Detektor prądu upływu, zwany częściej wyłącznikiem bądź bezpiecznikiem różnicowoprądowym, to układ zabezpieczający obwód przed upływem prądu do masy alternatywnymi do dedykowanej ścieżki. Tego rodzaju wyłącznik rozłącza układ w momencie, gdy różnica prądu wpływającego do obwodu i wypływającego z niego przekroczy zaprogramowany próg. Odmiennie niż typowe bezpieczniki topikowe itp., tego rodzaju bezpiecznik może być zresetowany po zadziałaniu i wykorzystany ponownie. Zabezpieczenia różnicowoprądowe pełnią bardzo ważną rolę w zabezpieczeniu obwodów elektrycznych w sieci domowej; chronią one ludzi i wyposażenie w naszych domach i nie tylko.
W poniższym artykule omówimy wymagania, jakie stawia bezpiecznik różnicowy w zakresie detekcji prądu upływu i uruchamiania zabezpieczenia, a także przyjrzymy się scalonym monitorom zasilania o ultraniskim poborze prądu, jako możliwym układom scalonym do zastosowania w tego rodzaju układach. Finalnie, omówione zostanie bardziej złożone zagadnienie - zalet zastosowania mikrokontrolerów w wyłącznikach instalacyjnych sieci średniego napięcia.
Wykorzystywanie monitora zasilania jako detektora przekroczenia progu prądu upływu
O prądzie upływu w instalacji sieciowej możemy mówić, gdy występuje alternatywna ścieżka spływania ładunku z fazy do ziemi. Dzieje się tak poprzez nieprawidłowe działanie urządzenia lub przez osobę nieumyślnie dotykającą linii zasilania, tworząc alternatywną ścieżkę do ziemi. Ponieważ ekspozycja na wysokie prądy upływu powodować może obrażenia ludzkiego ciała, wyłączniki różnicowoprądowe są zaprojektowane tak, aby reagować na prądy tak niskie, jak 5 mA, aż do 500 mA. Jak opisano w normie Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej TS60479-1, osoby narażone na porażenie prądem 50 mA przez 200 ms doznają skurczów mięśni w narażonych kończynach. Ekspozycja dłuższa niż 3 sekundy znacznie zwiększy prawdopodobieństwo wystąpienia migotania komór, które może być śmiertelne.
Zabezpieczenie różnicowe wykrywa prąd upływu, wykrywając różnicę między prądem w linii aktywnej (fazowej) a prądem płynącym w żyle neutralnej. Jeśli prąd fazowy i prąd neutralny nie są zrównoważone, a różnica tych prądów - prąd upływu - przekracza określony wcześniej próg, wyłącznik wyłącza się, przerywając obwód i izolując źródło zasilania od obwodu, gdzie wystąpił upływ prądu.
Tego rodzaju zabezpieczenia można podzielić na trzy główne części. Pierwsza to stopień wykrywania, w ramach której czujnik prądu upływu wykrywa rzeczony prąd. W drugiej części obwód wykrywający ustala czy zmierzony prąd przekracza zaprogramowany próg. Ostatnia, trzecia część, odłącza przekaźnik elektromagnetyczny, aby odizolować miejsce wycieku prądu od źródła zasilania.
W przeszłości do wykrywania różnicy prądów wykorzystywane były ustroje elektromechaniczne. Współczesne wyłączniki różnicowoprądowe wykorzystują układy scalone, takie jak monitory napięcia, w celu poprawy dokładności detekcji, jak i przyspieszenia czasu reakcji zabezpieczenia w celu szybszego i dokładniejszego wykrywania prądu upływu i szybszego odłączania zasilania.
Rysunek 1 pokazuje, w jaki sposób scalony monitor napięcia TPS3840 może zostać wykorzystany do wykrywania prądu upływu. W tym przykładzie czujnik, taki jak przekładnik na przykład różnicowo-prądowy lub przekładnik prądowy fazy zerowej, jest reprezentowany przez źródło prądu. W obwodzie wykrywania prądu stosowany jest rezystor do konwersji prądu wejściowego na napięcie, które jest następnie mierzone przez układ TPS3840. Układ ten integruje w sobie precyzyjne źródło napięcia odniesienia i komparator napięcia. Punkt wyzwalania tego zabezpieczenia jest dokładnie zaprogramowany na etapie produkcji układu w pamięć nieulotną jednorazowego programowania (OTP). Próg ten można skonfigurować w zakresie od 1,6 V do 4,9 V, przy zachowaniu dokładności 1% (typowo).
Gdy napięcie na styku VDD wzrośnie powyżej zaprogramowanego progu, styk RESET podciągnięty zostanie wysoko, aby zresetować mikrokontroler lub uruchomić przekaźnik elektromagnetyczny, rozłączający obwód. Dodatkowo, czas reakcji wyjścia RESET można przedłużyć za pomocą zaledwie jednego kondensatora dołączonego do układu, co pozwolić ma zmieniać czas odpowiedzi RCD w zależności od wielkości prądu upływu.
Rys.1. Monitor zasilania, wykorzystany jako detektor prądu upływu w referencyjnym projekcie modułu zasilania z komparatorem lub sekwencjonowaniem zasilania.
Monitor zasilania w tym projekcie referencyjnym spełnia trzy kluczowe wymagania:
Szybkie włączanie i programowalne czasy reakcji. Gdy monitor napięcia startuje od zera do napięcia wejściowego, które jest wyższe od zaprogramowanego progu wyzwalania (napięcia progowego), jego uruchomienie i reakcja zajmuje pewien czas. Wyłączniki różnicowoprądowe muszą szybko wykrywać wystąpienie prądu upływu, ale charakteryzować się również elastycznością w konfigurowaniu czasu reakcji w oparciu o poziom prądu upływu i jego czas trwania, między innymi by uniknąć uciążliwego wyłączenia systemu spowodowanego przez przepięcia przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa. Przy czasie startu równym 200 µs, TPS3840 może reagować bardzo szybko.
Bardzo niski prąd wejściowy. Na rysunku 1 pin zasilania układu nadzorującego (VDD) jest taki sam jak pin monitorowania sygnału wejściowego (SENSE). Ponieważ układ jest zasilany z sygnału wejściowego, taki monitor napięcia powinien mieć wysoką impedancję wejściową, aby zminimalizować błąd wprowadzany do wejściowego dzielnika napięcia/oporowego konwertera prąd-napięcie. Scalony monitor napięcia TPS3840 zużywa bardzo niski prąd, będący na poziomie 350 nA.
Niski VPOR dla niskiego VOL. VPOR to minimalne napięcie wejściowe wymagane dla kontrolowania stanu wyjścia. Gdy VIN < VPOR, wyjście śledzi wejście i może np. wyzwolić przekaźnik. Napięcie VPOR powinno być tak niski, jak to tylko możliwe, aby zapewnić margines bezpieczeństwa między poziomem napięcia włączania przekaźnika i napięciem wyjściowym monitora napięcia w stanie niskim (VOL). Wersja układu TPS3840 z wyjściem w stanie niskim w stanie aktywnym posiada wyjście w topologii typu push-pull - ma zarówno niski VPOR, jak i VOL na poziomie 300 mV, aby uniknąć fałszywego resetowania układu.
Wykorzystanie monitora zasilania, jako nadzorcy linii zasilania mikrokontrolera
Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy konstrukcji referencyjnej systemu zabezpieczenia zasilania. Wyłączniki te wymagają zastosowania mikrokontrolerów do przetwarzania przechwyconych danych w celu wykrycia błędów prądu przetężeniowego i uziemienia. Scalony układ monitorowania napięcia zasilania, taki jak LM8364 lub TPS3840, może monitorować szyny zasilania mikrokontrolera. TPS3840 ma szerszy zakres temperatur roboczych i niższy pobór prądu niż LM8364.
Jeśli nadzór napięcia jest zintegrowany w mikrokontrolerze, zalecany jest zewnętrzny układ watchdoga. Zewnętrzny watchdog pomaga upewnić się, że mikrokontroler nie zatrzaskuje się, poprzez okresowe wykrywanie impulsów wysyłanych przez jeden z pinów GPIO mikrokontrolera. Jeśli błędy oprogramowania spowodują, że puls zostaną pominięte, zewnętrzny watchdog zresetuje mikrokontroler.
Programowalny zegar sterujący wbudowany w TPS3430 jest dobrym rozwiązaniem, ponieważ oferuje programowalny czas oczekiwania watchdoga i opóźnienie resetowania, aby spełnić wymagania czasowe każdego mikrokontrolera. Jeśli wymagana jest zwiększona niezawodność, należy zastosować zarówno nadzór napięcia zasilania, jak i układ do nadzoru nad mikrokontrolerem. Zintegrowany układ nadzorujący układ i napięcie zasilania, taki jak TPS3823 jest dobrą alternatywą, oferując stałe wartości progowe i opcje czasu oczekiwania.
Rys.2. Subsystem przetwarzania sygnałów oraz samozasilanie bezpiecznika z zabezpieczanego wejścia - schemat blokowy projektu referencyjnego.
Monitor napięcia zasilania mogą pomóc w ulepszeniu konstrukcji wyłącznika różnicowoprądowego, nie tylko monitorując napięcie zasilania mikrokontrolera w nim zastosowanego, w celu zapewnienia normalnej pracy, ale także służąc jako detektor prądu upływu.
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2019/01/10/protect-your-circuit-breaker-design-with-voltage-supervisor-reset-ics
W poniższym artykule omówimy wymagania, jakie stawia bezpiecznik różnicowy w zakresie detekcji prądu upływu i uruchamiania zabezpieczenia, a także przyjrzymy się scalonym monitorom zasilania o ultraniskim poborze prądu, jako możliwym układom scalonym do zastosowania w tego rodzaju układach. Finalnie, omówione zostanie bardziej złożone zagadnienie - zalet zastosowania mikrokontrolerów w wyłącznikach instalacyjnych sieci średniego napięcia.
Wykorzystywanie monitora zasilania jako detektora przekroczenia progu prądu upływu
O prądzie upływu w instalacji sieciowej możemy mówić, gdy występuje alternatywna ścieżka spływania ładunku z fazy do ziemi. Dzieje się tak poprzez nieprawidłowe działanie urządzenia lub przez osobę nieumyślnie dotykającą linii zasilania, tworząc alternatywną ścieżkę do ziemi. Ponieważ ekspozycja na wysokie prądy upływu powodować może obrażenia ludzkiego ciała, wyłączniki różnicowoprądowe są zaprojektowane tak, aby reagować na prądy tak niskie, jak 5 mA, aż do 500 mA. Jak opisano w normie Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej TS60479-1, osoby narażone na porażenie prądem 50 mA przez 200 ms doznają skurczów mięśni w narażonych kończynach. Ekspozycja dłuższa niż 3 sekundy znacznie zwiększy prawdopodobieństwo wystąpienia migotania komór, które może być śmiertelne.
Zabezpieczenie różnicowe wykrywa prąd upływu, wykrywając różnicę między prądem w linii aktywnej (fazowej) a prądem płynącym w żyle neutralnej. Jeśli prąd fazowy i prąd neutralny nie są zrównoważone, a różnica tych prądów - prąd upływu - przekracza określony wcześniej próg, wyłącznik wyłącza się, przerywając obwód i izolując źródło zasilania od obwodu, gdzie wystąpił upływ prądu.
Tego rodzaju zabezpieczenia można podzielić na trzy główne części. Pierwsza to stopień wykrywania, w ramach której czujnik prądu upływu wykrywa rzeczony prąd. W drugiej części obwód wykrywający ustala czy zmierzony prąd przekracza zaprogramowany próg. Ostatnia, trzecia część, odłącza przekaźnik elektromagnetyczny, aby odizolować miejsce wycieku prądu od źródła zasilania.
W przeszłości do wykrywania różnicy prądów wykorzystywane były ustroje elektromechaniczne. Współczesne wyłączniki różnicowoprądowe wykorzystują układy scalone, takie jak monitory napięcia, w celu poprawy dokładności detekcji, jak i przyspieszenia czasu reakcji zabezpieczenia w celu szybszego i dokładniejszego wykrywania prądu upływu i szybszego odłączania zasilania.
Rysunek 1 pokazuje, w jaki sposób scalony monitor napięcia TPS3840 może zostać wykorzystany do wykrywania prądu upływu. W tym przykładzie czujnik, taki jak przekładnik na przykład różnicowo-prądowy lub przekładnik prądowy fazy zerowej, jest reprezentowany przez źródło prądu. W obwodzie wykrywania prądu stosowany jest rezystor do konwersji prądu wejściowego na napięcie, które jest następnie mierzone przez układ TPS3840. Układ ten integruje w sobie precyzyjne źródło napięcia odniesienia i komparator napięcia. Punkt wyzwalania tego zabezpieczenia jest dokładnie zaprogramowany na etapie produkcji układu w pamięć nieulotną jednorazowego programowania (OTP). Próg ten można skonfigurować w zakresie od 1,6 V do 4,9 V, przy zachowaniu dokładności 1% (typowo).
Gdy napięcie na styku VDD wzrośnie powyżej zaprogramowanego progu, styk RESET podciągnięty zostanie wysoko, aby zresetować mikrokontroler lub uruchomić przekaźnik elektromagnetyczny, rozłączający obwód. Dodatkowo, czas reakcji wyjścia RESET można przedłużyć za pomocą zaledwie jednego kondensatora dołączonego do układu, co pozwolić ma zmieniać czas odpowiedzi RCD w zależności od wielkości prądu upływu.
Rys.1. Monitor zasilania, wykorzystany jako detektor prądu upływu w referencyjnym projekcie modułu zasilania z komparatorem lub sekwencjonowaniem zasilania.
Monitor zasilania w tym projekcie referencyjnym spełnia trzy kluczowe wymagania:
Szybkie włączanie i programowalne czasy reakcji. Gdy monitor napięcia startuje od zera do napięcia wejściowego, które jest wyższe od zaprogramowanego progu wyzwalania (napięcia progowego), jego uruchomienie i reakcja zajmuje pewien czas. Wyłączniki różnicowoprądowe muszą szybko wykrywać wystąpienie prądu upływu, ale charakteryzować się również elastycznością w konfigurowaniu czasu reakcji w oparciu o poziom prądu upływu i jego czas trwania, między innymi by uniknąć uciążliwego wyłączenia systemu spowodowanego przez przepięcia przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa. Przy czasie startu równym 200 µs, TPS3840 może reagować bardzo szybko.
Bardzo niski prąd wejściowy. Na rysunku 1 pin zasilania układu nadzorującego (VDD) jest taki sam jak pin monitorowania sygnału wejściowego (SENSE). Ponieważ układ jest zasilany z sygnału wejściowego, taki monitor napięcia powinien mieć wysoką impedancję wejściową, aby zminimalizować błąd wprowadzany do wejściowego dzielnika napięcia/oporowego konwertera prąd-napięcie. Scalony monitor napięcia TPS3840 zużywa bardzo niski prąd, będący na poziomie 350 nA.
Niski VPOR dla niskiego VOL. VPOR to minimalne napięcie wejściowe wymagane dla kontrolowania stanu wyjścia. Gdy VIN < VPOR, wyjście śledzi wejście i może np. wyzwolić przekaźnik. Napięcie VPOR powinno być tak niski, jak to tylko możliwe, aby zapewnić margines bezpieczeństwa między poziomem napięcia włączania przekaźnika i napięciem wyjściowym monitora napięcia w stanie niskim (VOL). Wersja układu TPS3840 z wyjściem w stanie niskim w stanie aktywnym posiada wyjście w topologii typu push-pull - ma zarówno niski VPOR, jak i VOL na poziomie 300 mV, aby uniknąć fałszywego resetowania układu.
Wykorzystanie monitora zasilania, jako nadzorcy linii zasilania mikrokontrolera
Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy konstrukcji referencyjnej systemu zabezpieczenia zasilania. Wyłączniki te wymagają zastosowania mikrokontrolerów do przetwarzania przechwyconych danych w celu wykrycia błędów prądu przetężeniowego i uziemienia. Scalony układ monitorowania napięcia zasilania, taki jak LM8364 lub TPS3840, może monitorować szyny zasilania mikrokontrolera. TPS3840 ma szerszy zakres temperatur roboczych i niższy pobór prądu niż LM8364.
Jeśli nadzór napięcia jest zintegrowany w mikrokontrolerze, zalecany jest zewnętrzny układ watchdoga. Zewnętrzny watchdog pomaga upewnić się, że mikrokontroler nie zatrzaskuje się, poprzez okresowe wykrywanie impulsów wysyłanych przez jeden z pinów GPIO mikrokontrolera. Jeśli błędy oprogramowania spowodują, że puls zostaną pominięte, zewnętrzny watchdog zresetuje mikrokontroler.
Programowalny zegar sterujący wbudowany w TPS3430 jest dobrym rozwiązaniem, ponieważ oferuje programowalny czas oczekiwania watchdoga i opóźnienie resetowania, aby spełnić wymagania czasowe każdego mikrokontrolera. Jeśli wymagana jest zwiększona niezawodność, należy zastosować zarówno nadzór napięcia zasilania, jak i układ do nadzoru nad mikrokontrolerem. Zintegrowany układ nadzorujący układ i napięcie zasilania, taki jak TPS3823 jest dobrą alternatywą, oferując stałe wartości progowe i opcje czasu oczekiwania.
Rys.2. Subsystem przetwarzania sygnałów oraz samozasilanie bezpiecznika z zabezpieczanego wejścia - schemat blokowy projektu referencyjnego.
Monitor napięcia zasilania mogą pomóc w ulepszeniu konstrukcji wyłącznika różnicowoprądowego, nie tylko monitorując napięcie zasilania mikrokontrolera w nim zastosowanego, w celu zapewnienia normalnej pracy, ale także służąc jako detektor prądu upływu.
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2019/01/10/protect-your-circuit-breaker-design-with-voltage-supervisor-reset-ics
Fajne? Ranking DIY
