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C-BISCUIT Power: Crowbar-Schutzschaltung für 5V-Regler

Seabiscuit vs War Admiral (Januar 2019).

Anonim

C-BISCUIT Power: Crowbar-Schutzschaltung für 5V-Regler


Überspannungs- und Überstromschutzschaltung für den Hauptcomputer der C-BISCUIT-Plattform, das Wandboard.

Die C-BISCUIT-Serie

  1. C-BISCUIT: Eine Robotik-Plattform für Hacker und Hobbyisten
  2. C-Biscuit: Design-Entscheidungen und Begründung
  3. C-BISCUIT Leistung: 5V 3A Buck Regler für Wandboard
  4. C-BISCUIT Power: Crowbar-Schutzschaltung für 5V-Regler
  5. C-Biscuit: Die Gehirne der Operation
  6. C-BISCUIT Power: Montage und Prüfung von Regulator- und Crowbar-Stromkreisen
  7. C-BISCUIT: Überwachung der Gesundheit Ihres Roboters
  8. C-BISCUIT: Robotersystemarchitektur
  9. C-BISCUIT: Schematischer Aufbau für den RCB-Microcontroller, Motorcontroller
  10. C-BISCUIT: Schematischer Entwurf für die RCB-Power, Stepper
  11. C-BISCUIT: Layout und Montage für das Robot Control Board
  12. C-BISCUIT: Systemintegration und Testen

Ein Überblick über das C-BISCUIT Energiesystem

Einführung

Im vorherigen C-BISCUIT-Artikel haben wir einen DC-DC-Stromwandler entwickelt, der unsere Batteriespannung von ~ 11 V auf saubere, saubere 5, 0 V reguliert. In einer idealen Welt ist das alles, was wir jemals brauchen würden, aber in der realen Welt. Bei Störungen, nämlich Überspannungs- und Überstrombedingungen, müssen Schutzschaltungen in Betracht gezogen werden. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist mit etwas, das eine "Crowbar" -Schaltung genannt wird.

Eine generische 9, 1 V, 250 mA Crowbar-Schaltung, die einen Silizium-gesteuerten Gleichrichter oder SCR verwendet, um die Ausgangsklemmen kurzzuschließen

Wenn die Eingangsspannung des Schaltkreises eine bestimmte Schwelle erreicht (9.1 V im obigen Beispiel), bricht eine Zenerdiode zusammen und bewirkt, dass entweder ein TRIAC oder SCR die Stromversorgung und Masse kurzschließt … als ob Sie eine Crowbar über die Klemmen werfen würden. Dies zwingt viel Strom durch das Gerät, senkt aber sofort die Spannung. Eine Inline-Sicherung trennt dann elektrisch die Last (in unserem Fall das Wandboard) von der Versorgung. In dem Fall eines SCR erscheint, wenn die Zenerdiode zusammenbricht, eine Spannung an dem Gate-Anschluss des SCR. Liegt diese über der Gate-Aktivierungsspannung des SCR, schaltet sich das Gerät ein.

Unser Crowbar Circuit

Die, die wir implementieren, ist ein wenig anders. Wir haben eine einstellbare Zener-Diode (technisch ein "einstellbarer Präzisions-Zener-Shunt-Regler") von TI namens LM431 und einen TRIAC im Gegensatz zu einem SCR. Die Diode bricht zusammen, wenn die Spannung am Referenzeingang 2, 5 V erreicht. Dies bedeutet, dass sie mit einem einfachen Spannungsteiler auf nahezu jeden Pegel eingestellt werden kann. R1 und R2 wurden so gewählt, dass die Grenzspannung gerade 6 V beträgt.

Sie werden feststellen, dass der Widerstand und der Zener bei dieser Implementierung umgekehrt sind. Dies liegt daran, dass TRIAC und SCR nicht auf die gleiche Weise ausgelöst werden. Der Kathodenstrom des LM431 beträgt im ausgeschalteten Zustand ca. 1 μA. Dies bedeutet, dass es einen sehr kleinen Spannungsabfall über R4 gibt, wobei im Wesentlichen MT1 und das Gate des TRIAC auf der gleichen Spannung gehalten werden. Wenn die Auslösespannung erreicht ist und der Zener zerfällt, beginnt der Strom durch R4 zu fließen, was einen größeren Abfall darüber verursacht.

Dies versetzt den TRIAC in den sogenannten Quadranten-3-Betrieb, da sowohl MT2 als auch das Gate niedrigere Potentiale als MT1 haben. Im Wesentlichen fließt eine kleine Menge an Strom von MT1 zu dem Gate, was bewirkt, dass eine große Menge an Strom von MT1 zu MT2 fließt. Wenn dies mehr als einige Milliampere ist, "verriegelt" der TRIAC (Latch-Strom) und bleibt leitend, bis dieser Strom kleiner ist als eine Menge, die als Haltestrom bekannt ist.

Wenn der TRIAC leitet, wird eine 3A-Kfz-Sicherung durchbrennen und den Stromkreis schützen. Es gibt auch eine handliche Dandy-LED, um Sie wissen zu lassen, ob die Sicherung durchgebrannt ist oder nicht.

Simulation

Bei den meisten analogen Schaltungen ist es eine sehr weise Idee, das Design vor dem Prototyping zu simulieren. SPICE ist das De-facto-Werkzeug dafür und kommt in vielen verschiedenen Geschmacksrichtungen und Varianten. Im Wesentlichen ein numerischer Differentialgleichungslöser für Schaltungsgrundelemente, kann SPICE verwendet werden, um Ihnen eine gute Annäherung an die reale Schaltungsleistung zu geben. Nicht-triviale Schaltkreise, an denen komplexe ICs beteiligt sind, können jedoch häufig eine Herausforderung für das Modell darstellen. LTSpice IV ist ein beliebter Simulator und die meisten LT-Teile haben kostenlose SPICE-Modelle zum Download zur Verfügung. Ich wollte die TRIAC-Trigger-Schaltung simulieren und wollte ein Modell für die Zener-Diode finden. TI bietet keine Modelle für den LM431, aber sie bieten mehrere für den TL431, die ein ähnliches Schaltungsverhalten haben sollten.

Nachdem ich versucht habe, die HSPICE- und PSPICE-Modelle mit glanzlosen Ergebnissen an LTSpice anzupassen, habe ich TINA-TI (TIs Geschmack des SPICE-Simulators) heruntergeladen und das verschlüsselte TINA-Modul des TL431 verwendet. Meine transiente Analysedatei befindet sich in der ZIP-Datei am unteren Ende der Seite im Sim- Verzeichnis.

TINA-Schema

1 ms transiente Analysesimulation (klicken für volle Größe)

Aus der transienten Analyse können wir sehen, dass, sobald die Eingangsspannung gerade 6 V erreicht, der Zener zerfällt und die TRIAC-Gate-Spannung auf 1, 8 V fällt, was unterhalb der Gate-Schwellenspannung für den Q3-Betrieb ist TRIAC beginnt zu leiten und zu verriegeln, bis die Sicherung durchbrennt.

Layout

Diese Schaltung soll klein und unauffällig sein. Es ist dünn und lang (13mm x 37mm), wodurch es möglich ist, zwischen dem Regler und dem Wandboard inline zu verlöten. Die LED ist technisch optional, aber Sie können einen kleinen Schlitz in den Schrumpfschlauch schneiden, damit die LED herausschaut, um Ihnen eine visuelle Anzeige der Konnektivität zu geben.

PCB-Layout in KiCad

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Designdateien

Alle Designdateien sind auf Github oder als eigenständige ZIP-Datei verfügbar. In der ZIP-Datei sind die Schaltplan-, Layout- und BOM-Dateien sowie Bauteilbibliotheken und Datenblätter enthalten.

Code herunterladen

Vorwärts gehen

Die letzte Komponente, die für das Stromversorgungssystem entworfen wird, ist eine Stromverteilungsplatine, an die die Batterien angeschlossen sind. Es ermöglicht ein schnelles Austauschen der Batterien, ohne dass irgendetwas abgeschaltet werden muss, und enthält Überwachungsschaltkreise für Batteriespannung und -strom, die über eine Standardschnittstelle wie SPI oder I 2 C kommunizieren können. Wir müssen auch die zuvor entworfenen Boards bespielt und testen ihre Funktionalität. Danach beginnt das Software-Design. Bis dann … gleiche Fledermauszeit, gleicher Fledermauskanal!

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