Hjälp med 400V DC galvanisk avkänning

[_stefan]

Hej forumet.
Sitter och funderar på hur jag skulle kunna lösa detta problem.

I en elektrisk bil jag med kamrater bygger på vår skola har vi 2 separata elektriska system.
Ett högspänningssystem (ca 380VDC fulladdat) med batterier och motorer för framdrivning och ett lågspänningssystem (12VDC) för all logik, CPU, lampor, instrumentpanel o.s.v

Vi behöver lägga till en analog krets som ger signal till lågspännings-systemet när spänningen i högspännings-systemet överstiger 40VDC.

Nuvarande lösning är att vi har hittat en optokopplare som klarar att leda signal i strömområdet 5-50mA och så har vi helt enkelt strömbegränsat med ett motstånd (runt 7,6k Ohm) på högspänningssidan.
Detta betyder att vid 380VDC avger motståndet för strömbegränsningen konstant 19W och det blir ordentligt varmt i vår låda.

Har någon en ide på hur vi skulle kunna detektera en spänning över 40VDC och sedan ge signal till lågspänningssystemet.
Kretsen MÅSTE vara galvaniskt isolerad och jag antar att en optokopplare är enda sättet att föra över signalen från högspänning till lågspänning?

Jag har tittat på diverse enkla kretsar med zener-dioder men jag förstår inte hur jag ska göra för att klara av ett såpass brett spänningsområde som 40-400VDC.

Alla tips på ideer mottages med tacksamhet, Ha det gott

[MiaM]

Den absolut energieffektivaste kretsen vore någon slags switchad omvandlare.

Eftersom optokopplaren klarar sig med 5mA så kan du köra en linjärreglerad konstantströmdrivare, effektutvecklingen i en transistor bör bara bli 2W om jag räknar rätt. En sådan krets är klart enklare att bygga.

Nu chansar jag på att 40V bara är ett ungefärligt värde och det ni vill detektera är om det finns "en del spänning eller inte". Gissar jag rätt?



I ert fall bör DZ1 ligga på omkring 35-40V, R2 dimensioneras för att det ska gå 5V vid 35...40-0,7V, alltså spänningen över DZ1 minus spänningsfallet bas-emitter i transistorn. R1 dimensioneras så att du vid strax över 40V in, alltså bara några volt över motståndet, har en ström som motsvarar 5mA delat med transistorns minsta garanterade strömförstärkning. DZ1 måste också tåla så mycket effekt som det blir vid dem ström som R1 ger vid 380-400V in (alltså 340-360V över R1).

Sen gäller det 'bara' att hitta en transistor som tål 5mA vid 340-360V. Om du råkar hitta en PNP-transistor istället för NPN-transistor så är det "bara" att vända upp-och-ned på kretsen.

Den stora nackdelen med denna koppling är att den exakta gräns där optokopplaren börjar leda beror på rätt många mer eller mindre osäkra faktorer som t.ex. vilken exakt strömförstärkning det exemplar av transistor du bygger med (vilket också är temperturberoende), vid vilken ström optokopplaren verkligen i praktiken börjar leda vid (ofta lite lägre än angivet, och också lägre om du kör lägre ström genom utgången på optokopplaren än vad den är specad att klara).

[limpan4all]

Jag hade gjort en spänningsdelarkoppling (motståndsstege helt enkelt).
Från denna motståndsstege så hade jag tagit ut två spänningar som jag sedan jämfört mot en referensspänning (eller två om man vill lyxa till det) med hjälp av analoga komparatiorer (speciell form av OP-amp).
Då kan du få detektering med Volt noggrannhet (eller millivolt om du behöver men då sticker priset iväg) enkelt du kan få valfri hysteres och det kostar inte mer än ca 30:-. Späningsmatningen kan du lösa med en svitchad omvandlare, de flesta konsumentomvandlare (väggvårtor) hanterar DC utan problem.
Utgången från komparatorerna driver sedan optokopplarna i rent digital form on eller off.
Strömförbrukningen torde hamna på storleksordningen 100mW maximalt.

[Krille Krokodil]

Eftersom att du redan har en mätkrets och en CPU är nog enklaste lösningen
att styra ett halvledarrelä som spänningssätter mätkretsen bara i korta pulser
när ett mätvärde skall samplas.

https://www.elfa.se/elfa3~se_sv/elfa/in ... &toc=19081

Fulhacket hade varit att löda in sig på väggvårtan och mäta duty cykeln

[Icecap]

Ett enkelt sätt är att ta en optokppplare och mata med en väldig låg ström. En optokopplare har et CTR på 50-100% för de billigare typer, utgår man från 50% betyder det alltså att en ström på LED'n på 1mA ger en ström i mottagaren på 0,5mA.

Vid 40V blir noggrannheten låg men kan kalibreras till den inviduella optokopplare om man uteslutande har ett förkopplingsmotstånd. Motståndet blir då på 38k, närmsta standardvärde är 39k och det duger utmärkt.

Vid 400V blir det 10mA genom optokopplaren och en förlust i motståndet på 4W - vilket jag tycker är för mycket.

Så den lösningen jag hade gjort blir en seriekoppling:
Först optokopplarens LED, sedan en zenerdiod för att ge en något så nära detektering av 40V. Sedan en konstantströmskoppling (två transistorer + 3 motstånd) som drar 1mA. Totalt sett kommer detta att elda upp 0,4W vid 400V vilket känns ganska överkomligt.

[gkar]

Jag hade löst det med TL431. Enkelt, billigt, stabilt och beprövat.
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND381-D.PDF

[danei]

Varför måste den vara analog? På beskrivningen låter det mer digitalt.

Sen är lågspänning allt under 1500Vdc. Det du kallar lågspänning brukar kallas klenspännig.

[xxargs]

Man använde även optokopplare för att övervaka linjespänningen på telefontråden - där var seriemotståndet i området många 100 kOhm - kanske MOhm då man fick knappt dra någon ström alls från linjen om man skall klara de olika godkännanden som fanns då.
.

med andra ord behöver det inte gå många mA genom en optokopplare om man på trasistorsidan ser till att ingången har tillräkligt hög impedans - men även här finns det gränser - ju högre impedans - ju känsligare blir detta fånga upp störningar på transistorsidan och det blir allt nogrannare med filtering - analogt och/eller på programsidan

[bearing]

Du skulle kunna sätta en optokopplare även åt andra hållet, d.v.s från logiken. Logiken får aktivera optokopplaren med jämna mellanrum, och sedan läsa den andra optokopplaren. Då spelar det inte någon roll ifall det bildas mycket värme, eftersom att förhållandet mellan läsning/väntan borde kunna göras kort.

Jag skulle för övrigt också använt LT431, eller liknande lösning, för att få en tydligare signal än att förlita sig på optokopplarens överföringskurva.

[TomasL]

Använd Avagos HNCR optokopplare, då kan du på ett mycket tillförlitligt sätt mäta spänningen på din "höga" sida.
(till skillnad från vanliga optokopplare, där du i princip bara vet att du har spänning eller inte).

[Glycol79]

Skulle man inte kunna mäta strömmen istället, med en vanlig strömtrafo runt kabel med 380VDC. När systemet med 380VDC är tillslaget måste ju någon ström flyta i matande kabel. Strömtrafo kopplad till analog ingång på µC, ställ in lämpligt tröskelvärde och dra ett relä?. Då är allt galvaniskt avskiljt.

[TomasL]

Nej det går inte, eftersom det är DC, dock kan finns det strömgivare för DC, dock återstår den galvaniska isoleringen.

Den snyggaste och bästa lösningen (som jag ser det) är att använda Avagos optokopplare med lämplig drivelektronik.

Dock kanske Jesse kan ha lite input i denna fråga, eftersom han har livnärt sig på detta under ett par år.

[prototypen]

TS har gjort ett inlägg och här gissas det hejvillt.
På kretsen med 380 volt ska det indikeras runt 40 volt, kör man ner batterierna till 40 volt så måste de lida väldigt stryk.

Ska 40 kanske vara 400?

Som flera andra tänkte jag direkt att man mäter under en kort stund för att minska effektförlusten.

Protte

[TomasL]

Med lämpligt utformad mätkrets, kan man problemfritt mäta kontinuerligt, utan problem.

Det är egentligen inte speciellt svårt, dock kräver de en del (iofs billig) elektronik.

[_stefan]

Tack för grymma svar och Danei, anledningen till mina benämningar var för att tydligt skilja de båda sidorna åt. I relation till varandra är dom hög vs. låg. Hade jag själv fått bestämma regler hade vi såklart kört 380V-jorden i ramen och kört toalettpapper som isolering. Då hade det varit mer spänning i startmomenten när det regnar ^^

Hursomhelt, jag vill att indikeringen av högspänning skall ske konstant pga "regler" för klassen vi bygger i.
På lågspänningssidan skall optokopplaren dra en mosfet som i sin tur aktiverar en lampa som sitter placerad ovanför förarens hjälm i ramen.

Lampan skall vara en tydlig analog indikator på att spänningen är minst 40V i högspänningssystemet. Vid eventuell olycka eller aktiverande av diverse nödstopp och säkerhetssystem skall reläer på både plus och minuspol deaktiveras i batteriet. Självklart kan vi mäta spänningen i systemet med multimeter, men lampan är som sagt en bra och enkel varningssignal.

Detta är en bild där man kan se lampan, bilen är från Zurish Universitet:


Varför området 40V-380V?
Pga regler återigen, men högspänningssystemet består dessutom av ett ordentligt kondensatorbatteri som vi "laddar upp" genom att strömbegränsa vid tillslag. Då stiger spänningen under ca 10 sek från 0-380V. Vid deaktivering bränner vi energin i motstånd för att få ett spänningslöst system och då är det enkelt att se på lampan om allt verkar fungera som det ska. Dock mäter vi ju såklart också innan vi rör några spänningsförande delar.

Jag har alltså inget intresse alls av att få spänningen presenterad som ett värde utan endast att dra min optokopplare över ca 40V. Värden på spänning + ström får jag ur vårt batteriövervakningssystem.

Jag fastnade för MiaM's krets då jag tycker den var så enkel och smart plus att den använder sig av komponenter jag har liggandes. Dock krävde den flera timmars funderande för att förstå hur det egentligen blir över transistorn. Att en transistor kan begränsa ström är i mitt huvud en otroligt konstig företeelse men jag sitter i skrivande stund och provkopplar och i helgen skall det förhoppningsvis testas med högspänningen.

Bild på MiaM's krets:


TomasL's linjära optokopplare är inte heller dum, och lägga till lite logik på lågspänningssidan som tänder vid ca 10% av max ledningsförmåga. Jag ska titta lite till på dessa optokopplare.

Återigen tack!