличаются тем, что не обладают ни тепловой, ни механической инерцией и поэтому время их коммутации весьма мало. Тиристоры можно включить в цепь в течение 2 мксек, что составляет только одну десятитысячную долю периода переменного тока промышленной частоты. Хотя время запирания тиристора в 10 раз больше времени отпирания, оно все же составляет лишь одну тысячную длительности периода тока промышленной частоты. Кроме того, тиристоры кратковременно выдерживают очень большие перегрузки. Например, в течение полупериода тиристоры выдерживают ток, в 10—12 раз превышающий номинальный, что, безусловно, тоже весьма ценно. Наконец, для отпирания и запирания тиристоров необходима мощность гораздо меньшая, чем для управления любым электромеханическим элементом защиты. Принимая во внимание также то, что тиристоры выдерживают сравнительно большие токи (до 150 а) и напряжения (до 1 000 в), следует признать, что они являются весьма перспективными защитными элементами в устройствах не только малых, но и средних мощностей.

    Защита от перегрузочных и аварийных сверхтоков с помощью тиристоров осуществляется следующими способами:

    1) с тиристора снимается управляющий сигнал;

    2) отпирая тиристор, переносят короткое замыкание на вход защищаемого объекта;

    3) ток короткого замыкания прерывается принудительным запиранием тиристора.

    Первый способ применим лишь в цепях переменного тока, где после прекращения подачи управляющего сигнала тиристор запирается сам.

    В устройствах, для которых время срабатывания защиты по первому способу слишком велико, тиристоры можно использовать в качестве короткозамыкателей, которые образуют на входе защищаемого объекта короткое замыкание до того времени, когда сработает электромеханический аппарат защиты. В устройствах защиты от сверхтоков с исключительно большим быстродействием пользуются способом принудительного запирания тиристоров. При таком способе время отключения цепи не превышает 20—25 мксек. Такого рода быстродействующие схемы можно применять для защиты преобразователей переменного тока, выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты и других полупроводниковых устройств. Схема защиты по этому способу должна обеспечивать постоянный заряд главного элемента защиты — конденсатора, который всегда должен находиться в «боевой готовности». Как уже упоминалось, тиристоры можно использовать и для защиты от перенапряжений. Для этой цели наиболее пригодны лавинные тиристоры и симисторы, однако можно воспользоваться и обычными тиристорами. Для защиты от перенапряжений любой полярности необходимы два параллельно-встречно соединенных тиристора. Чтобы рассеять выделяющуюся от перенапряжения мощность, последовательно с тиристорами обычно включают нелинейное сопротивление.

    Easyelectronics.ru

    Часовой пояс: UTC + 5 часов

    Защита симисторной схемы от перегрузки и КЗ

    Здравствуйте, друзья.
    Нужна небольшая помощь. Пожалуйста, оцените работоспособность идеи:

    Надо управлять включением/отключением нагрузки:
    — переменного тока;
    — 220 Вольт, 50 Гц;
    — нагрузка с потреблением не более 3-х Ампер;
    — используется типовое включение симистора;
    — нагрузка возможна различная — и индуктивная, и резистивная.

    Задача.
    Быстрое отключение симистора при перегрузке или КЗ в нагрузке. Чтобы симистор не сгорел.
    Через несколько секунд нужно восстановить работу устройства, если КЗ или перегруз устранен.
    Устройства с этой схемой будут размещены в труднодоступных местах. Соответственно, предохранители, которые надо менять нежелательны, да и медленные они.

    Мысль такая.
    На симисторе есть перепад вольта 1,5 в «нормальном» режиме работы. При увеличении нагрузки, это напряжение увеличивается.
    Подобрать резистор, который при перегрузе позволит зажечь светодиод оптопары SFH6156, номинал которого 1 Вольт.

    Срабатывание транзистора SFH6156 отслеживать микроконтроллером (линия PA3) и отключать нагрузку.

    Что беспокоит: не сгорит ли симистор, пока будет удерживать пол-периода (10 мс) нагрузку в КЗ?
    Симистор-то быстро не закроется, если уже включился, пока через 0 не перейдет.

    И еще такой вопрос, дорогие коллеги, стоит ли изобретать этот велосипед?
    Может есть простые проверенные решения защиты данной схемы от перегруза и КЗ?

    Симистор защита от короткого замыкания

    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.

    Смотрите так же:  Электропроводка т-170

    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 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:

    Смотрите так же:  Автомат защиты с узо

    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 +59

    Устройство для защиты силовой цепи от перегрузки и короткого замыкания

    (72) Авторы изобретеиия

    Смотрите так же:  Подключение двигателя 220 через конденсатор схема

    Н.В.Боголюбов и В.А.Игнато

    Киевский ордена Трудового Красного Знамени институт инженеров гражданской авиации (7l ) Заявитель (g4) УСТРОЙСТВО @ЯЯ ЗА@ИТ И ОВОй ЦЕПИ иТ ПЕРЕГРУЗКИ И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

    Изобретение относится к электротех1нике и может быть использовано для защиты силовой цепи от перегрузкй и короткого замыкания в устройствах автоматики, использующих в качестве коммутирующих элементов симисторы и тиристоры.

    Известно устройство защиты силовой цепи от перенапряжения, содержащее

    t0 тиристор, лавинный диод, включенный параллельно тиристору, генератор импульсов запуска тиристора, конденсатор разрядный резистор $1).

    Недостатком устройства является

    3$ невозможность защиты силовой цепи в режиме короткого замыкания.

    1 аиболее близким по технической сущности к изобретению является уст» ройство, содержащее тиристор, измерительный резистор, конденсатор, диод, пороговый элемент, транзистор, токоограничиоающие резисторы, элемент запуска, и сточни к постоянного напряжения j2)J

    Недостатком известного решения яв.. ляется низкая надежность защиты и большое потребление мощности, что обусловлено отсутствием непосредственного контроля состолния переходов ключевого элемента (тиристора), а напряжение на измерительном резисторе, включенного последовательно в силовую цепь тиристора, не может служить достоверной мерой состояния переходов последнего. Большое потребление мощности связано с рассеиванием актив ной мощности на измерительном резисторе, по которому протекает ток нагрузки ключевого элемента. При этом ухудшаются ключевые свойства цепи иэ последовательно включенных тиристора и измерительного резистора, на котором образуется дополнительное падение напряжения.

    Цель изобретения — повышение надежности и снижение потребляемой мощности.

    Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты силовой

    3 92849 цепи от перегрузки и короткого замыка ния, содержащее симистор, последова» тельно соединенные диод, конденсатор, резистор и включенные параллельно измерительному резистору, подключенного первым и вторым выводом соответственно к катоду симистора и к первой шине источника постоянного напряжения пороговый элемент, первый вывод которого через резистор соединен с пер- !о вым входом ключевого элемента и элемент запуска, дополнительно введены последовательно соединенные ключевой усилитель, резистор и накопитель-, ный конденсатор, причем первый входной зажим ключевого усилителя подключен к катоду диода, второй входной зажим вместе с анодом указанного диода и вторым выводом измерительного симистора, первая обкладка накопительного конденсатора через резистор соединена с элементом запуска и первым выводом порогового элемента, второй вывод которого, вторая обкладка накопительного конденсатора и второй вход ключевого элемента объединены и подключены ко второй шине источника постоянного напряжения, выход ключевого элемента через резистор соединен с катодом симистора, в силовую цепь последнего включены нагрузка и источник переменного напряжения.

    В устройстве ключевой усилитель и ключевой элемент выполнены на транзисторах разного типа проводимости. зю

    На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для защиты от перегрузки и короткого замыкания.

    Устройство содержит.:имистор 1, в силовой цепи которого включены нагрузка 2 и источник переменного напряжения 3, измерительный резистор 4, включенный между катодом и управляющим электродом симистора 1, парал45 лельно измерительному резистору 4 включены последовательно соединенные диод 5, конденсатор 6 и резистор 7.

    К шинам источника постоянного напряжения 8 подключены ключевой усилитель

    9,. резистор 10 и накопительный конденсатор 11, первый зажим ключевого усилителя 9 подключен к катоду диода

    5, первая обкладка накопительного конденсатора 11 через резистор 12 подключена к первому выводу порогово- 5

    ro элемента 13, который через резис» тор 14 подключен к элементу запуска с помощью клеммы 15 и к первому входу ключевого элемента 16, второй вход которого и второй вывод порогового элемента 13 подключены ко второй обкладке накопительного конденсатора

    11, выход ключевого элемента 16 чере. резистор 17 подключен к катоду симистора 1.

    Устройство работает следующим образом.

    В исходном состоянии симистор 1 отключен и нагрузка 2 обесточена.

    Для включения симистора 1 на клемму 15 подают отрицательный импульс запуска относительно эмиттера транзистора 16.При этом через открывшии ся транзистор 16 управляющий переход симистора и резистор.17 начинает протекать ток от источника постоянного напряжения 8. В результате этого симистор 1 включается и в цепи нагрузки 2 возникает переменный ток от источника переменного напряжения 3.

    При протекании тока нагрузки через семистор 1 на его входе, а значит и

    > на измерительном резисторе 4, выделяется доля переменной составляющей анодного напряжения эа счет перераспределения потенциалов на слоях проводящей полупроводниковой структуры симистора 1. Переменная составляющая напряжения на участке управляющий электрод — катод симистора 1 и, что то же самое, на измерительном резисторе 4 через резистор 7 и конденсатор 6 подается на диод 5 и на базу транзистора 9, который открывается.

    Усиленный пульсирующий ток в коллекторной цепи транзистора 9 через резистор 10 заряжает накопительный конденсатор 1 1 до напряжения определен» ного уровня. Последнее поступает на пороговый элемент 13, в нормальных условиях находящийся в состоянии низкой проводимости, и на базу транзистора 16, поддерживая его в откры» том положении. После прекращения действия импульса запуска (поданного на клемму 15) транзистор 16 останется открытым. Следовательно, в открытом состоянии будет находиться и симистор 1. Такой режим работы схемы сохраняется до тех пор, пока не будет подан положительный импульс сброса на клемму 15, либо ток нагрузки 2 в силовой цепи семистора 1 не превысит своего предельного допустимого значения. Увеличение тока в силовой цепи симистора 1 сверх предельно допустимого значения приводит

    92 к возрастанию переменной, составляющей пульсирующего напряжения, выделяющегося на управляющем переходе симистора 1 и на измерительном резисторе 4.

    В результате этого увеличивается нап.ряжение на накопительном конденсаторе . 11, что вызывает пробой порогового элемента 13 и выключение транзистора

    16, эмиттерно-базовый переход которого шунтируется включившимся пороговым элементом 13. Источник постоянного напряжения 8 отключается от управляющей цепи симистора 1, исчезает постоянный ток через управляющий переход, симистор 1 выключается и отсоединяет нагрузку 2 от источника переменного напряжения 3.. Существенно BBNHblM является включение измерительного резистора 4 параллельно управляющему переходу симистора 1 и использование замкнутого со входа сижистора 1 на его же вход контура управления и защиты, состоящего из ключевого усили» теля 9, выход которого связан с поро говым элементом 13 и ключевым электродом 16. При этом указанные элементы могут быть выполнены на другой элементной базе, например, на микросхемах, поскольку контур управления и защиты является по существу низковольтным. В устройстве управления симистором 1 можно осуществлять постоянным током положительной полярности в этом случае необходимо изменить тип проводимости транзисторов 9 и 16 íà противоположный и соответственно изменить полярность включения порогового элемента 13 и источника постоянного. напряжения 8.

    Устройство характеризуется снижением потребляемой мощности, так как измерительный резистор 4 включен не в силовую цепь, а параллельно управляющему переходу симистора 1, и высокой надежностью защиты силовой цепи, так как при указанном включении измерительного резистора 4 осуществляется одновременный контроль не только состояния силовой цепи и в частности нагрузки 2, но также и состояния переходов симистора 1.

    1. Устройство для защиты силовой цепи от перегрузки и короткого замыкания, содержащее симистор, постоянно соединенные диод, конденсатор, резистор и включенные параллельно измерительному резистору, подключенному первым и вторым выводами соответ1О ственно к катоду симистора и к первой шине источника постоянного напряжения, пороговый элемент, первый вывод которого через резистор соединен с первым входом ключевого элемента, и элемент запуска, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежнос» ти и снижения потребляемой мощности устройства, в него дополнительно введены последовательно соединенные ключевой усилитель, резистор и накопительный конденсатор, причем. первый вход ключевого усилителя подключен к катоду диода, второй вход вместе с анодом указанного диода и вторым выводом измерительного резистора — к управляющему электроду симистора> первая обкладка накопительного конденсатора через резистор соединена с элементом запуска и первым выводом порогового элемента, второй вывод зо которого, вторая обкладка накопительного конденсатора и второй вход ключевого элемента объединены и подключены к второй шине источника постоянного напряжения, выход ключевого

    35 элемента через резистор соединен с катодом симистора, в силовую цепь последнего включены нагрузка и источник переменного напряжения.

    2. Устройство по п.1, о т л и ч а40 ю щ е е с я тем, что ключевой усилитель и ключевой элемент выполнены на транзисторах разного типа проводимости.

    45 Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

    1; Патент Франции И 2391582, кл. Н 02 Н 7/12, 1979.

    2.,Авторское свидетельство СССР

    so и 672626, кл. G 05 F 1/58, 1977.

    Составитель Л. Воропаев

    Редактор М.Товтин Техред Т»: Фанта Корректор Ю.Макаренко

    Заказ 3274/69 Тираж 670 Подписное

    ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

    113035, Москва,Н-35, Раушская наб.,д.4/5

    Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4

    Похожие статьи:

    • Отличие провода пунп от ввг Чем отличается ВВГ от ПУНП? Чем отличается ВВГ от ПУНП? Вроде сечение одинаковое, изоляция двойная. Можно ли проводку делать ПУНПом, если она заштукатуривается? Сырьём для ПВХ, методикой испытаний. Этот кабель выпускается по ГОСТ, а […]
    • Можно ли подключить узо без заземления Подключение УЗО без заземления Специальные устройства защитного отключения (УЗО) рекомендуют устанавливать там, где существует высокая вероятность поражения током. Задачей устройства является оперативное отключение всего электрического […]
    • Заземление гру Заземление гру п. 2.2.19 ПБ 12-529-03: 2.2.19. Надземные газопроводы при пересечении высоковольтных линий электропередачи, должны иметь защитные устройства, предотвращающее падение на газопровод электропроводов в случае их обрыва. […]
    • Как подсоединить провода к лампочке Как правильно подключить патрон для лампочки к проводам. Такая казалось бы простая и незамысловатая процедура, как подключение патрона для лампочки, имеет свои нюансы, не всегда знакомые для людей далеких от электричества. Да что […]
    • Заземление этажного щита Этажный щиток. Заземление. дом 9-ти этажный, 7-ми подъездный, 87 года выпуска (сделан из блок-комнат). 2 ввода. от ТП идет два кабеля 4-х жильного. щитки на этажах на 4-ре квартиры. к этажным щиткам идет 4 кабеля: 3 фазы, ноль. в этижном […]
    • Электро провода марки Как правильно выбрать электрический кабель или провода для электропроводки дома, гаража или квартиры. Любая замена или ремонт электропроводки начинается с покупки электрического кабеля! В своей практике Я столкнулся с тем, что люди при […]