Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Zabezpieczenie tranzystora MOSFET przed zwarciem + sterowanie z uC

arturssp 24 Jun 2013 15:31 6381 10
  • #1
    arturssp
    Level 16  
    Witam!
    Buduję urządzenie, które będzie sterowało elektrozaworem (załącz/wyłącz). Ponieważ muszę podawać "+" (masa jest na obudowie elektrozaworu) zastosowałem MOSFET z kanałem P. Całość ma być sterowana z mikrokontrolera za pośrednictwem transoptorów (konieczna izolacja galwaniczna). Cewka elektrozaworu pobiera 1,3A przy 12V. I chodzi o to, że muszę mieć zabezpieczenie przed zwarciem + informację do uC, że zwarcie wystąpiło.

    Zaprojektowałem i zbudowałem układ wg poniższego schematu:



    Zabezpieczenie tranzystora MOSFET przed zwarciem + sterowanie z uC

    Działa to tak: mikrokontroler podaje sygnał (ciągły) na diodę w transoptorze OK3.
    Tranzystor zaczyna przewodzić i podaje napięcie na bazę Q3. Otwiera się tranzystor mosfet, na wyjście zostaje podane napięcie. Gdy wystąpi zwarcie, wzmacniacz różnicowy wzmocni spadek napięcia na R1, na jego wyjściu napięcie wzrośnie powyżej 8V, wtedy zacznie przewodzić układ TL431, dioda w transoptorze CNY17 zaświeci, i układ zbudowany z tranzystora transoptora oraz Q2, R4, R5, C2 (tworzy tyrystor) ściągnie bazę Q3 do masy, jednocześnie zatrzaskując się. Prąd w tej gałęzi wzrośnie na tyle, że spadek napięcia na R3 będzie wystarczający do zaświecenia się diody w transoptorze OK2, podłączonym do portu mikrokontrolera dając informację o wystąpieniu zwarcia. Kondensator C1 wprowadza małe opóźnienie, aby w momencie włączania tranzystora mosfet wzmacniacz operacyjny nie podał napięcia na układ TL431. Dioda D1 oraz kondensator C3 zapewniają krótkotrwałe zasilanie wzmacniacza operacyjnego w przypadku zwarcia, wystarczające do zadziałania układu TL431 i zablokowania tranzystora mosfet.
    Taki stan utrzyma się aż do momentu, kiedy mikrokontroler wyłączy sygnał sterujący.
    Dioda D2 i kondensator C4 wygaszają przepięcia z cewki elektrozaworu.
    Potencjometrem R20 ustawiam próg zadziałania zabezpieczenia - przy podłączonym i wysterowanym elektrozaworze ustawiam ok 4V na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. Układ progowy z TL431 zaczyna przewodzić przy ok 8V.

    Układ zbudowałem, przetestowałem - działa poprawnie.
    Tylko chcę go teraz możliwie maksymalnie uprościć. Ponieważ sterować będę kilkoma elektrozaworami, a do każdego z osobna muszę mieć zabezpieczenie, to robi się to już dość skomplikowane.
    Więc może ktoś wpadnie na jakiś pomysł, jak to maksymalnie uprościć?
    Aha, nie piszcie o inteligentnych kluczach (high-side switch) - to ma być zrobione "na piechotę".

    Pozdrawiam.
  • #2
    Tomasz Gumny
    Level 28  
    Skoro kanałów ma być więcej, to może warto zastosować gotowe elementy? Poszukaj "smart intelligent high side power switch automotive" lub zerknij na rodziny:
    PROFET http://www.infineon.com/cms/en/product/automo...html?channel=ff80808112ab681d0112ab69e2d40357
    IPS /IRF/ https://ec.irf.com/v6/en/US/adirect/ir?cmd=eneNavigation&N=0+4294835973+4294844752
    Te ostatnie dostępne są tutaj: http://www.tme.eu/pl/katalog/uklady-scalone/4055e0017300f8b753bade07fdc76f8e.html
    a wystarczyłby taki: http://www.tme.eu/pl/details/ips7091gpbf/regu...piecia-uklady-dc-dc/international-rectifier/#
  • Helpful post
    #3
    jarek_lnx
    Level 43  
    Co do obecnego układu, C1 spowoduje że układ zareaguje na nagły spadek napięcia tak samo jak na zwarcie.

    Ponieważ układ ma wykrywać zwarcie, nie ważna jest dokładność, zamiast wzmacniacza daj pojedynczy tranzystor, to może wymagać większego R1 ale układ się uprości, można nawet spróbować użyć rezystancji kanału tranzystora zamiast R1, z tego samego powodu wyrzuć VR1, OK1 wyrzuć, bo nie jest potrzebna optoizolacja w środku układu (a czy w ogóle jest niezbędna?).

    Co zostaje? zostawił bym układ zastępczy tyrystora, włączony pomiędzy bramką a żródłem FET'a - zbędny będzie Q3, rezystor R1 (jeśli zostanie) przeniósł bym przed tranzystor tak żeby spadek napięcia na nim załączał tyrystor, zostaje tylko podłączyć transoptory i wykryć stan załączenia tyrystora.
  • #4
    arturssp
    Level 16  
    Co do gwałtownego spadku napięcia - układ będzie zasilany buforowo z akumulatora, więc raczej gwałtownych spadków napięcia nie powinno być. Optoizolacja wewnątrz (z transoptorem CNY-17) nie jest potrzebna - ale tak najłatwiej mi było to rozwiązać. Co do zwiększania R1 - nie chcę go za bardzo większać (straty - grzanie).
    Z pojedynczym tranzystorem zamiast WO ? Nie wiem czy zareaguje... Jak by to miało wyglądać ?
    Jeśli Q3 zbędny, to co włączy tranzystor mocy? MOSFET z kanałem P sterowny jest jakby "masą".. O ile tyrystor między źródłem a bramką jakoś rozumiem (wyłączanie), to nie wiem jak będzie wyglądało włączanie? Bezpośrednio transoptorem? Bo chyba inaczej się nie da...
    Izolacja pomiędzy układem a mikrokontrolerem być musi.

    Wydumałem coś takiego, wg wcześniejszych porad:

    Zabezpieczenie tranzystora MOSFET przed zwarciem + sterowanie z uC

    Czy to ma szanse zadziałać? Kwestia jeszcze doboru wartości elementów...
  • #5
    Marian B
    Level 37  
    Prąd 1,3A pobierany przez elektrozawór, to nie duży prąd. Jeżeli ma być pewnie i nie skomplikowanie, warto pomyśleć o zastosowaniu szeregowego rezystora ograniczającego oraz o bezpieczniku polimerowym wielokrotnego działania. Tranzystor należy zastosowaś np, na prąd maksymalny 10A (co jest bardzo łatwe i tanie), w szereg z elektrozaworem/tranzystorem rezystor ograniczający prąd do wartości znośnej dla tranzystora np. 1÷1,5Ω oraz polimerowy bezpiecznik. Rezystor o tak małej wartości nie będzie miał wpływu na pracę elektrozaworu, ograniczy prąd do wartości znośnej dla tranzystora, a w następnej kolejności zadziała bezpiecznik polimerowy. Straty na grzanie rezystora będą do przyjęcia.
    Przykład takiego rozwiązania:
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2517258.html
    Są tam w ten sposob zabezpieczone tranzystory i przewody połączeniowe.
  • Helpful post
    #6
    jarek_lnx
    Level 43  
    Można prościej Zabezpieczenie tranzystora MOSFET przed zwarciem + sterowanie z uC
  • #7
    arturssp
    Level 16  
    Dzięki!
    Fakt, Twój układ prosty aż do bólu, ale niestety pomimo tego, że w teorii działa w praktyce już nie bardzo...
    Po 1 przy rezystorze bramkowym 100k tranzystor mosfet zaczyna się samoczynnie otwierać powyżej 11V zasilania (a zasilanie ma być buforowe, 13,8V - przy takim napięciu już jest "w połowie" otwarty...)
    Dopiero zmniejszenie tego rezystora do 1k powoduje, że do napięcia ok 17V układ jest stabilny - takich napięć nie będzie, więc można powiedzieć, że było by ok.
    Ale po zmniejszeniu tego rezystora do 1k zaczyna się świecić dioda w transoptorze mającym sygnalizować zwarcie, prawdopodobnie zaczyna przewodzić wstecznie złącze E-B tranzystora NPN w układzie tyrystora.
    Więc jeszcze będę musiał pokombinować nad tym układem...


    Dodano:
    Więc tak, problem samoczynnego otwierania się mosfeta rozwiązałem - tak jak przypuszczałem, winne było złącze E-B tranzystora NPN - zaczynało wstecznie przewodzić, powodując spadek napięcia na bramce. Dodanie diody 1N4148 w szereg z emiterem Q1 rozwiązało problem, teraz nawet przy 30V tranzystor pozostaje wyłączony a dioda w transoptorze U2 nie świeci.

    Powstał za to inny problem - układ jest strasznie wrażliwy na "cokolwiek" - wystarczy dotknięcie śrubokrętem do zasilania, masy lub wyjścia i już układ reaguje tak jak na zwarcie, zatrzaskując się.
    Dopiero dodanie kondensatorów 220nF pomiędzy bazę a emiter Q2, oraz 47nF pomiędzy bazę Q1 a masę rozwiązało problem. Przez to co prawda układ reaguje na zwarcie z pewnym (bardzo małym) opóźnieniem, ale jest to do przyjęcia.
    Biorę się za testy.
    Pozdrawiam i dziękuję za podpowiedzi :)
    Ja to lubię sobie życie komplikować, wzmacniacz operacyjny, TL431, masa rezystorów itd, a wystarczyły dwa tranzystory ;)
  • Helpful post
    #8
    Tomasz Gumny
    Level 28  
    arturssp wrote:
    Ja to lubię sobie życie komplikować, wzmacniacz operacyjny, TL431, masa rezystorów itd, a wystarczyły dwa tranzystory ;)
    Wystarczyłby klucz w obudowie SO-8, a są układy zawierające 2, 4, nawet 8 kluczy w jednej obudowie.
    Wracając do powyższych schematów - dlaczego uparcie stosowany jest układ zastępujący tyrystor zamiast tyrystora?
  • #9
    arturssp
    Level 16  
    Wiem, że wystarczyły by inteligentne klucze, ale chciałem to rozwiązać na piechotę - po prostu mam dużo tranzystorów mosfet, zwykłych i innych elementów, a klucze musiał bym kupować specjalnie pod jeden projekt.. Więc chciałem wykorzystać to co już mam.
    Co do układu zastępczego tyrystora - jedna zaleta to taka, że można wyzwolić układ dowolnym tranzystorem (wg schematu kolegi jarek_lnx zwykły tyrystor by się nie sprawdził) a druga to taka, że nie mam malutkich tyrystorów (tylko takie na 10A i w górę do 320A) a za to tranzystorów kilka setek... Więc wracamy do punktu wyjścia - wykorzystać te części które już mam.
    Gdyby to miała być jakaś seria urządzeń, to bym się nie bawił i kupił gotowe klucze, ale dla jednego projektu można się pobawić :)
    Dziękuję za odpowiedzi i pomoc!
  • Helpful post
    #10
    jarek_lnx
    Level 43  
    Quote:
    Dodano:
    Więc tak, problem samoczynnego otwierania się mosfeta rozwiązałem - tak jak przypuszczałem, winne było złącze E-B tranzystora NPN - zaczynało wstecznie przewodzić, powodując spadek napięcia na bramce. Dodanie diody 1N4148 w szereg z emiterem Q1 rozwiązało problem, teraz nawet przy 30V tranzystor pozostaje wyłączony a dioda w transoptorze U2 nie świeci.

    Powstał za to inny problem - układ jest strasznie wrażliwy na "cokolwiek" - wystarczy dotknięcie śrubokrętem do zasilania, masy lub wyjścia i już układ reaguje tak jak na zwarcie, zatrzaskując się.
    Dopiero dodanie kondensatorów 220nF pomiędzy bazę a emiter Q2, oraz 47nF pomiędzy bazę Q1 a masę rozwiązało problem. Przez to co prawda układ reaguje na zwarcie z pewnym (bardzo małym) opóźnieniem, ale jest to do przyjęcia.

    Nie mogłem wcześniej odpisać, a teraz widzę że już sobie poradziłeś, nie zauważyłem tego wstecznie spolaryzowanego B-E, twoje rozwiązanie z połączeniem tranzystora i diody w transoptorach szeregowo też było dobre, nie było by problemu z Ube, co do szybkości i wrażliwości na "cokolwiek" to znany problem w "tyrystorach" tranzystorowych, wydaje mi się że ten kondensator 47nF do masy może ułatwiać przypadkowe załączenie "tyrystora" przy załączaniu układu, ja bym dał pomiędzy bazą a emiterem Q1, można też dać tam rezystor.

    Niesamowicie duża czułość "tyrystora" zawsze mi przeszkadzała, ale ktoś zrobił z niej użytek: detektor zbliżeniowyLink i wykrywacz pól elektrycznych: Link
  • #11
    arturssp
    Level 16  
    Witam!
    Ostateczna wersja układu:

    Zabezpieczenie tranzystora MOSFET przed zwarciem + sterowanie z uC

    Dodanie kondensatora C2 oraz rezystorów R5 i R8 "znieczuliło" układ i już się przypadkowo nie zatrzaskuje, przetestowałem w różnych sytuacjach.
    Dla pewniejszego wyłączania klucza zmniejszyłem R3 do 56k.
    Układ działa poprawnie, reaguje na zwarcie i przeciążenie.
    Więcej poprawek już chyba nie potrzeba.

    Dziękuję jarek_lnx za podsunięcie dobrego pomysłu!