Ein Problem bei der Strombegrenzung unter Verwendung eines Lineartreibers wie diesem besteht darin, dass der Treiber Energie proportional zu der über ihn abfallenden Spannung abführt. Wenn die Last den größten Teil der Spannung abfällt, kann der Treiber möglicherweise so gebaut werden, dass er überlebt. Wenn die Last jedoch bei 20 Ampere nur um wenige Volt abfällt, verbraucht der Fahrer eine große Menge Energie.
Bei 20 Ampere und 12 Volt verbraucht die Schaltung Leistung = V x I = 12 x 20 = 240 Watt. Das ist eine erhebliche Menge.
Wenn Sie 10 V bei 20 A laden, muss der Treiber die verbleibenden 2 Volt fallen lassen. Die Verlustleistung beträgt also 10 V x 20 A = 200 Watt und die Verlustleistung des Treibers 2 V x 20 A = 40 Watt. 40 Watt in einen Darlington benötigen einen ziemlich großen Kühlkörper, um nicht zu heiß zu werden. Wenn Sie es schnell herunterfahren und sich nur ein oder zwei davon in diesem Modus befinden, können Sie möglicherweise "damit durchkommen". Wenn jedoch eine Reihe von Lasten eine Weile im Grenzstrom bleiben, "gibt es Probleme".
Eine Lösung besteht darin, einen Controller zu haben, der sich vollständig ausschaltet, wenn ich 10 Ampere überschreite, eine Weile wartet und es erneut versucht. Das Problem dabei ist, dass bis zu 20 A alles in Ordnung ist, aber wenn die Last versucht, mehr als 20 A aufzunehmen, ist sie auf Bursts von 20 A = viel weniger als 20 A Durchschnitt begrenzt.
Eine Lösung besteht darin, den Schalter zu "PWM", wenn er sich in der Strombegrenzung befindet - der Schalter ist nur ein- oder ausgeschaltet - und das Ein / Aus-Verhältnis so einzustellen, dass der Durchschnitt = 20A ist. Die Schaltung dazu kann billiger und einfacher sein, als es sich anhört. Ein Operationsverstärker oder pro Stromkreis und einige passive Komponenten. Oder ein CMOS-Schmitt-Gate-Paket und etwas Spielen.
Der beste Weg ist die Verwendung eines Schaltmodustreibers, der auf 20 A begrenzt und die verfügbare Energie nur bei Bedarf abschaltet. Dies können auch einfache 92 Transistoren in minimalistischer Form sein, die jedoch einen störenden Induktor pro Schaltung benötigen.
Wie gezeigt, ist das Ergebnis SEHR ungenau, da die Stromverstärkung des Darlington-Transistorpaars sehr ungenau ist. Wenn Sie beim Test nicht auswählen (z. B. den Basiswiderstand mit einem Potentiometer einstellen), ist er sehr ungenau und auch dann langfristig nicht gut. Ich kann Ihnen billige Schaltungen für einen Strombegrenzungstreiber geben. Aber zuerst wollen wir sehen, wohin die Frage geht.
Ja, Sie benötigen eine Diode über der Last, wenn diese induktiv ist und die Polarität so ist, dass sie normalerweise nicht leitet.
Verlustleistung im Controller und warum:
Der Stromfluss von 12 V durch die Last und den Regler zur Erde beträgt
R ist die Summe aller Widerstände in einem gegebenen Reihenpfad.
Für 20A bei 12V
- R = V / I = 12/20 = 0,6 Ohm.
Wenn Sie die Strombegrenzung auf 20 A einstellen, erstellen Sie ein elektronisch variables R, das das gesamte R im Stromkreis automatisch auf 0,6 Ohm einstellt, wenn die Last weniger als 0,6 beträgt.
Wenn die Last MEHR als 0,6 Ohm beträgt, bleibt der Controller eingeschaltet, da der Strom weniger als 20 A beträgt.
In Ihrem Beispiel mit einem 0,1R-Zünder muss der Regler 0,6-0,1 = 0,5 Ohm hinzufügen.
Leistung im Zünder = I ^ 2 x R = 20 ^ 2 x 0,1 = 40 Watt.
Verlustleistung im Regler = 20 ^ 2 x .5 = 200 Watt.
Controller wird heiß ":-).
PWM-Strombegrenzung:
PWM = Pulsweitenmodulation schaltet die Last vollständig auf fos, sagen wir X%, wenn die Zeit und 100-X% der Zeit ausgeschaltet ist
Wenn Sie die Last mit einem Tastverhältnis von 1: 5 vollständig ein- und dann vollständig ausschalten, beträgt der durchschnittliche Strom 20 A.
I on = 12 / 0,1 = 120 A!
Ich aus = 0
(1 x 120 A + 5 x 0 A) / 6 = 20 Durchschnitt
Die Batterie muss in der Lage sein, die 120A-Spitzen zu liefern.
Das Hinzufügen eines Induktors in Reihe mit der Last und einer "Fangdiode" verwandelt die Schaltung in einen "Abwärtswandler", z. B. wie diesen
Wenn der Schalter an einem N-ten der Zeit eingeschaltet ist, beträgt der Spannungsausgang 1 / Nstel von Vin.
Der normale Ansatz besteht darin, Iout zu überwachen und die Einschaltdauer anzupassen, um den maximalen Strom wie gewünscht zu begrenzen.
Hier ist ein Beispiel, das genau das tut.
Dies ist nicht ganz das, was Sie wollen, sondern zeigt das Prinzip. Dies ist eine von Richard Prosser gelieferte Relaistreiberschaltung, die von mir kommentiert wurde. Das Ersetzen eines geeigneten Induktors für L1 und das Platzieren der Last direkt unter L1 liefert eine strombegrenzte Versorgung. Dies wird ein bisschen "beschäftigt" für das, was Sie wollen.
Verwendung eines geschützten Strombegrenzungs-MOSFET
Die Verwendung eines stromgeschützten MOSFET wurde vorgeschlagen, wie beispielsweise des durch ON Semiconductor NCV8401 geschützten Low-Side-Treibers mit Strom- und Temperaturgrenze
Die Aufgabe des NCV8401 besteht darin, abzuschalten, wenn ein hoher Fehlerstrom aufrechterhalten wird, und den maximalen Strom zu begrenzen, der fließen kann, wenn ein Fehler auftritt. Geräte wie dieses machen das gut, aber sie sollen nicht zulassen, dass der Grenzstrom über lange Zeiträume aufrechterhalten wird. Ich habe versucht, ein solches Verbindungsgerät direkt über eine Autobatterie zu schalten und sie einzuschalten. Kein Problem - sie gehen nur in die Begrenzung und stellen den normalen Betrieb wieder her, wenn der Überlastungszustand beseitigt ist.
Dies sind wunderbare Geräte, die an ihrer Stelle äußerst nützlich sind, aber sie erfüllen nicht das ursprünglich festgelegte Ziel, einen konstanten Strom von 20 Ampere in der Last aufrechtzuerhalten, z. B. unter Fehlerbedingungen, AUSSER wenn Sie sie mit einem Kühlkörper versenken, um den vollen Fehlerstrom aufzunehmen - was erforderlich ist eine Verlustleistung von bis zu 12V x 20A = 240 Watt im Treiber, schlimmster Fall. Der NCV8401 hat einen Wärmewiderstand zwischen Verbindung und Gehäuse von 1,6 C / Watt und eine maximale Sperrschichttemperatur von 150 ° C. Selbst auf einem perfekten Kühlkörper (0 C / W) bei 25 ° C Umgebungstemperatur, der maximal (150-25) / ermöglicht. 1,6 = 78 Watt. In der Praxis wären etwa 40 Watt selbst mit einem extrem leistungsfähigen Kühlsystem sehr, sehr gut.
Wenn die Spezifikation geändert wurde, ist das in Ordnung, aber wenn Sie eine begrenzte 20A kontinuierlich beziehen möchten (bis sie gestoppt wird oder sie durchbrennt), gibt es nur zwei Möglichkeiten. Entweder
(1) Akzeptieren Sie die Gesamtverlustleistung von 12 V x 20 A = 240 W, wobei der Fahrer ableitet, was die Last nicht aufnimmt oder
(2) Verwenden Sie die Energieumwandlung im Schaltmodus, damit der Treiber 20 A bei der für die Last erforderlichen Spannung liefert. Der Fahrer befasst sich nur mit Energie aus ineffizienter Umwandlung. Wenn beispielsweise die Last 0,2 Ohm beträgt, ist bei 20 A Vload = I x R = 20 A x 0,2 = 4 Volt. Die Lastleistung beträgt entweder I ^ 2 x R = 400 x 0,2 = 80 Watt oder OR = V x I = 4 V x 20 A = 80 Watt (wieder natürlich).
In diesem Fall, wenn die 4 V von einem Schaltmoduswandler bezogen werden, der z% effizient ist (0 <= Z <= 100). In dem obigen Beispiel, in dem Pload = 80 Watt ist, verbraucht der Schaltmoduswandler nur (100-Z) / 100 x P-Last = 0,3 x 80 W = 24 Watt, wenn der Wandler Z = 70 (%) sagt. Dies ist immer noch erheblich, aber weit weniger als die 240-80 = 160 Watt, die mit einem linearen Begrenzer abgeführt würden. So ...
Strombegrenzer des Schaltreglers
Dies ist als weiteres Beispiel als endgültige Lösung gedacht. Es könnte in Betrieb genommen werden, aber ein auf diesem Prinzip basierendes Grunddesign wäre besser.
Eine Schaltung, die fast genau das tut, was Sie wollen, kann beispielsweise mit einem MC34063 in der Schaltung von Abb. 11a oder 11b hier MC34063-Datenblatt aufgebaut werden
Es wäre wahrscheinlich so einfach, ein Paket von Komparatoren (z. B. LM393, LM339 usw.) zu verwenden, um etwas Ähnliches zu implementieren, wie Sie eine echte Laststromerfassung anstelle der hier durchgeführten zyklusweisen Erfassung durchführen können, aber dies wird funktionieren.
Die referenzierten MC34063-Schaltungen könnten modifiziert werden, um auf Wunsch einen externen N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFET zu verwenden (was ich wahrscheinlich verwenden würde). FETs haben tatsächlich die Angewohnheit, einen Kurzschluss zu versagen. Das Entwerfen, sie selten zu haben, wenn überhaupt, macht dies weniger problematisch :-).
Hier kann die Ausgangsspannung auf "hoch" eingestellt werden, da wir nach der Energieumwandlung und der Strombegrenzung suchen. Wenn beispielsweise die Last 0,4 R beträgt und die fiktive Zielspannung 12 V beträgt, begrenzt der Strombegrenzer, was wirklich passiert. Anstelle von oder neben dem Zyklus-für-Zyklus-Begrenzer können Sie eine niedrige seitliche Laststrommessung hinzufügen und diese verwenden, um die Antriebsspannung so zu begrenzen, dass der Ziellaststrom bereitgestellt wird.
Stufenbegrenzungs-Linearbegrenzer
Die einfachste Methode kann darin bestehen, eine Reihe geschalteter Widerstände bereitzustellen, die binär geschaltet werden können, um den Laststrom auf 20 A zu begrenzen. Ein Zähler zählt den Widerstandswert nach oben, wenn der Strom zu hoch ist, und nach unten, wenn der Strom zu niedrig ist. Die Verlustleistung beträgt 240 W bei 20 A, immer wenn die Last weniger als 0,6 R beträgt, ABER die Widerstände erledigen die Arbeit und Bipolartransistoren oder FETs, die als Lastschalter verwendet werden, können kühl laufen. Nicht allzu schwer zu machen, aber ein "nervig roher" Ansatz :-).
