Implementierung des Hardware-Stromschutzes

Heute wird mein Artikel rein theoretischer Natur sein, oder besser gesagt, er wird kein „Eisen“ wie in früheren Artikeln enthalten, aber nicht entmutigen - er ist nicht weniger nützlich geworden. Tatsache ist, dass das Problem des Schutzes elektronischer Komponenten die Zuverlässigkeit von Geräten, ihre Ressourcen und damit Ihren wichtigen Wettbewerbsvorteil - die Möglichkeit, eine lange Garantie auf Produkte zu gewähren - direkt beeinflusst. Die Implementierung des Schutzes betrifft nicht nur meine bevorzugte Leistungselektronik, sondern grundsätzlich jedes Gerät. Selbst wenn Sie IoT-Geräte entwerfen und bescheidene 100 mA haben, müssen Sie dennoch verstehen, wie Sie den fehlerfreien Betrieb Ihres Geräts sicherstellen können.

Stromschutz oder Kurzschlussschutz (Kurzschluss) ist wahrscheinlich die häufigste Art des Schutzes, da Vernachlässigung in dieser Angelegenheit verheerende Folgen im wörtlichen Sinne hat. Zum Beispiel schlage ich vor, den Spannungsregler zu betrachten, der durch den entstandenen Kurzschluss traurig wurde:



Die Diagnose hier ist einfach: Es ist ein Fehler im Stabilisator aufgetreten, und es begannen ultrahohe Ströme im Stromkreis zu fließen. Der Schutz hätte das Gerät für immer ausschalten sollen, aber es ist ein Fehler aufgetreten. Nachdem Sie den Artikel gelesen haben, können Sie selbst erraten, wo das Problem liegen könnte.

Was die Last selbst betrifft ... Wenn Sie ein elektronisches Gerät von der Größe einer Streichholzschachtel haben, gibt es keine solchen Ströme, dann denken Sie nicht, dass Sie nicht so traurig werden können wie der Stabilisator. Sicherlich möchten Sie keine Bündel Chips für 10-1000 US-Dollar verbrennen? Wenn ja, dann lade ich Sie ein, sich mit den Prinzipien und Methoden der Kurzschlussbekämpfung vertraut zu machen!

Zweck des Artikels

Ich konzentriere mich in meinem Artikel auf Menschen, für die Elektronik ein Hobby und Anfänger ist. Daher wird alles "an den Fingern" erzählt, um ein besseres Verständnis für das Geschehen zu erhalten. Für diejenigen, die akademische Fähigkeiten wünschen, lesen wir alle Lehrbücher der Universität über Elektrotechnik + die „Klassiker“ von Horowitz, Hill, „Die Kunst der Schaltungstechnik“.

Ich möchte separat sagen, dass alle Lösungen Hardware sein werden, dh ohne Mikrocontroller und andere Perversionen. In den letzten Jahren ist es durchaus in Mode gekommen, wo nötig und nicht notwendig zu programmieren. Oft beobachte ich einen "Schutz" durch Strom, der durch triviale Messung der ADC-Spannung durch ein Arduino oder einen Mikrocontroller implementiert wird, und dann fallen die Geräte immer noch aus. Ich rate Ihnen dringend, nicht dasselbe zu tun! Ich werde Ihnen mehr über dieses Problem erzählen.

Ein bisschen über Kurzschlussströme

Um Schutzmethoden zu entwickeln, müssen Sie zunächst verstehen, womit wir kämpfen. Was ist ein Kurzschluss? Hier hilft uns Ohms Lieblingsgesetz, betrachten Sie den Idealfall:



Ist es einfach Tatsächlich ist diese Schaltung das Ersatzschaltbild fast aller elektronischen Geräte, dh es gibt eine Energiequelle, die sie an die Last abgibt, und sie erwärmt sich und tut etwas oder tut etwas nicht.

Wir sind uns einig, dass die Leistung der Quelle eine konstante Spannung ermöglicht, dh unter keiner Last „durchhängt“. Während des normalen Betriebs ist der in der Schaltung wirkende Strom gleich:

$$

$$I = U / R$$

Stellen Sie sich nun vor, Onkel Vasya ließ einen Schraubenschlüssel auf die Drähte fallen, die zur Glühbirne führten, und unsere Last verringerte sich um das 100-fache, dh anstelle von R wurde sie 0,01 * R, und mit Hilfe einfacher Berechnungen erhalten wir einen 100-fachen Strom. Wenn die Glühbirne 5 A verbraucht hat, wird der Strom von der Last jetzt bei etwa 500 A abgezogen, was ausreicht, um Onkel Vasyas Schlüssel zu schmelzen. Nun eine kleine Schlussfolgerung ...

Kurzschluss - eine signifikante Abnahme des Lastwiderstands, die zu einer signifikanten Zunahme des Stroms im Stromkreis führt.

Es versteht sich, dass Kurzschlussströme normalerweise hunderttausende Male größer als der Nennstrom sind und sogar eine kurze Zeitspanne ausreicht, um das Gerät außer Betrieb zu setzen. Hier werden sich wahrscheinlich viele Menschen an elektromechanische Schutzvorrichtungen („automatische Vorrichtungen“ und andere) erinnern, aber alles ist sehr prosaisch ... Normalerweise wird die Haushaltssteckdose durch eine Maschine mit einem Nennstrom von 16 A geschützt, dh eine Abschaltung erfolgt mit dem 6-7-fachen des Stroms, der bereits etwa 100 A beträgt. Das Laptop-Netzteil hat eine Leistung von ca. 100 Watt, dh der Strom beträgt weniger als 1A. Selbst wenn ein Kurzschluss auftritt, wird die Maschine dies lange Zeit nicht bemerken und die Last erst dann trennen, wenn alles bereits verbrannt ist. Es ist eher ein Brandschutz, kein Schutz der Technik.

Schauen wir uns nun einen anderen häufigen Fall an - durch Strom . Ich werde es am Beispiel eines DC / DC-Wandlers mit dem Topologie-Synchron-Buck zeigen. Alle MPPT-Controller, viele LED-Treiber und leistungsstarke DC / DC-Wandler auf den Platinen sind genau darauf aufgebaut. Wir betrachten die Wandlerschaltung:



Das Diagramm zeigt zwei Optionen für Überstrom: den grünen Pfad für den "klassischen" Fehler, wenn der Lastwiderstand (z. B. "Düse" zwischen den Straßen nach dem Löten) abgenommen hat, und den orangefarbenen Pfad . Wann kann Strom entlang des orangefarbenen Pfades fließen? Ich denke, viele Leute wissen, dass der Widerstand des offenen Kanals des Feldeffekttransistors sehr klein ist, für moderne Niederspannungstransistoren beträgt er 1-10 mOhm. Nehmen wir nun an, dass PWM mit einem hohen Pegel gleichzeitig zu den Tasten kam, dh beide Tasten wurden geöffnet. Für die Quelle „VCCIN - GND“ entspricht dies dem Anschließen einer Last mit einem Widerstand von ca. 2-20 mOhm! Wir wenden das große und mächtige Ohmsche Gesetz an und erhalten auch bei 5V einen Stromwert von mehr als 250A! Obwohl Sie sich keine Sorgen machen, gibt es keinen solchen Strom - die Komponenten und Leiter auf der Leiterplatte brennen früher und unterbrechen den Stromkreis.

Dieser Fehler tritt sehr häufig im Stromnetz und insbesondere in der Leistungselektronik auf. Es kann aus verschiedenen Gründen auftreten, beispielsweise aufgrund eines Steuerfehlers oder langer Transienten. Im letzteren Fall wird auch die "Totzeit" (Totzeit) in Ihrem Konverter nicht gespeichert.

Ich denke, das Problem ist vielen von Ihnen verständlich und vertraut. Jetzt ist klar, mit was Sie kämpfen müssen, und es bleibt nur herauszufinden, wie. Dies wird die weitere Geschichte sein.

Wie der aktuelle Schutz funktioniert

Hier müssen Sie die übliche Logik anwenden und einen Kausalzusammenhang erkennen:
1) Das Hauptproblem ist der große Wert des Stroms in der Schaltung;
2) Wie kann man verstehen, welchen Wert Strom hat? -> Messen Sie es;
3) Gemessen und den Wert erhalten -> Vergleichen Sie ihn mit einem gegebenen gültigen Wert;
4) Wenn Sie den Wert überschreiten -> Trennen Sie die Last von der Stromquelle.

Strom messen -> Prüfen Sie, ob der zulässige Strom überschritten wurde -> Trennen Sie die Last

Auf diese Weise wird absolut jeder Schutz aufgebaut, nicht nur über Strom. Abhängig von der physischen Größe, mit der die Verteidigung aufgebaut ist, werden auf dem Weg zur Implementierung verschiedene technische Probleme und Methoden zu ihrer Lösung auftreten, aber das Wesentliche bleibt unverändert.

Jetzt schlage ich vor, die gesamte Verteidigungskette zu durchlaufen und alle auftretenden technischen Probleme zu lösen. Guter Schutz ist ein Schutz, der im Voraus bereitgestellt wurde und funktioniert. Damit wir nicht auf Modellierung verzichten können, werde ich das beliebte und kostenlose MultiSIM Blue verwenden , das von Mouser aktiv beworben wird. Sie können es dort herunterladen - Link . Ich werde auch im Voraus sagen, dass ich im Rahmen dieses Artikels in dieser Phase nicht auf Schaltkreise eingehen und Ihren Kopf mit unnötigen Dingen füllen werde. Ich weiß nur, dass bei echter Hardware alles etwas komplizierter sein wird.

Strommessung

Dies ist der erste Artikel in unserer Kette und wahrscheinlich der am einfachsten zu verstehende. Sie können den Strom in der Schaltung auf verschiedene Arten messen und jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, die Sie speziell für Ihre Aufgabe anwenden können. Ich werde Ihnen aufgrund meiner Erfahrung die gleichen Vor- und Nachteile erläutern. Einige von ihnen sind "allgemein anerkannt", andere sind meine Weltanschauungen. Ich bitte Sie zu beachten, dass ich nicht einmal versuche, irgendeine Art von Wahrheit zu behaupten.

1) Aktueller Shunt . Die Grundlage der Grundlagen "arbeitet" alle nach dem gleichen großen und mächtigen Gesetz von Ohm. Der einfachste, billigste, schnellste und im Allgemeinen der beste Weg, aber mit einer Reihe von Nachteilen:

a) Fehlende galvanische Trennung . Sie müssen es separat implementieren, z. B. mit einem Hochgeschwindigkeits-Optokoppler. Die Implementierung ist nicht schwierig, erfordert jedoch zusätzlichen Platz auf der Platine, entkoppelte Gleichstrom / Gleichstrom und andere Komponenten, die Geld kosten und die Gesamtabmessungen erhöhen. Obwohl eine galvanische Trennung natürlich nicht immer notwendig ist.

b) Bei hohen Strömungen beschleunigt sich die globale Erwärmung . Wie ich bereits schrieb, funktioniert alles nach dem Ohmschen Gesetz, was bedeutet, dass es die Atmosphäre erwärmt und erwärmt. Dies führt zu einer Verringerung der Effizienz und der Notwendigkeit, den Shunt zu kühlen. Es gibt eine Möglichkeit, diesen Nachteil zu minimieren - den Widerstand des Shunts zu verringern. Leider kann es nicht unendlich reduziert werden, und im Allgemeinen würde ich nicht empfehlen, es auf weniger als 1 mOhm zu reduzieren, wenn Sie noch wenig Erfahrung haben, da Interferenzen bekämpft werden müssen und die Anforderungen für die Entwicklung einer Leiterplatte steigen.

In meinen Geräten verwende ich gerne die folgenden Shunts PA2512FKF7W0R002E:



Der Strom wird gemessen, indem der Spannungsabfall über dem Shunt gemessen wird. Wenn beispielsweise der Strom 30A durch den Shunt fließt, tritt ein Abfall auf:

$$

$$U_ {pad} = I * R = 0,002 Ohm * 30A = 0,06 V = 60 mV$$

Das heißt, wenn der Shunt einen Abfall von 60 mV aufweist, bedeutet dies, dass wir den Grenzwert erreicht haben. Wenn der Abfall weiter zunimmt, muss das Gerät oder die Last getrennt werden. Berechnen wir nun, wie viel Wärme auf unserem Shunt freigesetzt wird:

$$

$$P_ {shunt} = I ^ 2 * R_ {shunt} = 30 ^ 2 * 0,002 = 1,8 [W]$$

Nicht ein bisschen, oder? Dieser Punkt muss berücksichtigt werden, weil Die maximale Leistung meines Shunts beträgt 2 Watt und kann nicht überschritten werden. Löten Sie die Shunts nur nicht mit schmelzbarem Lot - vielleicht ist es verfallen, ich habe es auch gesehen.

Empfehlungen zur Verwendung:

• Verwenden Sie Shunts, wenn Sie Hochspannung und nicht sehr hohe Ströme haben
• Verfolgen Sie die auf dem Shunt erzeugte Wärmemenge
• Verwenden Sie Shunts, bei denen Sie maximale Leistung benötigen
• Verwenden Sie Shunts nur aus speziellen Materialien: Constantan, Manganin und dergleichen

2) Hall-Effekt-Stromsensoren . Hier gebe ich mir meine eigene Klassifizierung zu, die das Wesentliche verschiedener Entscheidungen zu diesem Effekt voll widerspiegelt, nämlich: billig und teuer .

a) Billig , zum Beispiel ACS712 und dergleichen. Von den Vorteilen kann ich die Benutzerfreundlichkeit und das Vorhandensein einer galvanischen Trennung feststellen, hier enden die Vorteile. Der Hauptnachteil ist ein extrem instabiles Verhalten unter dem Einfluss von HF-Interferenzen. Jede DC / DC oder eine starke reaktive Last ist ein Hindernis, dh in 90% der Fälle sind diese Sensoren nutzlos, weil sie "verrückt" werden und eher das Wetter auf dem Mars anzeigen. Aber es ist nicht umsonst, dass sie gemacht werden?

Haben sie eine galvanische Trennung und können hohe Ströme messen? Ja Mögen Sie keine Störungen? Ja auch. Wo soll man sie hinstellen? Das ist richtig, in einem Überwachungssystem mit geringer Verantwortung und zur Messung des Stromverbrauchs von Batterien. Ich habe sie in den Wechselrichtern für SES und VES für eine qualitative Bewertung des Stromverbrauchs mit Batterien, wodurch Sie die Batterielebensdauer verlängern können. Diese Sensoren sehen folgendermaßen aus:


b) Liebes . Sie haben alle Vorteile von billig, aber nicht ihre Minuspunkte. Ein Beispiel für einen solchen LEM LTS 15-NP- Sensor:


Was haben wir als Ergebnis:
1) hohe Leistung;
2) galvanische Trennung;
3) Benutzerfreundlichkeit;
4) Große gemessene Ströme unabhängig von der Spannung;
5) Hohe Messgenauigkeit;
6) Selbst „böse“ EMPs beeinträchtigen die Arbeit nicht und nicht. die Genauigkeit beeinträchtigen.

Aber was ist dann das Minus? Diejenigen, die den obigen Link geöffnet haben, haben ihn deutlich gesehen - das ist der Preis. $ 18, Carl! Und selbst bei einer Serie von mehr als 1000 Stück wird der Preis nicht unter 10 US-Dollar fallen, und der tatsächliche Kauf wird 12 bis 13 US-Dollar betragen. In BP kann dies für ein paar Dollar nicht gesagt werden, aber wie ich möchte ... Zusammenfassend:

a) Dies ist im Prinzip die beste Lösung zur Strommessung, aber teuer;
b) Verwenden Sie diese Sensoren unter rauen Betriebsbedingungen.
c) Verwenden Sie diese Sensoren in kritischen Knoten.
d) Verwenden Sie sie, wenn Ihr Gerät viel Geld kostet, zum Beispiel eine USV mit 5 bis 10 kW. Dort wird es sich definitiv bewähren, da der Preis des Geräts mehrere tausend US-Dollar beträgt.

3) Stromwandler . Standardlösung in vielen Geräten. Zwei Minuspunkte - arbeiten nicht mit Gleichstrom und haben nichtlineare Eigenschaften. Vorteile - billig, zuverlässig und Sie können nur große Ströme messen. Bei aktuellen Transformatoren wurden in Unternehmen Automatisierungs- und Schutzsysteme in RU-0,4, 6, 10, 35 kV gebaut, und Tausende von Ampere sind dort ganz normal.

Ehrlich gesagt versuche ich, sie nicht zu verwenden, weil ich sie nicht mag, aber ich stelle sie trotzdem in verschiedene Schaltschränke und andere AC-Systeme, weil Sie kosten ein paar US-Dollar und bieten eine galvanische Trennung, nicht 15 bis 20 US-Dollar wie LEMs, und erfüllen ihre Aufgabe perfekt in einem 50-Hz-Netzwerk. Normalerweise sehen sie so aus, aber sie kommen auf allen Arten von EFD-Kernen vor:



Vielleicht können Sie mit den Methoden der Strommessung fertig werden. Ich habe über die Hauptsache gesprochen, aber sicherlich nicht über alle. Um meinen eigenen Horizont und mein Wissen zu erweitern, empfehle ich Ihnen, mindestens zu googeln und verschiedene Sensoren auf demselben Digikey zu sehen.

Verstärkung des gemessenen Spannungsabfalls

Der weitere Aufbau des Schutzsystems basiert auf dem Shunt als Stromsensor. Lassen Sie uns ein System mit einem zuvor angekündigten aktuellen Wert von 30A bauen. Auf dem Shunt bekommen wir einen Abfall von 60 mV und hier treten 2 technische Probleme auf:

a) Das Messen und Vergleichen eines Signals mit einer Amplitude von 60 mV ist unpraktisch. ADCs haben normalerweise einen Messbereich von 3,3 V, dh mit 12 Bit Bittiefe erhalten wir einen Quantisierungsschritt:

$$

$$U_ {Quantum} = V_ {Ref} / 2 ^ {12} = 3,3 / 4095 = 0,0008 [V] = 0,8 [mV]$$

Dies bedeutet, dass wir im Bereich von 0-60 mV, was 0-30A entspricht, eine kleine Anzahl von Schritten erhalten:

$$

$$n = U_ {Shunt} / U_ {Quantum} = 60 / 0,8 = 75 [Schritte]$$

Wir bekommen, dass das Messbit nur sein wird:

$$

$$k = I_ {max} / n = 30/75 = 0,4 [A / Schritt]$$

Es sollte verstanden werden, dass dies eine idealisierte Figur ist und in Wirklichkeit werden sie viel schlimmer sein, weil Der ADC selbst hat einen Fehler, insbesondere um Null. Natürlich werden wir den ADC nicht zum Schutz verwenden, aber wir müssen den Strom vom gleichen Shunt messen, um ein Steuerungssystem aufzubauen. Hier wurde die Aufgabe klar erklärt, dies gilt aber auch für Komparatoren, die im Bereich des Erdpotentials (normalerweise 0 V) ​​sehr instabil sind, sogar von Schiene zu Schiene.

b) Wenn wir ein Signal mit einer Amplitude von 60 mV über die Platine ziehen möchten, ist nach 5-10 cm aufgrund von Interferenzen nichts mehr davon übrig, und zum Zeitpunkt des Kurzschlusses müssen wir uns definitiv nicht darauf verlassen, weil Die EMR wird weiter zunehmen. Natürlich können Sie das Schutzschema direkt am Fuß des Shunts aufhängen, aber das erste Problem wird nicht behoben.

Um diese Probleme zu lösen, benötigen wir einen Operationsverstärker (Operationsverstärker). Ich werde nicht darüber sprechen, wie es funktioniert - das Thema ist perfekt Google, aber wir werden über kritische Parameter und die Auswahl der Operationsverstärker sprechen. Lassen Sie uns zunächst das Schema festlegen. Ich sagte, dass es hier keine besondere Gnade geben wird, also werden wir den Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung (OOS) abdecken und einen Verstärker mit einer bekannten Verstärkung bekommen. Ich werde diese Aktion in MultiSIM simulieren (das Bild ist anklickbar):



Sie können die Datei für die Simulation hier herunterladen.

Die Spannungsquelle V2 fungiert als unser Shunt oder simuliert vielmehr einen Spannungsabfall über ihr. Aus Gründen der Übersichtlichkeit habe ich einen Abfallwert von 100 mV gewählt. Jetzt müssen wir das Signal verstärken, um es auf eine günstigere Spannung zu übertragen, normalerweise zwischen 1/2 und 2/3 V _ref . Auf diese Weise können Sie eine große Anzahl von Quantisierungsschritten in den aktuellen Bereich bringen + einen Spielraum für Messungen lassen, um zu beurteilen, wie schlecht alles ist, und um die aktuelle Anstiegszeit zu berechnen. Dies ist in komplexen reaktiven Lastregelungssystemen wichtig. Der Gewinn ist in diesem Fall gleich:

$$

$$U_ {out} = U_ {in} * (1+ \ frac {R2} {R1}) = 0,1 * (1 + \ frac {9} {1}) = 0,1 * 10 = 1 [B]$$

Somit können wir das Signal unseres Signals auf den gewünschten Pegel verstärken. Nun werden wir uns überlegen, welche Parameter es wert sind, beachtet zu werden:

• Der Operationsverstärker muss Rail-to-Rail sein, um mit Signalen in Bodennähe (GND) angemessen arbeiten zu können.
• Es lohnt sich, einen Operationsverstärker mit einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit zu wählen. Für meinen geliebten OPA376 beträgt dieser Parameter 2 V / μs, wodurch ich in nur 2 μs einen maximalen Operationsverstärker-Ausgangswert von VCC 3,3 V erreichen kann. Diese Geschwindigkeit reicht aus, um jeden Wandler oder jede Last mit Frequenzen bis zu 200 kHz zu sparen. Diese Parameter sollten verstanden werden und den Kopf bei der Auswahl eines Operationsverstärkers einschließen. Andernfalls besteht die Möglichkeit, einen Operationsverstärker für 10 US-Dollar dort einzusetzen, wo ein Verstärker für 1 US-Dollar ausreichen würde
• Die vom Operationsverstärker gewählte Bandbreite sollte mindestens zehnmal größer sein als die maximale Lastschaltfrequenz. Suchen Sie erneut nach dem "goldenen Mittelwert" im Verhältnis von "Preis- / Leistungsmerkmalen", alles ist in Maßen gut

In den meisten meiner Projekte verwende ich den Operationsverstärker OPA376 von Texas Instruments. Sein TTX reicht aus, um den Schutz bei den meisten Aufgaben zu implementieren, und der Preis von 1 US-Dollar ist recht gut. Wenn Sie billiger brauchen, schauen Sie sich Lösungen von ST an, und wenn noch billiger, dann bei Microchip und Micrel. Aus religiösen Gründen benutze ich nur TI und Linear, weil ich es mag und so ruhig schlafe.

Fügen Sie dem Sicherheitssystem Realismus hinzu.

Fügen wir nun im Simulator einen Shunt, eine Last, eine Stromversorgung und andere Attribute hinzu, die unser Modell der Realität näher bringen. Das Ergebnis ist wie folgt (das Bild ist anklickbar):



Sie können die Simulationsdatei für MultiSIM hier herunterladen.

Hier sehen wir bereits unseren Shunt R1 mit dem gleichen Widerstand von 2 mOhm. Ich habe ein 310-V-Netzteil (gleichgerichtetes Netzwerk) gewählt und die Last dafür ist ein 10,2-Ohm-Widerstand, der uns wiederum nach dem Ohmschen Gesetz den Strom gibt:

$$

$$I = U / R = 310 / 10,2 = 30,39 [A]$$

Wie Sie sehen, fallen auf dem Shunt die zuvor berechneten 60 mV ab und wir verstärken sie mit einer Verstärkung:

$$

$$k = 1+ \ frac {R2} {R7} = 1 + \ frac {45300} {910} = $ 50,7$$

Am Ausgang erhalten wir ein verstärktes Signal mit einer Amplitude von 3,1V.Sie müssen zugeben, dass es bereits dem ADC und dem Komparator vorgelegt und ohne Befürchtungen oder Verschlechterung der Stabilität der Arbeit über die 20-40-mm-Platte gezogen werden kann. Wir werden weiterhin mit diesem Signal arbeiten.

Vergleich von Signalen mit einem Komparator

Ein Komparator ist eine Schaltung, die 2 Signale am Eingang empfängt. Wenn die Signalamplitude am direkten Eingang (+) größer als am inversen (-) ist, wird am Ausgang ein Protokoll angezeigt. 1 (VCC). Ansonsten das Protokoll. 0 (GND).

Formal kann jedes Betriebssystem als Komparator aufgenommen werden, aber eine solche TTX-Lösung ist dem Komparator in Bezug auf Geschwindigkeit und Preis-Leistungs-Verhältnis unterlegen. In unserem Fall ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Schutz Zeit hat, um das Gerät zu trainieren und zu speichern, umso höher, je höher die Geschwindigkeit ist. Ich benutze gerne einen Komparator, wieder von Texas Instrumets - LMV7271 . Worauf Sie achten sollten:

• Betriebsverzögerung, in der Tat ist es der Hauptgeschwindigkeitsbegrenzer. Beim obigen Komparator beträgt diese Zeit ungefähr 880 ns, was schnell genug ist und bei vielen Aufgaben bei einem Preis von 2 USD etwas redundant ist, und Sie können einen optimaleren Komparator auswählen
• — rail-to-rail , 5, . , - rail-to-rail . (SD) TTL
• push-pull, open-drain .

Fügen wir nun unserem Projekt im Simulator einen Komparator hinzu und sehen uns dessen Funktionsweise in dem Modus an, in dem der Schutz nicht funktioniert hat und der Strom den Notfall nicht überschreitet (anklickbares Bild): Sie können die Datei für die Simulation in MultiSIM hier herunterladen . Was brauchen wir ... Wir brauchen, wenn der Strom 30A überschreitet, damit am Ausgang des Komparators ein Protokoll liegt. 0 (GND), dieses Signal speist den Treiber-SD- oder EN-Eingang und schaltet ihn aus. Im Normalzustand sollte die Ausgabe ein Protokoll sein. 1 (5V TTL) und ermöglichen den Betrieb des Power-Key-Treibers (z. B. "Folk" IR2110 und weniger alt). Wir kehren zu unserer Logik zurück: 1) Wir haben den Strom am Shunt gemessen und 56,4 mV empfangen; 2) Wir haben unser Signal mit einem Koeffizienten von 50,78 verstärkt und am Ausgang OU 2,88 V empfangen.










3) Am direkten Eingang des Komparators liefern wir ein Referenzsignal, mit dem wir vergleichen werden. Wir stellen es mit einem Teiler auf R2 ein und stellen 3,1 V ein - dies entspricht einem Strom von ca. 30A. Mit diesem Widerstand wird die Schutzschwelle geregelt!
4) Nun wird das Signal vom Operationsverstärkerausgang an das inverse Signal angelegt und wir vergleichen zwei Signale: 3,1 V> 2,88 V. Am direkten Eingang (+) ist die Spannung höher als am inversen Eingang (-), sodass der Strom nicht überschritten wird und der Ausgang logarithmisch ist. 1 - Treiber funktionieren, aber unsere LED1 leuchtet nicht.

Erhöhen Sie nun den Strom auf einen Wert> 30A (drehen Sie R8 und verringern Sie den Widerstand) und sehen Sie sich das Ergebnis an (anklickbares Bild): Lassen Sie uns die Punkte aus unserer „Logik“ überarbeiten: 1) Wir haben den Strom am Shunt gemessen und 68,9 mV erhalten; 2) Wir haben unser Signal mit einem Koeffizienten von 50,78 verstärkt und den OA-3,4-V-Ausgang empfangen.






4) Nun wird das Signal vom Operationsverstärkerausgang an das inverse Signal angelegt und wir vergleichen zwei Signale: 3,1 V <3,4 V. Am direkten Eingang (+) ist die Spannung NIEDRIGER als am inversen Eingang (-), dann wird der Strom überschritten und der Ausgang wird protokolliert. 0 - Treiber funktionieren NICHT und unsere LED1 leuchtet.

Warum Hardware?

Die Antwort auf diese Frage ist einfach: Jede programmierbare Lösung auf dem MK mit einem externen ADC usw. kann einfach „hängen bleiben“, und selbst wenn Sie ein ziemlich kompetenter Software-Autor sind und den Watchdog-Timer und anderen Schutz vor Einfrieren eingeschaltet haben, brennt Ihr Gerät während der Verarbeitung aus.

Mit dem Hardwareschutz können Sie ein System mit einer Geschwindigkeit innerhalb weniger Mikrosekunden implementieren. Wenn das Budget dies zulässt, innerhalb von 100 bis 200 ns, was für jede Aufgabe ausreicht. Außerdem kann der Hardwareschutz das Gerät nicht „einfrieren“ und speichern, selbst wenn Ihr Steuerungsmikrocontroller oder DSP aus irgendeinem Grund „einfriert“. Der Schutz deaktiviert den Treiber, Ihr Steuerkreis startet ruhig neu, testet die Hardware und gibt entweder einen Fehler aus, z. B. in Modbus, oder er startet, wenn alles in Ordnung ist.

Es ist erwähnenswert, dass es in speziellen Steuerungen für den Bau von Stromrichtern spezielle Eingänge gibt, mit denen Sie die PWM-Signalerzeugung durch Hardware deaktivieren können. Zum Beispiel hat jeder Lieblings-STM32 einen BKIN-Eingang dafür.

Unabhängig davon lohnt es sich, mehr über CPLD zu sagen. Tatsächlich handelt es sich um eine Reihe von Hochgeschwindigkeitslogiken, deren Zuverlässigkeit mit einer Hardwarelösung vergleichbar ist. Es wäre vernünftig, eine kleine CPLD auf die Platine zu setzen und darin sowohl Hardware-Schutz als auch Totzeit und andere Freuden zu implementieren, wenn es sich um DC / DC oder eine Art Schaltschränke handelt. Mit CPLD können Sie diese Lösung sehr flexibel und bequem gestalten.

Nachwort

Das ist wahrscheinlich alles. Ich hoffe, Sie waren daran interessiert, diesen Artikel zu lesen, und er wird Ihnen neues Wissen vermitteln oder das alte auffrischen. Überlegen Sie sich immer im Voraus, welche Module in Ihrem Gerät in Hardware und welche in Software implementiert werden sollen. Oft ist die Hardware-Implementierung um Größenordnungen einfacher als die Software-Implementierung, und dies führt zu einer Zeitersparnis bei der Entwicklung und dementsprechend zu Kosten.

Das Format des Artikels ohne Hardware ist für mich neu und ich bitte Sie, Ihre Meinung in der Umfrage zu äußern.