Можно ли сделать датчик короткого замыкания для батарейного питания?

В следующей схеме используется недорогой монитор токового шунта (AD8210) и ряд компараторов, соответствующих вашим требованиям. Я использую отдельную батарею 9 В для питания тестовой схемы, так что даже если основная батарея полностью выйдет из строя, тестовая схема все равно будет работать. Это также позволяет тестовой схеме работать с основной батареей в диапазоне от 3 В до 12 В, не требуя повышающе-понижающего преобразователя для создания необходимых 5 В. Вместо этого я использую недорогой стабилизатор типа 7805 в корпусе ТО-92, поскольку потребляемый ток составляет всего несколько десятков миллиампер, когда горит один или несколько светодиодов, и микроампер в остальных случаях.

(Щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Просмотреть изображение», чтобы увидеть увеличенную версию этой схемы.)

Шунтирующий резистор R1 сопротивлением 0,2 Ом создает минимальную нагрузку на цепь, снижая напряжение батареи всего на 0,1 В при нагрузке 500 мА. Микросхема токового шунта IC3 измеряет напряжение на резисторе, усиливает его с коэффициентом усиления 20 и выдает напряжение, пропорциональное току на выводе 5.

Например, падение напряжения 100 мВ на резисторе при нагрузке 500 мА приводит к тому, что микросхема выдает на выходе напряжение 2 В. Соотношение составляет 20 вольт на вольт на шунтирующем резисторе или 20 В/В, как я указал на схеме.

Аналогично, нагрузка всего 50 мА приведет к выходному напряжению 200 мВ. Поэтому я настроил зеленый светодиод для включения этого порога, а именно 50 мА, что указывает на некоторую активность. Если вы хотите, чтобы оно было ниже, вы, конечно, можете отрегулировать номинал резисторов R11/R12.

Все эталонные значения компаратора устанавливаются с помощью делителей напряжения с использованием высокоомных резисторов, чтобы избежать нагрузки на батарею.

Компаратор для короткого замыкания IC2B настроен таким образом, что он срабатывает при нагрузке 500 мА (2 В). Очевидно, что это не полное короткое замыкание, но представляет собой большой ток. Опять же, вы можете настроить вещи по мере необходимости. С токовым шунтирующим резистором можно точно измерить только до 1,25 А. Если вам нужно отключиться при значении выше этого, вам нужно переключить шунтирующий резистор на 0,1 Ом и соответствующим образом настроить все делители напряжения. Я выбрал 0,2 Ом, чтобы было достаточно напряжения для измерения слабого тока для зеленого светодиода.

Вместо того, чтобы зажигать красный светодиод напрямую, выход IC2B устанавливает триггер IC5A. Это, в свою очередь, отключает Q2, который, в свою очередь, отключает Q1, разрывая путь к цепи под нагрузкой, чтобы батарея больше не была закорочена, избегая возможного повреждения схемы. Установленный триггер также включает красный светодиод и выключает зеленый светодиод. Чтобы восстановить питание цепи от батареи, необходимо нажать кнопку RESET, сбрасывая триггер.

Нижний компаратор предназначен для желтого светодиода. В зависимости от резистора, используемого для R8, он загорится, если напряжение батареи будет выше 3 В (фактически порог 3,5 В) при номинале резистора 105 К или выше 6 В (порог 6,5 В) при номинале резистора 237 К. Схема допускает напряжение батареи от 3 В до 12 В, поскольку перед сравнением напряжение батареи делится на 4 резисторным делителем R4/R5.

Хотя я этого не показывал, вы можете добавить переключатель DPDT для одновременного включения и выключения обеих батарей.

Очевидно, это можно сделать с помощью микроконтроллера, но вам все равно потребуется большая часть схемы ввода/вывода: шунтирующий резистор и микросхема, два управляющих полевых МОП-транзистора, три светодиода (и, возможно, еще три полевых МОП-транзистора для их управления), плюс батареи и нажать кнопку. Таким образом, экономится не так много (три компаратора, логический элемент И-НЕ, триггер и несколько резисторов и конденсаторов). Я считаю, что подобная схема демонстрирует решение лучше, чем показ кучи кода (если он вообще включен в ответ). В конце концов, это сайт EE.

Моя первая реакция - сделать это более осторожно, чем предлагали другие, особенно потому, что кажется, что вы намереваетесь сделать это реальным продуктом.

Я думаю о модуле питания, в который вы вставляете кучу батареек типа АА, который затем обеспечивает разумно регулируемое напряжение 5 В через понижающий регулятор. Возможно, вы сможете найти готовую микросхему понижающего регулятора, которая также может ограничивать ток, но я бы сделал это с микроконтроллером, поскольку вам нужна куча других функций. Микросхема будет управлять понижающим переключателем с выхода ШИМ, а прошивка обеспечит управление напряжением с обратной связью. Прошивка также будет следить за током и делать ограничение по току. Поскольку он знает, находится ли он в режиме регулирования напряжения или в режиме ограничения тока, микропрограмма может легко зажечь светодиод и включить звуковой сигнал во время ограничения тока.

Микросхема будет регулярно измерять напряжение батареи и выдавать предупреждение о низком заряде батареи. Я бы, вероятно, тускло горел зеленым светодиодом, когда устройство включено, и мигал бы, когда батареи садятся.

Одним из преимуществ использования понижающего преобразователя является то, что он фактически не потребляет чрезмерный ток от батарей при коротком замыкании на выходе. Это устройство было бы довольно прочным, и ребенок мало что может сделать, чтобы повредить его.

Что касается обнаружения нескольких связанных друг с другом запасов, то это невозможно только внутри одного из запасов.

Самое простое решение — одиночный светодиод, который горит, когда короткого замыкания нет, и гаснет, когда есть. Чтобы обеспечить ограничение тока, подойдет одиночный предохранитель или сбрасываемый PPTC. В отличие от обычного предохранителя, который перегорает и требует замены, PPTC видит ток короткого замыкания и начинает увеличивать сопротивление. Удалите короткое замыкание, и он начнет остывать и вернется в нормальное состояние с низким сопротивлением. Просто подберите его для типичного тока вашего комплекта.

Все предыдущие ответы, безусловно, работают, и, что очень интересно, каждый из них демонстрирует совершенно другой подход к этой проблеме.

Я хотел бы предложить другой, который

• довольно просто,
• по "классической" схеме,
• используются только наиболее распространенные детали: резисторы, транзисторы, светодиоды и (за бонусные баллы!) стабилитрон.

Тем не менее, обратите внимание, что я никогда не собирал эту схему сам , и, поскольку я новичок в этой электронике, я, возможно, понял это совершенно неправильно.

Теперь давайте начнем с мяса схемы:

Ограничитель тока

Чтобы понять, как это работает, сначала вспомните 2 вещи о транзисторах:

• Ток, вытекающий из коллектора, может примерно в 100 раз превышать ток, вытекающий из базы.

• Ток течет от базы до тех пор, пока база смещена примерно на 0,7 В ниже эмиттера: переход «база-эмиттер» ведет себя так же, как любой кремниевый диод.

(Это для транзисторов PNP; для NPN просто замените «из» на «в» и «ниже» на «выше».)

Пока нагрузка (между Vout1 и Gnd1, здесь не показана) не пытается потреблять более 100 мА, напряжение на клеммах R7 составляет менее 680 мВ, поэтому Q4 недостаточно смещен : он блокируется. Затем R8 вытягивает ток из базы Q3, и поэтому Q3 включается: напряжение между его коллектором и эмиттером низкое, и через него протекает столько тока, сколько необходимо.

Теперь, если нагрузка пытается потреблять более 100 мА, напряжение на R7 становится достаточно высоким, чтобы смещать Q4, поэтому вместо этого избыточный ток будет течь от базы Q4 . Это включает Q4 и поднимает основание Q3 вверх, так что основание Q3 больше не смещается*. Теперь Q3 переходит в «запирающий» режим, падение напряжения между его коллектором и эмиттером увеличивается, что ограничивает напряжение на нагрузке.

*в этом случае ток через R8 поступает от Q4, а не от Q3

В конечном счете, эта схема регулирует напряжение между Vout и Gnd так, чтобы нагрузка потребляла не больше тока, чем 0,7 В на R7.

Полная схема

Вот полная схема со светодиодами:

Красный светодиод: в случае короткого замыкания напряжение на Q1 увеличится (от почти нулевого до почти напряжения питания), поэтому загорится красный светодиод. В противном случае напряжение на Q1 будет намного меньше, чем прямое напряжение светодиода (около 2 В): светодиод погаснет.

Зеленый светодиод: он всегда будет включен. Можно заставить его отключаться в случае короткого замыкания, но это добавит 2 транзистора, и я не думаю, что это полезно.

Желтый светодиод: он загорится, как только напряжение питания превысит напряжение Зенера плюс прямое напряжение светодиода (я бы сказал, около 2,5 В).

Опять же, я не уверен на 100%, что это сработает, поэтому буду рад любым комментариям по этому поводу!