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电流传感器搭建的纯硬件过流保护电路

发布时间:2019-09-04 阅读:94

    电流传感器也称磁传感器,可以在家用电器、智能电网、电动车、风力发电等等,在我们生活中都用到很多磁传感器,比如说电脑硬盘、指南针,家用电器等等。
    在电源及电机控制中常用到过流保护功能,这需要对电流进行采样。同时,如果用单片机实现检测电流进行保护的话需要消耗大量CPU时间,因此我用硬件电路设计了一种带自锁功能的过流保护模块,这对于过流保护可以实现模块化,方便使用。该模块采用ACS712霍尔传感器采集电流,可将正负过流保护值可以分开来设定,将输出转为0-3.3V的电压,方便DSP采样,zui后绘制了PCB,制作了出来。
    一、电流采样电路的设计
    1、采样电路的比较
    电流采样电路通常有“高(压)端电流采样”和“低(压)端电流采样”和“霍尔传感器采样”三种采样电路,如下图所示,给出高端和低端两种采样电流形式。
    (1)高端电流检测具有如下特点:
    优点:可以检测区分负载是否短路、无地电平干扰
    缺点:共模电压高,使用非专用分立器件设计较复杂、成本高、面积大
    (2)低端电流检测具有如下特点:
    优点:共模电压低,可以使用低成本的普通运算放大器
    缺点:检测电流电阻的引入地电平干扰,电流越大地电位干扰越明显,有时至会影响负载
    (3)霍尔传感器采样具有如下特点:
    优点:对采样信号进行隔离,适合大功率场合
    缺点:易受到电磁干扰的作用
    本设计考虑到通用型,同时整个系统电流采样保护都与控制部分隔离的情况,采用霍尔电流传感器ACS712进行电流采样。
    二、转换为0-3v输出信号调理电路的设计
    ACS712采用单电源5V供电,输出具有很好的线性度,如下图所示。
    可以看出,当检测电流为0A时,输出2.5V,当电流为+5A时输出电压3.5V,当电流为-5V时输出为1.5V,具有很高的线性度。但是通常DSP的AD采样量程时0-3.3V的,这就需要运行进行调理,转换为0-3.3V之间的电压。注意,由于运放是单电源5V供电,因此需要用轨对轨运放,如LMV358。
    由于ACS712输出带载能力有限,通常采用一级电压跟随提高带载能力。之后在后级先用电阻分压,再送入同相比较端,同相放大一倍。分压电阻R2、R3需要先将0-5V的电压分为0-1.5V的电压,因此电阻比为3:7。在后级同相比例放大两倍即为0-3V之间的电压值。
    三、比较及锁存保护电路的设计
    本设计的重点在于当出现过流后能自动切断输出,并保持切断的状态。这就需要对电流信号进行比较和对输出信号进行锁存。本设计考虑到正负过流保护值可能不同,同时触发器通常有两路输入输出,因此设计了两路保护电路,通过按键进行复位。
    1、过流保护电流值的设定
    为设定比较值输出端,分别对应正过流保护和负过流保护,其中的可调电阻器zui大阻值为10K。由于ACS712的输出在电流为向时为2.5V-5V,在电流为负时为0-2.5V,因此设定比较值也应该在这两个范围内。以2.5V-5V输出为例:当可调电阻器阻值为0欧时,输出5V;当可调电阻器阻值为zui大10K时,输出为2.5V。
    2、锁存及复位电路的设计
    为比较和锁存部分电路,用到D触发器74HC74和电压比较器。74HC74是一种双D型触发器,有设置和重置引脚,正脉冲触发。此处直接用运放当作比较器用,需要注意的是运放通常是推挽输出,比较器是集电极开路输出,若换做比较器的话,需要加上拉电阻,可以实现“线与”。
    74HC74的控制逻辑所示,本次设计用到的小表中黄色强调部分的逻辑。当电流小于设定的过流保护值时,比较器输出为低电平。一旦出现过流,比较器输出高,产生上升沿到74HC74的CP端,数据位的高电平被锁存到输出端Q,反相输出端 输出为低电平。
    当复位按键被按下时, 为低电平有效,表现为表中绿色部分逻辑,输出端Q为低电平,与保护时逻辑反相。
    以上控制部分逻辑通过Multisim进行了仿真,其中所有的模拟量给的是通过电阻分压给的,仿真电路如下:其中R1为模拟ACS712的输出,R4为负过流保护设定值,R5为正过流保护设定值。
    3、外部控制信号输入
    为了方便DSP/MCU控制继电器,如下电路实现了控制信号和两路过流信号的“或”逻辑运算,通过Multisim仿真可以看出,只要任意开关闭合(被置为高电平),输出变为低电平。
    四、继电器驱动及指示部分设计
    为P沟道MOSFET驱动继电器电路图,由于74HC74输出驱动能力有限,输入输出电流只有20mA,而继电器通常要求驱动能力为100mA以上,因此可以通过如下驱动P沟道Mosfet的方法提高带载能力:当SAFE+、SAFE、-SD端都为低电平时,DRIVE端为高电平,Q1的GS端电位为0,MOSFET关断;当DRIVE端为低电平时,MOSFET导通,驱动继电器动作。
    由于继电器铁芯有电感作用,因此在需要反并联二极管续流。当关断时,二极管导通,提供续流通道。
    五、电流电压传感器使用注意事项
    1、电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额,会损坏末极功放管(指磁补偿式),一般情况下,2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。
    2、电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1,以使原边得到额定电流,在一般情况下,2倍的过压持续时间不得超过1分钟。 
    3、电流电压传感器的zui佳精度是在原边额定值条件下得到的,所以当被测电流高于电流传感器的额定值时,应选用相应大的传感器;当被测电压高于电压传感器的额定值时,应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时,为了得到zui佳精度,可以使用多绕圈数的办法。 
    4、绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中,6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中,注意不要超压使用。 
    5、在要求得到良好动态特性的装置上使用时,zui好用单根铜铝母排并与孔径吻合,以大代小或多绕圈数,均会影响动态特性。 
    6、在大电流直流系统中使用时,因某种原因造成工作电源开路或故障,则铁心产生较大剩磁,是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源,在原边通一交流并逐渐减小其值。 
    7、传感器抗外磁场能力为:距离传感器5~10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流,所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时,相间距离应大于5~10cm。
    8、为了使传感器工作在zui佳测量状态,应使用图1-10介绍的简易典型稳压电源。
    9、传感器的磁饱和点和电路饱和点,使其有很强的过载能力,但过载能力是有时间限制的,试验过载能力时,2倍以上的过载电流不得超过1分钟。 
    10、原边电流母线温度不得超过85℃,这是ABS工程塑料的特性决定的,用户有特殊要求,可选高温塑料做外壳。





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