limitación de la corriente de una carga en cortocircuito a 20A

Question

Novato analógico aquí y primera vez en este foro... ¡gracias por leer!

Lo que tengo es un control para pirotecnia. Tengo todo el tema del control digital resuelto, pero los bits analógicos no son mi fuerte.

La batería del coche alimenta este equipo, y los canales de salida se conmutan utilizando SCRs, IGBTs, o simplemente relés de automoción. Quiero limitar la corriente de manera que no se abuse de esos componentes, y que muchos canales puedan recibir una corriente alta aunque algunos tengan una resistencia bastante más alta que otros.

La mayoría de los circuitos que veo están en torno a la carga de la batería, o son de mucha menor corriente. Así que esto es lo más sencillo que se me ha ocurrido hasta ahora:

Básicamente estoy usando la ganancia de corriente de cada parte de mi par darlington para limitar la corriente en la carga. Me gustaría recibir comentarios sobre este diseño o punteros a algo más apropiado (que como he dicho ha sido difícil de localizar dada la idea de que la carga puede ser un corto).

Los problemas menores son:

Creo que necesito un diodo snubber (¿o tapones?) alrededor de mi carga y un diodo cerca del interruptor en alguna parte.

Answer 1

Un problema con la limitación de la corriente utilizando un conductor lineal, como éste, es que el conductor disipará energía proporcional a la tensión caída a través de él. Si la carga cae la mayor parte del voltaje entonces el conductor puede ser capaz de ser construido para sobrevivir. Pero si la carga cae sólo unos pocos voltios a 20 amperios entonces el conductor disipará una gran cantidad de energía.

A 20 amperios y 12 voltios el circuito disipará Potencia = V x I = 12 x 20 = 240 vatios. Es una cantidad considerable.

Si la carga baja 10 V a 20 A, el conductor debe bajar los 2 voltios restantes. Así que la disipación de la carga es de 10V x 20 A = 200 vatios y la disipación del driver es de 2V x 20A = 40 vatios. 40 Vatios en un Darlington necesitan un disipador bastante importante para no calentarse demasiado. Si lo apagas rápidamente, y si sólo uno o dos de ellos están en este modo, entonces puedes ser capaz de "salirte con la tuya". Pero si varias cargas permanecen en la corriente límite durante un tiempo "habrá problemas".

Una solución es tener un controlador que se apague por completo cuando supere los 10 amperios, espere un rato y vuelva a intentarlo. El problema con esto es que hasta 20A todo va bien pero si la carga intenta tomar más de 20 A se limita a ráfagas de 20A = mucho menos de 20A de media.

Una solución es "PWM" el interruptor cuando está en la limitación de la corriente - el interruptor está encendido o apagado solamente - y ajustar la relación o / off para que el promedio = 20A. El circuito para hacer esto puede ser más barato y sencillo de lo que parece. Un opamp o a por circuito y unos pocos componentes pasivos. O un paquete de compuertas Schmitt CMOS y algo de juego.

La "mejor" manera es utilizar un controlador de modo de conmutación que limita a 20 A y apaga la energía disponible sólo si es necesario. Estos también pueden ser simples 92 transistores en forma minimalista) pero necesita un inductor molesto por circuito.

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Como se muestra el resultado será MUY inexacto porque la ganancia de corriente del par de transistores Darlington será muy imprecisa. A menos que selecciones en la prueba (por ejemplo, ajustar la resistencia de base con un potenciómetro) será muy inexacto y aún así no será bueno a largo plazo incluso entonces. Puedo darte circuitos baratos para un driver limitador de corriente. pero primero veamos por donde va la pregunta.

Sí, necesitas un diodo a través de la carga si es inductiva, la polaridad tal que no suele conducir.

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Disipación en el controlador , y por qué:

El flujo de corriente de 12V a través de la carga y el controlador a tierra es

• I = V/R.

R es la suma de todas las resistencias en una trayectoria en serie determinada.

Para 20A a 12V

• R = V/I = 12/20 = 0,6 ohmios.

Si limitas la corriente a 20A estás haciendo una R variable electrónicamente que ajusta automáticamente la R total del circuito a 0,6 ohmios SI la carga es inferior a 0,6.

Si la carga es MÁS de 0,6 ohmios, el controlador se mantiene encendido porque la corriente es inferior a 20A.

En tu ejemplo con un encendedor de 0,1R el controlador debe añadir 0,6-0,1 = 0,5 ohmios.

• Potencia en el encendedor = I^2 x R = 20^2 x 0,1 = 40 vatios.

• Potencia disipada en el controlador = 20^2 x 0,5 = 200 vatios.

El controlador "se calienta" :-).

Limitación de corriente PWM:

PWM = modulación de ancho de pulso enciende la carga completamente durante, por ejemplo, el X% del tiempo y la apaga durante el 100-X% del tiempo

Si enciendes la carga por completo y luego la apagas por completo con un ciclo de trabajo de 1:5, la corriente media será de 20 A.

¡I on = 12/0,1 = 120 A !

I off = 0

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

La batería tiene que ser capaz de entregar los picos de 120A.

Si se añade un inductor en serie con la carga y un "diodo de captura", el circuito se convierte en un "convertidor buck", por ejemplo así

Si el interruptor está encendido una nésima parte del tiempo, la tensión de salida será 1/nésima parte de Vin.

Lo normal es controlar la salida y ajustar el periodo de encendido para limitar la corriente máxima según se desee.

He aquí un ejemplo que hace precisamente eso.

Esto no es exactamente lo que quieres, pero muestra el principio. Este es un circuito conductor de relé suministrado por Richard Prosser comentado por mí. Sustituyendo un inductor apropiado para L1 y colocando la carga justo debajo de L1 proporciona un suministro de corriente limitada. Esto es un poco "ocupado" para lo que usted quiere.

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Utilización de un MOSFET limitador de corriente protegido

Se ha sugerido el uso de un MOSFET con protección de corriente como el ON Semiconductor NCV8401 conductor de lado bajo protegido con límite de corriente y temperatura

El punto fuerte del NCV8401 es desconectar si se mantiene una corriente de fallo elevada y limitar la corriente máxima que puede fluir cuando se produce un fallo. Dispositivos como este hacen esto bien, pero no están pensados para permitir que la corriente limitadora se mantenga durante largos periodos. He probado a conectar dispositivos de este tipo directamente a la batería de un coche y a encenderlos. No hay problema, simplemente pasan a la limitación y vuelven a funcionar normalmente cuando se elimina la condición de sobrecarga.

Estos dispositivos son maravillosos, y extremadamente útiles en su lugar, pero no cumplirán el objetivo originalmente establecido de mantener una corriente constante de 20 amperios en la carga bajo, por ejemplo, condiciones de fallo, EXCEPTO si los disipa térmicamente para tomar toda la corriente de fallo, lo que requiere una disipación de potencia de hasta 12V x 20A = 240 vatios en el conductor, en el peor de los casos. El NCV8401 tiene una resistencia térmica de la unión a la caja de 1,6 C/Watt y una temperatura máxima de la unión de 150 C. Incluso en un disipador perfecto (0 C/W) a 25C de ambiente, esto le permitiría un máximo de (150-25)/1,6 = 78 Watts. En la práctica, unos 40 vatios estarían muy bien incluso con un sistema de disipación extremadamente capaz.

Si la especificación ha sido cambiada está bien, pero si quieres una fuente limitada de 20A de forma continua (hasta que se pare o se funda) entonces sólo hay dos maneras. O bien

• (1) Aceptar la disipación total de 12V x 20A = 240W con el driver disipando lo que la carga no toma o

• (2) Utilizar la conversión de energía en modo de conmutación para que el conductor proporcione 20A a cualquier tensión que se requiera a la carga. El conductor sólo se ocupa de la energía de la conversión ineficiente. Por ejemplo, si la carga es de 0,2 Ohms, entonces a 20A, Vload = I x R = 20A x 0,2 = 4 Volt. La potencia de la carga es I^2 x R = 400 x 0,2 = 80 vatios, O = V x I = 4V x 20 A = 80 vatios (de nuevo, por supuesto).

En este caso, si los 4V son alimentados por un convertidor de modo de conmutación que es z% eficiente (0 <= Z <= 100). En el ejemplo anterior, en el que la carga P es de 80 vatios, si el convertidor es, por ejemplo, Z = 70 (%), el convertidor conmutado sólo disipa (100-Z)/100 x carga P = 0,3 x 80W = 24 vatios. Esto sigue siendo considerable, pero mucho menos que los 240-80 = 160 vatios que se disiparían con un limitador lineal. Así que...

Limitador de corriente del regulador de conmutación

Esto pretende ser un ejemplo más que una solución definitiva. Se podría poner en práctica, pero sería mejor hacer un diseño de base basado en este principio.

Un circuito que hará casi exactamente lo que quieres puede ser construido usando, por ejemplo, un MC34063 en el circuito de la figura 11a o 11b aquí Hoja de datos del MC34063

Probablemente sería tan fácil usar un paquete de comparadores (por ejemplo, LM393, LM339, etc.) para implementar algo similar, ya que puedes hacer una verdadera detección de la corriente de carga en lugar de la detección ciclo a ciclo que se hace aquí, pero esto funcionará.

Los circuitos del MC34063 a los que se hace referencia podrían modificarse para utilizar un MOSFET externo de canal N o de canal P si se desea (que es lo que yo probablemente utilizaría). Los FETs tienen la costumbre de fallar en cortocircuito. Diseñar para que rara vez o nunca fallen hace que esto sea menos problemático :-).

Aquí el voltaje de salida puede ser ajustado a "alto" ya que lo que buscamos es la conversión de energía y la limitación de corriente. Por ejemplo, si la carga es de 0.4R y el voltaje objetivo teórico es de 12V, entonces el limitador de corriente limitará lo que realmente sucede. En lugar de o así como el limitador de ciclo por ciclo se podría añadir un sentido de la corriente de carga de lado bajo y utilizarlo para limitar el voltaje de accionamiento de manera que se proporcione la corriente de carga objetivo.

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Limitador lineal de resistencia escalonada

El método más sencillo puede ser proporcionar un banco de resistencias conmutadas que puedan ser conmutadas de forma binaria para limitar la corriente de carga a 20A. Un contador cuenta el valor de la resistencia hacia arriba si la corriente es demasiado alta y hacia abajo si es demasiado baja. La disipación de energía es de 240W a 20A siempre que la carga sea inferior a 0,6R PERO las resistencias hacen el trabajo y los transistores bipolares o FETs utilizados como interruptores de carga pueden funcionar en frío. No es muy difícil de hacer, pero es un enfoque "molesto" :-).

Answer 2

Yo sugeriría utilizar MOSFETs en lugar del transistor darlington. El darlington puede tener algunos voltios por encima, y a 20A disiparía hasta 40W. No queremos eso. Hay MOSFETs que tienen muy bajo \$R_{DS(ON)}\$ que sólo disipará una fracción de eso.

No quieres un limitador de corriente en caso de cortocircuito, sino un corte de energía. En caso de un cortocircuito, los 12V de la batería estarán sobre los MOSFETs de conmutación e incluso con un limitador de corriente de 20A tendrán que lidiar con 240W(!). Hay trucos para los limitadores de corriente foldback, que reducen la corriente a un nivel más seguro después de un cortocircuito, pero mi idea es que es mejor cortar completamente.

Principio: medir la tensión sobre los MOSFET. Si se eleva por encima de un cierto umbral, como 1V, se reinicia un flipflop de set-reset, cuya salida acciona los MOSFETs. Cuando se elimina el cortocircuito, los MOSFETs permanecen apagados, y el flipflop de set-reset tiene que ser ajustado de nuevo para reiniciar la alimentación.

Answer 3

Después de haber construido controladores pirotécnicos antes y de haber hecho varias implementaciones de seguridad industrial en equipos CNC, etc., nunca, nunca se debe permitir el control de seguridad a través del circuito lógico.

Como mínimo, debe utilizar un interruptor físico en la línea de CC de los dispositivos de disparo pirotécnico como parte de la llave de armado. Has considerado lo que sucederá si, digamos, un FET entra en cortocircuito... lo hacen ... el circuito de disparo será en vivo, el tipo va a cambiar el piro para el siguiente y se vuela la mano.

Todos los circuitos de seguridad en la maquinaria pasan por relés de seguridad aprobados, relés físicos que pueden cortar el accionamiento de los motores, etc, nunca se basan en sólo matar la señal al motor de accionamiento ... probablemente matan esa señal también, pero siempre hay un relé físico también. Usted debe incluir 100% una manera de desconectar los 12V de los FETs como parte de su circuito de seguridad.

También debe limitar el tiempo de encendido, los que construí incluyeron una comprobación de continuidad de un par de ma para indicar si había un buen circuito en el canal antes de disparar, y por supuesto para mostrar la continuidad después de disparar el dispositivo no encendió ...

Answer 4

Mi propia respuesta: Este circuito es prometedor en mis pruebas de prototipo. Tengo previsto sustituir la salida del LED por algún otro circuito para tirar de la puerta de un MOSFET de potencia.

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

Todavía tengo que resolver cómo coexistir esa desconexión con mi esquema de control actual, pero es sencillo.

SEGUNDA respuesta, que es probablemente la que pondré en práctica:

En principio iba a hacerlo con relés de automoción por fiabilidad y robustez. Más tarde, tomé este camino de estado sólido porque el tamaño físico de los relés y sus arneses y enchufes se estaba volviendo un poco irritante, y había descubierto IGBTs baratos y/o SCRs para controlar los canales, y sólo quería hacer este esquema de limitación de corriente frente a ellos, limitando la corriente de un conjunto de 4 canales a 20A en total.

Dejando de lado las tonterías, creo que utilizaré uno de estos maravillosos dispositivos por canal: ON Semiconductor NCV8401 MOSFET de potencia autoprotegido . Están pensados como sustitutos de los relés de automoción y, para mi sorpresa, sólo cuestan 0,80 dólares cada uno. Estoy seguro de que Motorola (ON) hizo mejor que yo con su corriente interna y la limitación térmica. Tendré que lidiar con problemas de calor y probablemente tendré que soldar grandes trozos de cable de cobre a mi PCB para manejar la corriente, pero como esto es algo de ciclo de trabajo corto, creo que puedo hacerlo sin incendiar nada.

Gracias señores por su ayuda

Answer 5

Así es como yo lo haría. El circuito permite una gran corriente inicial (limitada por la ESR de C1, y la resistencia fuente-drenaje de U2), pero mantiene la corriente de la batería por debajo de 20A en todo momento (asumiendo 15V según tu diagrama). Esto debería dar una buena capacidad de encendido rápido, mientras que el manejo de la "pobre sumergido encendedor" caso bien.

Editar - pensándolo bien, hay un par de problemas de seguridad con este esquema. Revisaré esta respuesta en breve con una actualización que aborde estas cuestiones.