corrente limitando uma carga em curto para 20A

Novato analógico aqui e primeira vez neste fórum ... obrigado pela leitura!

O que eu tenho é um controle para pirotecnia. Eu tenho todo o material de controle digital descoberto, mas os bits analógicos não são o meu forte.

A bateria do carro fornece esse equipamento e os canais de saída serão trocados usando SCRs, IGBTs ou relés automotivos simples. Quero limitar a corrente de modo que esses componentes não sejam abusados ​​e para que muitos canais possam receber alta corrente, mesmo que alguns tenham uma resistência um pouco maior que outros.

A maioria dos circuitos que vejo são carregados por bateria ou com corrente muito menor. Portanto, essa é a coisa mais simples que eu criei até agora:

Basicamente, estou usando o ganho atual de cada parte do meu par de darlington para limitar a corrente na carga. Gostaria de receber feedback sobre esse design ou apontar para algo mais apropriado (que, como eu disse, tem sido difícil de localizar, considerando a ideia de que a carga pode ser curta).

Os problemas menores incluem:

Acredito que preciso de um diodo snubber (ou tampões?) Ao redor da minha carga e diodo perto do switch em algum lugar.

Um problema com a limitação de corrente usando um driver linear, como este, é que o driver dissipará energia proporcional à tensão deixada cair nele. Se a carga cair a maior parte da tensão, o driver poderá ser construído para sobreviver. Mas se a carga cair apenas alguns volts a 20 Amps, o driver dissipará uma grande quantidade de energia.

Com 20 A e 12 volts, o circuito dissipará Potência = V x I = 12 x 20 = 240 Watts. Essa é uma quantidade substancial.

Se você carregar gotas de 10 V a 20 A, o driver deverá soltar os 2 volts restantes. Portanto, a dissipação de carga é 10V x 20 A = 200 Watts e a dissipação do driver é 2V x 20A = 40 Watts. 40 Watts em um Darlington precisam de um dissipador de calor bastante substancial para não esquentar demais. Se você desligá-lo rapidamente, e se apenas um ou dois deles estiverem nesse modo, você poderá "se safar". Mas se várias cargas permanecerem na corrente limite por um tempo "haverá problemas".

Uma solução é ter um controlador que se apague completamente quando eu exceder 10 A, aguarde um pouco e tente novamente. O problema é que até 20A está tudo bem, mas se a carga tentar levar mais de 20 A, será limitada a rajadas de 20A = muito menos que a média de 20A.

Uma solução é "PWM" o comutador quando ele estiver com limite de corrente - somente o comutador está ligado ou desligado - e ajustar a relação o / off para que a média seja = 20A. O circuito para fazer isso pode ser mais barato e mais simples do que pode parecer. Um opamp ou por circuito e alguns componentes passivos. Ou um pacote de porta CMOS Schmitt e alguns jogos.

A maneira: best "é usar um driver de modo de comutação que limite em 20 A e desliga a energia disponível apenas se necessário. Estes também podem ser simples transistores de 92 em forma minimalista), mas precisam de um indutor irritante por circuito.

Como mostrado, o resultado será MUITO inexato porque o ganho atual do par de transistores Darlington será muito impreciso. A menos que você selecione no teste (por exemplo, ajuste o resistor de base com um potenciômetro), será muito impreciso e ainda assim não será bom a longo prazo. Eu posso lhe dar circuitos baratos para um driver limitador de corrente. mas primeiro vamos ver para onde vai a pergunta.

Sim, você precisa de um diodo em toda a carga, se for indutivo, com polaridade que normalmente não conduz.

Dissipação no controlador e por que:

O fluxo de corrente de 12V através da carga e do controlador para o terra é

• I = V / R.

R é a soma de todos os resistores em um determinado caminho de série.

Para 20A a 12V

• R = V / I = 12/20 = 0,6 ohms.

Se você limita a corrente a 20A, está criando um R eletronicamente variável que ajusta automaticamente o R total no circuito para 0,6 ohms, se a carga for menor que 0,6.

Se a carga for MAIS do que 0,6 ohms, o controlador permanecerá rígido, pois a corrente é menor que 20A.

No seu exemplo com um dispositivo de ignição 0.1R, o controlador deve adicionar 0,6-0,1 = 0,5 ohms.

• Potência no dispositivo de ignição = I ^ 2 x R = 20 ^ 2 x 0,1 = 40 Watts.

• Potência dissipada no controlador = 20 ^ 2 x .5 = 200 Watts.

O controlador fica quente ":-).

Limitação de corrente PWM:

PWM = modulação por largura de pulso ativa totalmente a carga, digamos X%, se o tempo estiver desativado por 100-X% do tempo

Se você ligar totalmente a carga e depois desligar totalmente com um ciclo de trabalho de 1: 5, a corrente média será de 20 A.

I = 12 / 0,1 = 120 A!

I off = 0

(1 x 120 A + 5 x 0 A) / 6 = 20 Média

A bateria deve ser capaz de fornecer os picos de 120A.

Adicionar um indutor em série com a carga e um "diodo de captura" transforma o circuito em um "conversor buck", por exemplo, como este

Se o interruptor estiver no enésimo das vezes, a tensão será 1/1 do enésimo de vin.

A abordagem normal é monitorar a saída e ajustar o período ligado para limitar a corrente máxima, conforme desejado.

Aqui está um exemplo que faz exatamente isso.

Não é exatamente isso que você deseja, mas mostra o princípio. Este é um circuito de driver de relé fornecido por Richard Prosser comentado por mim. Substituir um indutor apropriado para L1 e colocar a carga logo abaixo de L1 fornece um suprimento limitado de corrente. Isso está ficando um pouco "ocupado" para o que você deseja.

Uso de um MOSFET limitador de corrente protegido

O uso de um MOSFET protegido por corrente foi sugerido, como o driver de lado baixo protegido ON Semiconductor NCV8401 com limite de corrente e temperatura

O forte do NCV8401 é desligar se uma corrente de falha alta for mantida e limitar a corrente máxima que pode fluir quando uma falha se desenvolver. Dispositivos como esse fazem isso bem, mas não pretendem permitir que a corrente limitadora seja mantida por longos períodos. Testei conectar um dispositivo como esse diretamente na bateria de um carro e ligá-lo. Não tem problema - eles apenas limitam e retornam à operação normal quando a condição de sobrecarga for removida.

Estes são dispositivos maravilhosos e extremamente úteis em seu lugar, mas não atingirão o objetivo originalmente declarado de manter uma corrente constante de 20 Amp na carga sob, por exemplo, condições de falha, EXCETO se você os aquecer para absorver a corrente de falha completa - o que requer uma dissipação de energia de até 12V x 20A = 240 Watt no driver, na pior das hipóteses. O NCV8401 possui uma resistência térmica de 1,6 C / Watt de junção e uma temperatura máxima de junção de 150 C. Mesmo em um dissipador de calor perfeito (0 C / W) a 25 ° C, o que permitiria um máximo de (150-25) / 1,6 = 78 watts. Na prática, cerca de 40 Watts seria muito bom mesmo com um sistema de dissipador de calor extremamente capaz.

Se a especificação foi alterada, tudo bem, mas se você deseja obter 20A limitados continuamente (até parar ou explodir), existem apenas duas maneiras. Ou

• (1) Aceite a dissipação total de 12V x 20A = 240W com o driver dissipando o que a carga não leva ou

• (2) Use a conversão de energia no modo comutador para que o driver forneça 20A em qualquer voltagem necessária à carga. O motorista lida apenas com energia da conversão ineficiente. Por exemplo, se a carga for 0,2 Ohms, em 20A, Vload = I x R = 20A x 0,2 = 4 Volts. A potência de carga é I ^ 2 x R = 400 x 0,2 = 80 Watt, OU = V x I = 4V x 20 A = 80 Watt (novamente, é claro).

Nesse caso, se o 4V for originado por um conversor de modo de comutação que seja z% eficiente (0 <= Z <= 100). No exemplo acima, em que Pload = 80 Watt, se o conversor diz Z = 70 (%), o conversor de modo de comutação dissipa apenas (100-Z) / carga de 100 x P = 0,3 x 80W = 24 Watts. Isso ainda é substancial, mas muito menor que os 240-80 = 160 Watts que seriam dissipados com um limitador linear. Assim ...

Limitador de corrente do regulador de comutação

Isto é pretendido como outro exemplo que não como uma solução final. Ele poderia ser colocado em serviço, mas seria melhor fazer um projeto inicial com base nesse princípio.

Um circuito que fará quase exatamente o que você deseja pode ser construído usando, por exemplo, um MC34063 no circuito da fig 11a ou 11b aqui. MC34063 datasheet

Provavelmente seria tão fácil usar um pacote de comparadores (por exemplo, LM393, LM339 etc.) para implementar algo semelhante, pois você pode realizar uma verdadeira detecção de corrente de carga em vez do ciclo por detecção de ciclo feita aqui, mas isso funcionará.

Os circuitos MC34063 mencionados podem ser modificados para usar um MOSFET externo do canal N ou do canal P, se desejado (que é o que eu provavelmente usaria). Os FETs realmente têm o hábito de falhar em curto-circuito. Projetar tê-los raramente ou nunca falha torna isso menos problemático :-).

Aqui, a tensão de saída pode ser definida como "alta", pois o que buscamos é a conversão de energia e o limite de corrente. por exemplo, se a carga for 0,4R e a tensão alvo ideal for 12V, o limitador de corrente limitará o que realmente acontece. Em vez do limitador de ciclo a ciclo ou em seu ciclo, você pode adicionar um sentido de corrente de carga lateral baixa e usá-lo para limitar a tensão do inversor, de modo que a corrente de carga alvo seja fornecida.

Limitador linear de resistências escalonadas

O método mais fácil pode ser o de fornecer um banco de resistores comutados que podem ser comutados binários para limitar a corrente de carga a 20A. Um contador conta o valor do resistor para cima se a corrente estiver muito alta e para baixo se estiver muito baixa. A dissipação de energia é de 240W a 20A sempre que a carga é menor que 0,6R, mas os resistores realizam o trabalho e os transistores bipolares ou FETs usados ​​como interruptores de carga podem funcionar como coolish. Não é muito difícil de fazer, mas uma abordagem "irritantemente grosseira" :-).

$R_{DS(ON)}$

Você não quer um limitador de corrente em caso de curto-circuito, mas um corte de energia. No caso de um curto-circuito, os 12V (?) Da bateria estarão acima dos MOSFETs comutadores e, mesmo com um limitador de corrente de 20A, terão que lidar com 240W (!). Existem truques para limitadores de corrente foldback, que reduzem a corrente para um nível mais seguro após um curto-circuito, mas minha ideia é que é melhor cortar completamente.

Princípio: meça a tensão sobre os MOSFETs. Se ele ultrapassar um certo limite, como 1V, redefina um flip-flop com reset, cuja saída aciona os MOSFETs. Quando o curto-circuito é removido, os MOSFETs permanecem desligados e o flip-flop de redefinição de ajuste deve ser definido novamente para reiniciar o fornecimento.

Tendo construído controladores pyro antes e feito várias implementações de segurança industrial em equipamentos CNC, etc, você nunca deve permitir o controle de segurança através do circuito lógico.

No mínimo, você deve usar um interruptor físico na linha CC para os dispositivos de disparo de piro como parte da chave de armamento. Você já pensou no que acontecerá se, digamos, um FET entrar em curto-circuito ... eles fazem ... o circuito de disparo estará ativo, o cara vai mudar o piro para o próximo e sopra a mão dele.

Todos os circuitos de segurança nas máquinas passam por relés de segurança aprovados, relés físicos que podem cortar o acionamento de motores, etc. Eles nunca confiam apenas em matar o sinal no motor de acionamento ... provavelmente matam esse sinal também, mas sempre há um revezamento físico também. Você deve 100% incluir uma maneira de desconectar os 12V dos FETs como parte do seu circuito de segurança.

Você também deve limitar o tempo de espera, os que eu construí incluem uma verificação de continuidade de algumas ma para indicar se havia um bom circuito no canal antes do disparo e, é claro, mostrar continuidade após o disparo do dispositivo não ter acendido ...

Minha própria resposta: Este circuito é promissor em meus testes de ensaio. Pretendo substituir a saída do LED por outros circuitos para abrir o portão de um MOSFET de energia.

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

Ainda tenho que descobrir como coexistir esse desligamento com meu esquema de controle existente, mas é direto.

SEGUNDA resposta, que é provavelmente o que implementarei:

Eu faria isso com relés automotivos originalmente para garantir confiabilidade e robustez. Mais tarde, segui esse caminho de estado sólido porque o tamanho físico dos relés, seus chicotes e socketing estava ficando um pouco irritante, e eu havia descoberto IGBTs e / ou SCRs baratos para controlar os canais, e só queria fazer esse esquema de limitação atual na frente deles, corrente limitando um conjunto de 4 canais ao total de 20A.

Drivel lado eu acredito que vai estar usando um destes dispositivos maravilhosos por canal: ON Semiconductor NCV8401 auto proteger MOSFET poder . Eles se destinam a substituições de relés automotivos e, para minha surpresa, custam apenas US $ 0,80 cada. Estou certo de que a Motorola (ON) fez melhor do que nunca com sua corrente interna e limitação térmica. Terei problemas de aquecimento para resolver e provavelmente tenho que soldar grandes pedaços de fio de cobre na minha placa de circuito impresso para lidar com a corrente, mas como esse é um ciclo de trabalho curto, acho que posso fazê-lo sem incendiar nada.

Obrigado senhores pela sua ajuda

Aqui está como eu faria isso. O circuito permite uma grande corrente inicial (limitada por C1 ESR e resistência de dreno de fonte de U2), mas mantém a corrente da bateria abaixo de 20A em todos os momentos (assumindo 15V pelo seu diagrama). Isso deve fornecer boa capacidade de ignição rápida ao manusear bem o gabinete do "ignitor mal mergulhado".

Editar - pensando melhor, existem alguns problemas de segurança com esse esquema. Revisarei esta resposta em breve com uma atualização que resolva esses problemas.

Lâmpada. Uma lâmpada incandescente de 240W em série com a carga limitará a corrente do pior caso a 20A, servindo como um condutor simples. Feedback do operador de bônus e desconexão de emergência. Brilho proporcional à corrente que flui a qualquer momento. Esmague o envelope da lâmpada e o filamento queimará rapidamente, interrompendo o circuito.