Wykrycie napięcia granicznego i załączenie obciążenia (500V DC)

Witam.

Chciałbym wykonać zabezpieczenie instalacji przed wzrostem napięcia powyżej 500 V DC dla źródła prądu stałego o mocy 3 kW.
Przejrzałem trochę tematów i...
W pierwszej chwili myślałem o transilu np. https://www.tme.eu/pl/details/1.5ke480a-e3_54/diody-transil-tht-jednokierunkowe/vishay/
ale to chyba nie jest dobry pomysł?
Lub o prostym układzie ze wzmacniaczem operacyjnym lub układem tranzystorowym sterującym IGBT załączającym dwie grzałki 500W połączone szeregowo w celu obciążenia źródła i obniżenia napięcia.
A może są jakieś gotowe rozwiązania?
Pozdrawiam.

Poszukaj tematów o komparatorze analogowym. Napięcie możesz obniżyć za pomocą dziennika napięcia A samo sterowanie tak jak mówiłeś poprzez tranzystor igbt lub mosfet.

A co da obciążenie tymi grzałkami przy mocy 3kW? One pochłoną tylko 1/3 mocy... może kilka takich zestawów?

Co do tranzystora, to powinien być na napięcie powyżej 500V - do takich grzałek wystarczy np. BUZ90A (600V 4A).

Transil chroni tylko przed krótkimi impulsami - można go użyć niezależnie od układu włączającego grzałki, żeby pochłonął to, na co ten układ nie zdąży zareagować. A poza tym warto zadbać o to, by układ reagował szybko (jeśli np. nagle odłączysz duże obciążenie, a źródło zasilania ma indukcyjność, to może wygenerować taki impuls, którego sam transil nie da rady pochłonąć. Komparatory na ogół są szybkie, ale dają mały prąd, dużo za mały do sterowania MOSFET-tem, może komparatorem włączać szybki tranzystor przełączający PNP, a dopiero nim bramkę N-MOSFET-a?

Komparator powinien mieć histerezę aby nie wyłączył się po minimalnym spadku napięcia spowodowanym załączeniem grzałki bo to doprowadzi do oscylacji.

A tym bardziej, żeby włączenie nie było połowiczne, bo to da do 250W strat w tranzystorze.

_jta_ napisał:

A co da obciążenie tymi grzałkami przy mocy 3kW? One pochłoną tylko 1/3 mocy... może kilka takich zestawów?

Da to tyle, że napięcie spadnie do bezpiecznej wartości - im większe obciążenie, tym bardziej spada napięcie źródła - nie jest "sztywne".

Dodano po 22 [minuty]:

trymer01 napisał:

Slak68 napisał:

Lub o prostym układzie ze wzmacniaczem operacyjnym lub układem tranzystorowym sterującym IGBT załączającym dwie grzałki 500W połączone szeregowo w celu obciążenia źródła i obniżenia napięcia.

To zadziała, ale należałoby znać charakterystykę źródła napięcia Uwy=f(Iobc) - albo rezystancję wewn. źródła napięcia tak aby móc ocenić jakie obciążenie Iwy (czyli jakiej mocy grzałka) jaki spadek Uwy wywołuje.
Wtedy komparator(y) wykrywające wzrost Uwy>500V i dołączające obciążenie (grzałki) za pomocą IGBT albo MOSFET. Prawdopodobnie warto będzie zastosować układ dwustopniowy - pierwszy komparator wykrywa Uwy>500V i włącza pierwszą grzałkę, drugi jest wyłączony i dopiero gdy przy włączonym pierwszym Uwy znowu wzrośnie >500V - drugi komparator dołącza drugą grzałkę. To pozwoli utrzymać jak największe Uwy<500V.

Dwie grzałki szeregowo dlatego, że musiałbym robić grzałkę specjalnie na 500V - tak jest mi po prostu łatwiej.
Traktuję układ jako zabezpieczenie - odbiornik źle zniesie napięcie > 500V, bardzo źle... a tani nie jest.
Jeśli dwustopniowe zabezpieczenie to progi: pierwszy komparator 480 V a drugi 490 V.
O ile z lutownicą i czytaniem schematów radzę sobie to zaprojektowanie takiego dwustopniowego układu mnie przerasta.
Znalazłem coś takiego (napięcie całkiem, całkiem...) ftp://ztchs.p.lodz.pl/Modelowanie_Ukladow_Dynamicznych/MUD%20LAB%207.pdf
albo do adaptacji http://www.serwis-elektroniki.com.pl/wp-content/uploads/2017/11/711_20_1.pdf ale raczej nie poradzę sobie z dostosowaniem - widzę problem z zasilaniem układu (osobny zasilacz?) i jak wpuścić do niego napięcie 500 V?

Link poprawiłem.
Temperatura od -10 do +40°C, więc spora rozpiętość.

TL431 do przesunięcia napięcia: dzielnik 820k/4k3 powinien pasować, REF do dzielnika, katoda do zasilania np. +24V, anoda będzie miała 479V (teoretycznie, pytanie z jakim błędem) poniżej mierzonego napięcia. Jeśli potrzebna odwrotna polaryzacja napięcia z TL431, to anoda do masy, katoda zasilana poprzez opornik, dzielnik z odrobinę większym podziałem (np. 1M0/5k1) i taki sam opornik (1M0) od katody do REF - wtedy suma napięcia mierzonego i napięcia katody będzie stała.

Do wyjścia podłączyć wejścia kilku komparatorów, drugie ich wejścia do dzielnika (kilka oporników szeregowo, jak w LM3914), i jakieś sprzężenie zwrotne dla uzyskania histerezy (pytanie, czy sam LM3914 by się nadał, ale: (1) może być za wolny, i (2) nie wiem, czy ma histerezę, a płynne włączanie/wyłączanie tranzystorów mocy jest niewskazane). I z tych komparatorów sterować N-MOSFET-y włączające kolejne pary grzałek.

Jeśli układ, który jest tak zasilany, jest szczególnie cenny, to wypadałoby zrobić dwa zabezpieczenia - może mogłyby mieć wspólne grzałki i MOSFET-y, ale osobne np. TL431, i drugi, w wyższym progiem zadziałania, może prostszy - włączałby wszystkie grzałki i do wyłączenia wymagał interwencji. Pierwszy układ by włączał tyle grzałek, żeby utrzymać napięcie poniżej 500V, drugi miałby włączyć wszystkie w razie awarii pierwszego.

Jeszcze jedno do rozważenia: żeby zabezpieczyć przed szybkim skokiem napięcia, zastosować kondensator - tylko musiałby być na napięcie 500V i mieć sporą pojemność, żeby nie pozwolił na znaczący wzrost napięcia w czasie zanim zabezpieczenie zdąży zareagować i włączyć grzałki.

Dlatego zaproponowałem zasilanie np. z +24V - 500V byłoby podawane tylko na dzielnik.

Nie wiem, jak z tym LM3914 - czy da się na nim uzyskać przełączanie skokowe. Ale pewnie, jak jeden zestaw grzałek będzie miał moc 1kW, a źródło zasilania 3kW, to użycie 3, może 4 zestawów wystarczy, więc można użyć poczwórnego komparatora i nie ma co kombinować z LM3914 (10 komparatorów)?

Prostszy do opisania jest układ "odwracający", bo nie wymaga dodatkowego zasilania. Mamy TL431, który ma 3 końcówki: REF, A, K (zwykle do A podłącza się '-', do K '+', do REF dzielnik). 'A' łączymy z -zasilania, między 'A' i REF opornik 7k5, między 'K' i REF 1M5, między REF i +zasilania 1M5, między 'K' i +zasilania 220k. Ale to jeszcze trzeba zabezpieczyć przed wystąpieniem zbyt wysokiego napięcia K-A - najprościej dodając diodę Zenera 30V między 'K' i 'A' (albo standardowy układ z drugim TL431, udający taką diodę).

Można to zabezpieczenie zrobić lepiej, robiąc układ z taką diodą Zenera, bądź z TL431, stabilizujący napięcie 30V, oddzielony diodą - żeby ten układ zabezpieczający nie miał wpływu na działanie, dopóki nie jest potrzebne jego zadziałanie - ale ten wpływ nie będzie duży, więc może nie komplikować układu (niewiele, bo to kwestia dodania opornika zasilającego i diody, ale zawsze jest to bardziej złożony układ), a przynajmniej na początek rozważyć prostszy.

Ten układ "odwracający" teoretycznie powinien dać napięcie K-A równe 500V minus napięcie zasilania. Przy zasilaniu od 30 do 470V będzie potrzebne działanie zabezpieczenia. Pewnym problemem może być moc strat w oporniku 220k - przy napięciu 500V będzie powyżej 1W.

Układ "nieodwracający" potrzebuje zasilania o niskim napięciu, a jeśli chcemy, by prąd pobierany z tego zasilania był mały, to jeszcze źródła prądowego. 'K' do zasilania niskim napięciem (np. +24V), opornik 1M od +zasilania do REF, opornik 5k1 między REF i 'A', między 'A' i wspólny -zasilania opornik (ze 2k), albo (jak chcemy oszczędzać prąd) źródło prądowe ze 2mA. Napięcie 'K' względem wspólnego -zasilania będzie napięcie zasilania minus 490V.

W wersji z użyciem źródła prądowego można zasilać ten układ "nieodwracający" z napięcia 500V poprzez stabilizator z opornika (ze 200k) i diody Zenera; w wersji z opornikiem między 'A' i -zasilania potrzebny prąd sięgnie parudziesięciu mA i moc strat z oporniku byłaby kilkanaście W, więc taki układ jest zdecydowanie niekorzystny.

Dziękuję za odpowiedź. Spróbuję przelać to na schemat.
Mikrokontroler odpada w takich zastosowaniach?

Pytanie, na ile szybka reakcja jest potrzebna - czy uC będzie wystarczająco szybki. Co prawda jakiś tani STM32 (jest moduł za kilkanaście zł z uC STM32F103C8T6) może odczytywać napięcie z ADC w czasie 1us (ATmega/Arduino jest kilkanaście razy wolniejszy) i zdążyć zareagować w następnej us...

Dzięki - STM nie znam a skoro Arduino za wolne to pozostaje zostać przy układach analogowych...