Меню

Защита от скачков напряжения автомобиля

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Предупреждение: Будет много букв, но вроде все по делу. Статья рассчитана на новичков, умеющих пользоваться паяльником.

Часть 1. Предисловие

Наверное, многие из вас меняли штатные лампы накаливания в плафонах салона, в подсветке номера, в габаритных огнях, в приборной панели и т.д., на светодиодные лампы.

Как правило, при подобных заменах используются уже готовые автомобильные светодиодные лампы, рассчитанные на напряжение 12 вольт.

По сравнению с лампами накаливания, преимущества светодиодных ламп известны, это малое энергопотребление, большой выбор цветов свечения, меньший нагрев, а также существенно больший срок службы.

Однако, для долгой и счастливой жизни светодиода весьма важно, чтобы протекающий через него ток не превышал заданных производителем величин. При превышении максимально допустимого тока, происходит быстрая деградация кристаллов светодиодов, и лампа выходит из строя.

Поэтому, в «правильные» светодиодные лампы уже встроен стабилизатор тока (драйвер). Но такие лампы, как правило, стоят недешево. В связи с этим, в автолюбительской среде гораздо большее распространение получили дешевые светодиодные лампы, не имеющие встроенного стабилизатора. Примеры таких ламп на фото 1:

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Из-за отсутствия стабилизатора, такие лампы весьма чувствительны к скачкам напряжения в бортовой сети автомобиля. Кроме того, хитрые узкоглазые производители ламп рассчитывают их параметры, как правило, на максимальное напряжение 12В. Однако, как известно, при работе двигателя напряжение в бортсети составляет 13.

Один из способов продлить жизнь таким лампам — это подключение их через стабилизаторы напряжения, которые защитят лампы от скачков напряжения в бортовой сети автомобиля и подадут на лампы стабильные 12В. Однако, такой способ имеет ряд существенных недостатков:

Недостаток 1. Для установки стабилизаторов требуется вмешательство в электропроводку автомобиля, на что пойдет не каждый автовладелец, особенно в гарантийный период.

Недостаток 2. По схемотехнике, стабилизаторы делятся на линейные и импульсные. Линейные довольно сильно греются при относительно небольших токах, а импульсные генерируют высокочастотные помехи, которые влияют на качество приема радио.

Недостаток 3. Ламп в автомобиле много, и на каждую (пусть даже группу ламп) поставить стабилизатор проблематично.

Недостаток 4. Возврат к штатным лампам накаливания может потребовать демонтажа ранее установленных стабилизаторов.

Поэтому, в данной статье я предлагаю способ, как существенно продлить срок службы светодиодных ламп, без использования стабилизаторов. Речь пойдет о простой доработке самих светодиодных ламп.

Часть 2. Немного теории

Мне приходилось разбирать множество автомобильных светодиодных ламп. Несмотря на разный внешний вид, тип цоколя и габаритные размеры, практически все недорогие лампы конструктивно похожи, с небольшими вариациями, которые я отмечу далее.

Итак, среднестатистическая автомобильная светодиодная лампа выполнена по типовой схеме, представленной на рис. 2 (приведен пример для 9 светодиодов):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Обозначение элементов на схеме, слева направо:

R0 : Резистор-обманка для систем контроля исправности ламп. О нем я, возможно, сделаю отдельный материал, здесь его пока не рассматриваем. Этот резистор может присутствовать, а может и нет. I0 — ток через резистор R0.

VDS1 : Диодный мост. Так как для светодиодов важна полярность подключения, диодный мост позволяет подключать лампу как обычную лампу накаливания, не думая о полярности. Самые дешевые лампы не имеют диодного моста, но, в последнее время, он часто присутствует даже в малогабаритных бесцокольных лампах. Диодный мост установлен в лампу чисто для удобства пользователя.

R1-R3 : Токоограничивающие резисторы для цепочек из трех светодиодов HL1.1-HL1.3 и т.д. Эти резисторы задают ток, протекающий через каждую из цепочек светодиодов. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше ток через светодиоды.

HL1.1-HL1.3 : Цепочка из трех светодиодов. В разных по конструкции светодиодных лампах, количество цепочек и количество светодиодов в цепочке может быть различным, но часто используются именно цепочки из трех светодиодов. На данной схеме для примера показана лампа с тремя цепочками по три светодиода в каждой. Есть лампы, состоящие вообще из одного светодиода, но схемотехника у них такая же.

I1-I3 : ток через цепочки, например, I1 — ток через цепочку R1-HL1-HL2-HL3 и т.д. Суммарный ток, потребляемый лампой, равен сумме токов Iобщ=I0+I1+I2+I3.

Чтобы повысить надежность работы лампы, правильно ставить на каждую из цепочек отдельный токоограничивающий резистор R1-R3. В этом случае выход из строя светодиодов в одной из цепочек не повлияет на ток через другие цепочки. Однако, в целях экономии, производители дешевых ламп ставят один общий резистор на все цепочки. Такие лампы менее надежны, но выяснить это суждено уже покупателю. Упрощенная схема лампы с одним токоограничивающим резистором приведена на схеме на рис. 3:

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

От теории перейдем к практике. Я не буду грузить вас сложными расчетами, просто покажу, что и как делать.

Часть 3. Доработка автомобильных светодиодных ламп, не имеющих встроенного стабилизатора тока

Для доработки ламп понадобятся:

1. Паяльные принадлежности — паяльник на 25-40 Вт, флюс, припой.
2. Наличие мультиметра и паяльного фена приветствуется.
3. Набор резисторов требуемой мощности и номиналов. Возможно, для определения типа и номиналов резисторов, придется предварительно разобрать одну лампу для изучения.

Пример 1: Цилиндрические лампы типа C5W или C10W

Отпаиваем металлические контактные колпачки, нагревая их феном или паяльником сбоку, в месте соприкосновения с платой. Под одним из колпачков видим резистор-обманку R0, о нем поговорим в следующей записи (фото 4):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

На фото 5 слева направо видим диодный мост VDS1, две цепочки светодиодов HL1-HL2 по три светодиода в каждой, и общий токоограничивающий резистор R1. Это означает, что данная лампа выполнена по упрощенной схеме с одним резистором (см. рис. 3).

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Для сравнения, на фото 6 приведена более «правильная» лампа, где используются три токоограничивающих резистора, по одному на каждую цепочку:

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

На фото 7 показана светодиодная лампа со светодиодной матрицей (технология COB). Такие лампы легко отличить по внешнему виду, на них не видно отдельных светодиодов. Для матрицы COB используется один токоограничивающий резистор R1. В данном конкретном случае, это не удешевление:

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Доработка лампы очень простая и сводится к замене токоограничивающих резисторов на резисторы большего номинала. Тем самым мы уменьшаем ток через светодиоды, в результате они меньше греются и дольше служат.

Я провел ряд измерений на различных светодиодных лампах, и для себя сделал следующие выводы:

Вывод 1: Большинство дешевых ламп рассчитаны производителем на максимальное напряжение 12В, не более. При работе в реальных условиях, при напряжении в бортсети порядка 13.5-14.5В, светодиоды работают с перегрузкой и быстро выходят из строя.

Вывод 2: Увеличение номинала токоограничивающего резистора в 2-3 раза не сильно сказывается на яркости свечения лампы, но пропорционально снижает ток через светодиоды, чем существенно продлевает их ресурс.

Вывод 3: Даже при уменьшении тока в 3-5 раз по сравнению с исходным, светодиодные лампы светят ярче, чем аналогичные лампы накаливания.

Отпаяв колпачки и получив доступ плате, выпаиваем заводской резистор и вместо него впаиваем свой, с увеличенным сопротивлением.

На фото 8 заводской резистор сопротивлением 22 Ом заменен на резистор сопротивлением 100 Ом (почти в 5 раз больше):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Подбором номинала резистора можно изготовить лампы для различных применений, например, для освещения салона сделать поярче, в подсветку номера — поменьше яркостью и т.д. Например, на фото 9, для подсветки номера, я поставил резисторы сопротивлением 150 Ом (в 7 раз больше штатного 22 Ом), яркость все равно осталась больше штатных ламп накаливания:

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Пример 2. Бесцокольные лампы T10 W5W

Отгибаем контактные усики и разбираем лампу (фото 10):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Видим, что лампа имеет простейшую конструкцию, без диодного моста, питание на светодиоды подается через один токоограничивающий резистор (фото 11):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Еще одна распространенная разновидность лампы W5W, с одним мощным светодиодом. Разбирается аналогично предыдущему примеру (фото 12):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Здесь в конструкции питание подается через два последовательно включенных резистора. Это сделано для того, чтобы резисторы поменьше грелись (фото 13):

Читайте также:  Что принимают за единицу напряжения физика 8 класс ответы

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Пример 3. Малогабаритные лампы T5 для приборной панели

Как правило, из-за ограниченного размера, в конструкции таких ламп оставлен лишь один светодиод и один токоограничивающий резистор. Разбираются аналогично лампам W5W, путем отгибания усиков (фото 14-15):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

14. Лампы для приборной панели

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Все рассмотренные лампы дорабатываем аналогично, просто заменяем штатные резисторы на свои, с увеличенным в 2-3-5 раз номиналом. Сопротивление резистора подбираем, в зависимости от требуемой яркости свечения.

Часть 4. Некоторые практические советы

Совет 1. В лампах различного размера и конструкции, могут использоваться различные по типу и размеру элементы. Как правило, компоновка деталей лампы довольно плотная, поэтому запаять вместо штатных другие типоразмеры часто бывает затруднительно, из-за ограниченного свободного места. Поэтому, заранее подбирайте подходящие детали, но при этом чтобы мощность нового резистора не была меньше мощности штатного (фото 16):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Совет 2. При работе с паяльным феном, легко повредить горячим воздухом соседние детали, например, светодиоды. Поэтому, перепаивая резисторы, закрывайте другие детали от воздействия горячего воздуха. Я, например, просто прикрывал светодиоды пинцетом (фото 17):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Совет 3. При выпаивании колпачков ламп C5W и C10W, часть припоя может вытечь. При сборке лампы, для надежной пайки колпачков, можно заранее добавить припоя на контактные пятачки платы, тогда при нагреве припой надежно соединит плату и колпачок.

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Совет 4. Некоторые лампы со светодиодными матрицами COB, для красоты прикрыты декоративными пластиковыми стеклами. Эти стекла ухудшают теплоотвод, рекомендую их снять, на внешний вид подсветки по факту это никак не влияет, а охлаждаться лампа будет лучше (фото 19):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

И в завершение, небольшой прикол. Интересно, откуда на лампе взялась надпись «КОЛЯ», нанесенная промышленным способом? (фото 20):

Как продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп без применения стабилизаторов

Данная простая доработка позволяет существенно продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп, даже без использования стабилизаторов тока или напряжения.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Источник



Рекомендации при проектировании схем защиты цепей питания 12 и 24 В для автомобильных приложений

С помощью семейства интегральных схем MAX16126/7/8/9 компания Maxim Integrated обеспечивает защиту бортовой автомобильной электроники от бросков напряжения в диапазоне от -36 до 90 В без применения дополнительных внешних компонентов. В случае же применения таковых, защита простирается вплоть до 200 В, что авторы статьи доказали на практическом примере, собрав схему защиты на базе микросхемы MAX16127TC+.

Автомобильной электронике приходится работать при воздействии сильных импульсных помех. В современных автомобилях установлено большое количество электронного оборудования, для работы которого необходимо защищать цепи питания от бросков напряжения, электростатических разрядов и включения при обратной полярности аккумулятора. Согласно ГОСТ 28751-90 электронное устройство, работающее в автомобильной сети, должно выдерживать воздействие помех в диапазоне от минус 1100 В до плюс 300 В (для бортовой сети). Для решения этих проблем существует несколько традиционных вариантов защиты:

  • установка дискретных компонентов (варисторы, защитные TVS-диоды, предохранители, индуктивные и емкостные фильтры);
  • использование электронных компонентов со встроенной защитой от перегрузок по входу и выходу;
  • применение специализированных микросхем с активной защитой.

Каждый из этих способов имеет преимущества и недостатки. Преимущество защиты на дискретных компонентах – низкая стоимость. К недостаткам этого варианта можно отнести зависимость напряжения ограничения от мощности помехи и большое время срабатывания у варистора и предохранителя. Последовательное включение диода на входе защищаемой схемы позволяет реализовать защиту от включения с обратной полярностью, но падение напряжения на диоде уменьшает диапазон допустимых входных напряжений. Кроме того, на последовательно включенном диоде теряется рассеиваемая мощность, так как весь ток протекает через этот диод. Плавкие предохранители необходимо заменять после перегорания. В большинстве случаев для этого требуется ехать на станцию технического обслуживания.

Использование микросхем со встроенной защитой ограничено их выбором и ценой. К тому же, такие микросхемы не справляются с мощными высоковольтными помехами.

Специализированные микросхемы для активной защиты от перенапряжений лишены многих недостатков схем на дискретных электронных компонентах. Основная идея специализированных микросхем защиты – замена дискретных компонентов мощными высоковольтными транзисторами, которые управляются интеллектуальными схемами. Это позволяет расширить функциональность схем защиты при высокой точности параметров ограничения.

Основные положения ГОСТ 28751-90

Электронные устройства, подключаемые к бортовым сетям автомобилей с напряжениями питания 12 или 24 В, должны обеспечивать электромагнитную совместимость и помехоустойчивость, удовлетворяя требованиям межгосударственного стандарта ГОСТ 28751-90. В этом документе описаны требования и методы испытаний для автомобильного оборудования. По устойчивости к воздействиям импульсных помех электронные приборы, устанавливаемые в автомобилях, делятся на функциональные классы, описание которых взято из упомянутого выше ГОСТа и приведено в таблице 1.

Таблица 1. Функциональные классы приборов по устойчивости к воздействию импульсных помех по цепям питания

Класс Описание
A Все функции изделий выполняются во время и после воздействия испытательных импульсов
B Все функции изделий выполняются во время и после воздействия испытательных импульсов, однако значения одного или нескольких параметров могут выходить за пределы допусков. После воздействия значения всех параметров восстанавливаются
C Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов, однако после воздействия работоспособность изделия восстанавливается
D Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После воздействия работоспособность изделия восстанавливается простой управляющей операцией
E Одна или несколько функций изделий не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После окончания воздействия работоспособность изделия не восстанавливается без проведения ремонта

Для конкретного электронного прибора, подключаемого к цепям питания автомобилей с напряжениями 12 или 24 В, должна быть обеспечена его работоспособность в соответствии с одним или несколькими классами, приведенными в таблице 1. Применение специализированных микросхем защиты с дополнением их высоковольтными MOSFET транзисторами позволяет обеспечить защиту от мощных импульсов помех, удовлетворяя условиям сразу нескольких классов из таблицы 1. Для проведения измерений на устойчивость к воздействию помех на вход исследуемой схемы подаются тестовые импульсы с конкретными параметрами.

Параметры тестовых импульсов также приводятся в ГОСТ 28751-90. Наиболее опасный и сложный из этих тестовых импульсов имеет номер 5. Его параметры для разных цепей напряжений питания бортовой сети автомобиля приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Параметры тестового импульса №5 для бортовых сетей 12 и 24 В

Рис. 1. Параметры тестового импульса №5 для бортовых сетей 12 и 24 В

Этот импульс является самым жестким при проведении испытаний на соответствие, т.к. содержит в себе наибольшую энергию. Подача этого импульса при испытаниях, ввиду его сложности, даже не требует соответствия классу А, то есть, при подаче импульса 5 устройство не обязано выполнять все функции во время и после подачи импульса.

Семейство специализированных интегральных схем защиты MAX16126/7/8/9

Для защиты электронных устройств, предназначенных для работы в автомобильных сетях питания, компания Maxim Integrated выпускает семейство интегральных схем MAX16126/7/8/9 (таблица 2). Это семейство позволяет реализовать схему защиты в широком диапазоне напряжений. Сама микросхема защиты MAX16126/16127 рассчитана для работы в диапазоне -36…90 В без применения дополнительных внешних схем. Однако для расширения диапазона работы производитель рекомендует использование внешнего параметрического стабилизатора [2], что позволяет существенно расширить диапазон рабочих напряжений. При этом рабочий диапазон будет ограничен предельными характеристиками параметрического стабилизатора и внешних транзисторов.

Таблица 2. Микросхемы серии MAX16126/7/8/9 для защиты автомобильной электроники

Наименование Режим защиты от перенапряжений Допустимые напряжения помех,
(без дополнительных внешних схем) В
Корпус
MAX16126TCA Выключение с автозапуском -36…90 B 12TQFN-EP 3 х 3 мм
MAX16126TCB Выключение после одного перезапуска
MAX16126TCC Выключение после трех перезапусков
MAX16126TCD Выключение
MAX16127TC Ограничение
MAX16128UAxxxx Выключение (с автозапуском; после одного перезапуска или после трех перезапусков) 8 uMAX
MAX16129UAxxxx Ограничение

Испытание схемы защиты на базе MAX16127 при подаче импульса номер 5

Амплитуда помехи при напряжении аккумулятора 24 В может достигать 200 В при длительности импульса до 350 мс. Именно параметры этого самого «страшного» импульса были использованы при тестировании защитных микросхем серии MAX16126/7/8/9 с дополнительными высоковольтными транзисторами. Для проведения испытаний на базе MAX16127TC+ была собрана схема защиты с допустимым рабочим диапазоном до +400 В (рисунок 2). В качестве ключей были выбраны транзисторы компании STMicroelectronics STP5N52K3, параметрический стабилизатор был выполнен на базе стабилитрона CMZ5946B компании ON Semiconductor. Настройка порога срабатывания от перенапряжения была произведена на уровень 32 В при помощи внешних резисторов R3 и R4 согласно технической документации.

Читайте также:  Как измерить напряжение мультиметром автомобильный аккумулятор

Рис. 2. MAX16127TC с высоковольтными MOSFET-транзисторами

Рис. 2. MAX16127TC с высоковольтными MOSFET-транзисторами

Транзистор Т1 используется для защиты при появлении отрицательного напряжения, например, при неправильном включении устройства в цепь («переполюсовка»). В применениях, где необходимы миниатюрные решения и не требуется защита от отрицательных импульсов, транзистор Т1 может не устанавливаться. Транзистор Т2 служит для реализации защиты при появлении повышенного напряжения. При появлении на входе схемы защиты повышенного напряжения, превышающего заданный порог срабатывания (Over Voltage threshold), MAX16127 закрывает транзистор Т2, тем самым препятствуя попаданию повышенного напряжения на выход схемы.

Для макетирования была выбрана микросхема MAX16127TC+, так как в этом случае используется режим ограничения помехи, при котором выходное напряжение практически не изменяется, и обеспечивается работоспособность питаемого прибора без нарушения его функциональности.

Рис. 3. Реакция схемы ограничения на пиковый входной импульс в отсутствие нагрузки

Рис. 3. Реакция схемы ограничения на пиковый входной импульс в отсутствие нагрузки

На рисунке 3 показана реакция схемы ограничения на входной импульс с пиковым значением 182 В при отсутствии нагрузки (желтая осциллограмма). Полное напряжение, поступающее на вход схемы ограничения, составляет (24 + 182 = 206) В, где 24 В – это напряжение аккумулятора. Ограниченное напряжение на выходе в этом режиме измерений не превышает (24 + 6 = 32) В, то есть при амплитуде импульса на входе 182 В, выходное напряжение увеличилось на 6 В.

Рис. 4. Нагрузка 100 Ом, ток 300 мА, выходное напряжение 32 В

Рис. 4. Нагрузка 100 Ом, ток 300 мА, выходное напряжение 32 В

На рисунке 4 изображена осциллограмма при нагрузке 100 Ом. Таким образом, выходное напряжение схемы защиты составило 32 В, а ток – 300 мА, при этой степень подавления входной помехи практически не изменяется. Это говорит о том, что при изменении тока нагрузки в широком диапазоне от нуля до 300 мА режим ограничения помехи практически не меняется, что является большим преимуществом активных схем ограничения по сравнению с решениями на пассивных компонентах.

Рис. 5. Реакция на фронт (скачок)

Рис. 5. Реакция на фронт (скачок)

На рисунке 5 показан фронт ограничения при нарастании входного напряжения. При входном напряжении до 32 В уровень напряжения передается на выход без изменения. При достижении напряжения на входе около 32 В (этот порог срабатывания можно при необходимости изменить) происходит ограничение выходного напряжения при дальнейшем росте входного напряжения. Обратите внимание, что масштаб по оси времени составляет 2 мс на клетку (масштаб времени на предыдущих осциллограммах был 40 мс).

При подаче импульсов с разной нагрузкой проводилось измерение температуры транзисторных ключей. Ввиду того, что ограничение производится в ключевом режиме, повышение температуры во время ограничения зафиксировано не было. То есть использование ограничивающей микросхемы MAX16127 не предъявляет специальных требований к рассеиваемой мощности транзисторных ключей, дополнительных теплоотводящих конструкций (радиаторов) и т.д. Также стоит отметить, что транзисторы и стабилитроны были выбраны, исходя из их наличия. При дополнительных требованиях к размерам схемы защиты разработчик может выбирать транзисторы в более миниатюрных корпусах.

Использование версии микросхемы с функцией ограничения (MAX16127) позволяет не просто защитить электронное устройство при появлении помехи или намеренном повышении напряжения питания на линии, а дает возможность сохранять работоспособность устройства. То есть в случае намеренных попыток выведения из строя по линиям питания, устройство может вести лог этого события или передавать сигнал тревоги, например по одному из беспроводных каналов (например, GSM). Таким образом, использование семейства MAX16126/16127 позволяет реализовать устройство, превышающее максимальные степени жесткости по ГОСТ 28751-90.

Источник

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.

Читайте также:  Изолированные отвертки при работе под напряжением

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.

Источник