Защита авто электроники от перенапряжения и перегрузки - РАДИОСХЕМЫ

     простые интересные РАДИОСХЕМЫ сделанные своими руками


» ПОИСК СХЕМ


» РАДИОБЛОГИ
Добавление своих символов на символьном дисплее 1602 (русификация)
Очень простой датчик-реле уровня воды
Стабилитроны в стабилизаторах напряжения
Защита авто электроники от перенапряжения и перегрузки
Тестер напряжения пробоя стабилитронов и транзисторов
Автономные Транспортные Средства: такси, грузовики, автобусы
БП ПК ATX: ещё модификация с плавной регулировкой тока и вольтажа
Цифровой светодиодный ампервольтметр: перепрошивка

Защита авто электроники от перенапряжения и перегрузки

Включение зажигания при запуске автомобиля или выброс большого количества энергии в электронику при выключении двигателя - это источники опасных скачков напряжения в сети авто 12 В. Такие состояния делятся на пониженное напряжение (UV) и повышенное (OV); они могут иметь значительные параметры вольтажа и повреждать цепи, не предназначенные для работы в таких экстремальных условиях. Для защиты чувствительной электроники от переходных состояний питания были разработаны специальные устройства.

Микросхема LTC4368 является примером такого специализированного устройства защиты от недо- и перенапряжения в электросети авто. Она использует компаратор для контроля. Напряжение питания контролируется резистивным делителем напряжения, подключенным к выводам мониторинга UV и OV. Выход компаратора управляет затворами двух N-канальных полевых МОП-транзисторов, которые в свою очередь управляют соединением тока между АКБ и нагрузкой.

Компаратор LTC4368 разработан с гистерезисом всего 25 мВ на выводах монитора для улучшения помехозащищенности. Гистерезис может предотвратить ложное включение или выключение MOSFET из-за, например, пульсаций или высокочастотных колебаний в линии питания. Гистерезис 25 мВ в LTC4368 соответствует 5% пороговых значений выводов монитора и является общим для защиты как от недо-, так и от перенапряжения.

Для безопасности или для снижения нагрузки на линию зажигания некоторые автомобильные вспомогательные цепи должны быть отключены от бортсети при запуске или остановке авто. Из-за больших амплитуд переходных процессов для этих схем может потребоваться ещё больший гистерезис, чем для самой LTC4368. В таких устройствах повышенные требования к гистерезису могут быть удовлетворены путем установки LTC4368 на мониторинг питания чипа с регулируемым гистерезисом, таким как LTC2966. На рисунке показан пример защиты автомобильной цепи с широким диапазоном напряжений. В этой схеме LTC2966 действует как компаратор, а LTC4368 отвечает за подключение нагрузки к сети.

Устройство защитного контроля питания в автомобиле

Управление силовой линией с широким гистерезисом мониторинга напряжения - схема

Решение, показанное на рисунке выше, защищает электронику, чувствительную к переходным состояниям - провалам, скачкам и перегрузкам по току, возникающим в источнике питания авто.

Микросхема LTC2966 отслеживает как обратное напряжение, так и слишком низкое или слишком высокое прямое напряжение. Пороги контроля и уровни гистерезиса настраиваются цепями резисторов на выводах INH и INL и напряжениями на выводах RS1 и RS2. OUTA - это выход компаратора UV, а OUTB - выход компаратора OV. Полярность этих выходов может быть выбрана обратной или нормальной по отношению к входам, использующим контакты PSA и PSB. На рисунке они настроены как не инвертирующие. Выходы OUTA и OUTB от LTC2966 подключены к выводу REF LTC2966 и подаются непосредственно на выводы UV и OV LTC4368.

LTC4368 обеспечивает защиту от обратного тока и перегрузки по току. Размер резистора измерения тока R11 определяет допустимые уровни обратного тока и перегрузки. LTC4368 решает, следует ли включить нагрузку, на основании состояния его компараторов максимального тока, а также информации мониторинга от LTC2966. Контакты UV, OV и SENSE (перегрузка по току) как раз и участвуют в процессе принятия решения. Если эти условия выполнены для всех трех выводов, вывод GATE будет подтянут выше напряжения VOUT, и нагрузка будет подключена к источнику питания через двойной N-канальный MOSFET в линии питания. Если любой из трех выводов имеет неправильный уровень напряжения, вывод GATE опускается ниже VOUT и нагрузка обесточивается.

Автомобиль, питаемый напрямую от аккумулятора, подвержен сильным колебаниям напряжения при запуске и остановке двигателя. В этом защитном решении пороги контроля напряжения основаны на номинальных рабочих напряжениях и ожидаются во время запуска автомобиля или разрядки схемы, при этом защищая находящуюся далее по пути электронику.

Пусковые переходные процессы генерируются, когда зажигание запитывается для запуска автомобиля. В этом включении канал A LTC2966 настроен на обнаружение переходного состояния при запуске. Переходные процессы во время сброса энергии возникают при выключении двигателя. На клемме аккумуляторной батареи возникают скачки большой амплитуды, когда ток в линии автомобиля внезапно прекращается. В этом случае канал LTC2966 настроен на обнаружение переходного процесса сброса энергии при остановке двигателя.

График Vout к Vin

На графике показаны входные напряжения во время работы. Запуск двигателя (канал A) обнаруживается таким образом, что он активируется при падении напряжения ниже 7 В и повторно активируется напряжением выше 10 В. Вторая защита (канал B), предназначенная для обнаружения остановки двигателя, настроена на активацию в момент, когда напряжение превышает 18 В, и должна отключаться, когда оно падает ниже 15 В. Эти напряжения возникают непосредственно из кривой запуска и остановки машины, определяемой стандартами производителя.

При необходимости можно выбрать другие диапазоны напряжения, которые легко настраиваются путем изменения значений сопротивления элементов делителя напряжения на линиях INH и INL микросхемы LTC2966.

Делитель сопротивления для выбора пороговых значений напряжения

На рисунке выше показано, как это устройство вычисляет значения компонентов для делителя напряжения, который настраивает пороги напряжения отключения схемы. REF вывод LTC2966 подает опорное напряжение 2.404 В.

Выбор диапазона и полярности выхода компаратора

Рисунок показывает конфигурацию диапазона и выходной полярности схемы. Выбор диапазона для каждого канала основан на диапазоне напряжений конкретного канала, который необходимо контролировать. Диапазон настраивается контактами RS1A / B и RS2A / B. Полярность выходных контактов LTC2966, вне зависимости от того, установлены ли они на высокий или низкий уровень, определяется совмещением контактов PSA и PSB. В этом включении входные контакты LTC4368 определяют полярность выходных контактов LTC2966. Чтобы нагрузка была запитана, вывод UV должен быть больше 0,5 В, а вывод OV меньше 0,5 В.

Защита от обратного напряжения

В решении, показанном на самой первой схеме LTC2966 и LTC4368 формируют защиту от обратного напряжения: LTC4368 имеет встроенную защиту от обратного напряжения до -40 В, а LTC2966 требует выбора правильного компонента для задания значения.

Защита от перегрузки и Пускового тока

Применение защиты от перегрузки и пускового тока

Защита LTC4368 отвечает за перегрузки по току и также пускового тока. Компараторы внутри LTC4368 отслеживают падение напряжения на резисторе датчика тока R11. Компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит 50 мВ. При обратном прохождении потенциала, VOUT к VIN, компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит –3 мВ. В этом включении используется измерительный резистор 20 мОм, который настраивает пределы тока на +2,5 А и –150 мА.

Ограничение пускового тока позволяет запускать устройства без срабатывания максимальной токовой защиты в прямом направлении. R10 и C1 - элементы, ограничивающие пусковой ток. В этом случае пусковой ток ограничен до 1 А, что значительно ниже предельного значения прямого тока 2,5 А. Выбор C1 основан на желаемом предельном пусковом токе. R10 не позволяет C1 замедлить защиту от обратной полярности, стабилизирует схему быстрого понижения и предотвращает колебания во время короткого замыкания.

C4 - это конденсатор, который устанавливает задержку для повторного включения (сброса защиты) после перегрузки по току. Задержка повторной попытки - это время, в течение которого MOSFET остается на низком уровне после обнаружения перегрузки по току. В этом случае задержка повторной попытки составляет 250 мс. Резисторы на 10 Ом - R14 и R15 - добавлены к затворам MOSFET, чтобы предотвратить паразитные колебания схемы.

Демонстрация работы защиты

Проведены лабораторные исследования прототипа и результаты показаны на графике. Перед активацией зажигания VIN превышает порог мониторинга 10 В, настроенный для канала A. Вывод UV LTC4368-2 подтягивается выше порога 500 мВ выводом OUTA LTC2966, что позволяет активировать путь питания и VOUT = VIN.

Полная нагрузка. Пуск машины

Во время запуска шина 12 В понижается до напряжения 6 В. Порог контроля падения напряжения (7 В) превышается, и OUTA немедленно отключает вывод UV LTC4368-2. LTC4368-2 в ответ подтягивает вывод GATE к низкому уровню, что вызывает отключение переключающего элемента и падение напряжения VOUT до 0 В. Гистерезис 3 В, запрограммированный резистивным делителем мониторинга напряжения, позволяет LTC2966 игнорировать пульсации на шине при включении стартера. В результате переключающий элемент остается выключенным до конца цикла запуска. Когда цикл запуска завершен, напряжение батареи восстанавливается до номинального значения превышающего пороговое значение 10 В. Вывод OUTA подтягивает вывод UV LTC4368-2 к питанию, и переключающий элемент снова подключается.

Защита от обратного напряжения

Тест защиты от обратного напряжения

На графике показано значение для резистора 1,96 кОм, ограничивающего ток на выходе силовых контактов LTC2966 при обратном напряжении. Входное напряжение было снижено с 0 В до -40 В. Выходной ток с контактов VINA и VINB ограничен до 20 мА, а напряжение на контактах VINA и VINB поддерживается на несколько сотен милливольт ниже уровня массы. Чип LTC2966 благополучно пережил это событие.

Ограничение пускового тока

На графике показан предел пускового тока, определяемый R10 и C1. Как и ожидалось, пусковой ток ограничен 1 А, а VOUT достигает 12 В без отключения предела перегрузки по току.

Активация защиты от перегрузки по току и отложенная повторная попытка

На графике далее показано, как LTC4368 реагирует на перегрузку по току в прямом направлении. Положительный ток перегрузки активирует компаратор в схеме, когда напряжение между линиями SENSE и VOUT превышает 50 мВ. Измерительный резистор там имеет сопротивление 20 мОм, что означает токовое ограничение до 2,5 А.

В этом примере ток продолжает увеличиваться до тех пор, пока не сработает максимальная токовая защита. Как и ожидалось, защита срабатывает при 2,5 А. LTC4368 отключает нагрузку от источника питания и ток падает до нуля. По истечении времени таймера, установленного LTC4368, схема повторно подключает нагрузку. Если перегрузки по току больше нет, нагрузка остается подключенной. В противном случае ситуация повторяется. Задержкой перед повторным подключением можно управлять с помощью контакта RETRY через конденсатор. Если не хотим, чтобы схема повторно подключала нагрузку, просто подключите контакт RETRY к земле. Тут время повтора установлено на 250 мс.

Защита от обратной перегрузки по току

На графике показана реакция LTC4368 на переходной процесс от перегрузки по току. Компаратор обратного максимального тока определяет напряжение между выводами VOUT и SENSE. Пороговое значение напряжения для подтверждения обратной перегрузки по току зависит от версии чипа. Например LTC4368-1 будет работать при 50 мВ, а LTC4368-2 - при 3 мВ. Это устройство было разработано с использованием LTC4368-2. Измерительный резистор R11 имеет сопротивление 20 мОм, что устанавливает предел обратной перегрузки по току на 150 мА.

Срабатывание токовой защиты в обратном направлении

Когда на нагрузку идёт ток 100 мА, на VOUT подается скачок напряжения, так что VOUT больше, чем VIN. По мере увеличения VOUT ILOAD уменьшается. Шаг напряжения достаточно велик, чтобы заставить ток течь от нагрузки к источнику питания. Это продолжается до тех пор, пока обратный ток не достигнет 150 мА и не сработает компаратор обратного максимального тока. Когда он работает, вывод GATE опущен. Это изолирует нагрузку от сети и предотвращает дальнейшее протекание нагрузки по направлению к сети. LTC4368 будет поддерживать низкий уровень ключей, пока не обнаружит, что VOUT на 100 мВ ниже VIN.

Подведём итоги

Использование специализированных устройств может упростить реализацию схем безопасности в автомобилях. С минимальным количеством дополнительных цепей, микросхемы LTC2966 и LTC4368-2 были объединены для обеспечения точной, надежной и универсальной защиты от перенапряжения. А гибкость этих устройств позволяет настраивать их для использования во многих типах бортовых сетей авто. В простейшем же случае можно применить вот такую самодельную схему защиты, хотя конечно дорогое автомобильное оборудование и бортовой компьютер требуют более профессионального подхода.

Maestro - 08.08.2020 - Прочитали: 672



Ваши комментарии к материалу
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]


» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ

Группа вконтакте Канал ютуб Группа в фэйсбук © 2010-2021 "Радиосхемы" Все права защищены Почта Моб.версия