Strömbegränsning, hur fungerar det egentligen?

[Magnus_K]

Hej!

Jag har läst runt lite om strömbegränsning men poletten vill inte riktigt trilla ner.

För det första; vad är skillnaden på strömbegränsning och konstantströmsgenerator i en krets?

För det andra; går det ha strömbegränsning utan effektförluster? I så fall hur? Och om det går, varför används inte alltid detta?

Jag skulle verkligen uppskatta om någon kan förklara för ett yxskaft vad det handlar om egentligen.
Misstänker det finns lite grunder som jag helt saknar men hoppas på att någon vänligen kan upplysa mig om.

[Klas-Kenny]

Skillnad mellan strömbegränsning och konstantströmsgenerator - i grunden ingen alls.

Strömbegränsning är i princip en konstantströmsgenerator med begränsad utspänning, där man då belastar för lite för att uppnå konstantström.
Sen kan konstruktionerna se lite olika ut för att få fram vissa specifika för och nackdelar med dem beroende på vad man tänker använda det som, men i grunden är det samma sak.

Strömbegränsning utan förluster - HELT utan förluster är omöjligt, det går inte vara utan förluster någonstans. Men visst går det att göra väldigt effektiva strömbegränsningar eller konstantströmsgeneratorer, switchande sådana.
Men då får man precis samma problem som med switchande spänningsaggregat, rippel, störningar, instabilitet och annat. Vilket är varför det inte används i ex. labbagg, precis som att man inte använder switchande agg för spänning där.

Men switchande konstantströmsgeneratorer finns ju absolut, vanligt i belysningssammanhang och sådär med LED.

[Magnus_K]

Oj, snabbt och bra svar Klas-Kenny, tack för det.

Du skriver "Strömbegränsning är i princip en konstantströmsgenerator med begränsad utspänning, där man då belastar för lite för att uppnå konstantström."

Bra, det är det här jag inte blir klok på, tror jag. Kan man se det som att om I ökar så måste antingen P ökas eller U minskas för att bibehålla I. Dvs, man får välja mellan att sänka spänningen eller ta ut mer effekt?

Ber om ursäkt om det blir lite kryptiskt skrivet men det är så jag tänker.
Jo jag var lite otydlig där angående "helt utan effektförluster" för det förstår jag att det inte går. Jag menade nog mer det du nämner om switchade lösningar med mera, dvs öka effektiviteten.

Om man bortser från switchade lösningar, som jag inte förstår mig på än, vad är "motsatsen"? Kallar man den analogt?
Hur som helst, hur ser en bra/smart/vettig analog lösning i så fall ut? Vill man ha effektförlust i resistorer, trissor eller annat?

[Klas-Kenny]

"Bra, det är det här jag inte blir klok på, tror jag"

Alltså, säg att du tar en konstantströmsgenerator, och så matar du den med tex. 10V, du kan alltså ta ut max 10V ur den (vi förutsätter att den kan ge ut så hög spänning som den matas med, i verkligheten kanske man inte kan riktigt det beroende på konstruktionen, men det är utanför poängen). Nu ställer du in den på att driva 1A konstant.

Sen belastar du den med 1kOhm, vad händer då?
Generatorn försöker att driva 1A genom motståndet, detta genom att höja utspänningen. Men den kommer inte längre än till 10V, vilket inte ger i närheten av 1A för den här lasten. Men den kommer inte högre än så, så det är där den landar.

Byter du nu last till 1 ohm, så kommer den att "begränsa" utströmmen till inställda 1A, vilket ger en spänning på 1V. Och nu så jobbar den då som konstantströmsgenerator tills dess att lasten minskat igen, så att den inte klarar att driva igenom 1A som den vill.

"Om man bortser från switchade lösningar, som jag inte förstår mig på än, vad är "motsatsen"?"

Linjärt.
Du har säkert hört talas om "linjära nätaggregat" och "linjära spänningsregulatorer". Benämningen kommer ifrån att förlusteffekten har ett linjärt förhållande till belastningsströmmen (P=U*I, U över en spänningsregulator är konstant, om I ökar så ökar även förlusteffekten P linjärt). Och det gäller alltså även strömgeneratorer.

Sista frågan är väldigt beroende på applikation, orkar/hinner inte gå in på det ikväll.

[Nerre]

Det stämmer att det är spänningen som ändras för att styra strömmen.

Ett spänningsaggregat med strömbegränsning har konstant spänning upp till strömgränsen, när strömgränsen nås sänks spänningen så strömmen inte ökar mer.

En konstantströmsgenerator reglerar spänningen för att få en konstant ström, men den har en max-spänning så har lasten för hög resistans så kan den inte driva önskat ström.

[MiaM]

Som redan nämnts så är det i princip ingen större skillnad mellan strömbegränsning och konstantströmgenerering.

Skillnaden är mer de praktiska tillämpningarna. Strömbegränsning kallas det normalt när det är ett överbelastningsskydd, medan konstantströmdrivning kallas det oftast där man av någon anledning behöver en viss given ström. Överströmskydd behöver ju ofta inte vara alls så exakta som en konstantströmdrivning.


Switchad reglering kan gravt förenklas förklaras som att man styr strömmen/spänningen helt av/på så att man får ut en fyrkantvåg, och så väljer man en rätt hög frekvens och sen kör man den genom ett LC-lågpassfilter så att det blir en likspänning/likström. Pulsbredsförhållandet avgör (i stort sett) utspänningen/utströmmen.

[Icecap]

Om vi tar exemplet med en labb-strömförsörjning.

Där ställe man in att man vill ha t.ex. 20V ut. Samtidig ställer man in att den inte får ge mer än kanske 100mA.

Detta betyder att det finns ett kretslopp som "mäter" strömmen som går ur aggregatet och blir det över det inställda värde (här 100mA) skruver den bit av kretsloppet ner för spänningen som går ut till att det passar med 100mA.

Detta betyder att om du klappar på ett motstånd på klämmorna på 10 Ohm, då kommer kretsloppet att sänka spänningen till (0,1A * 10 Ohm =) 1V. När den når den spänning är det balans mellan tillåtna strömmen och belastningen.

[SvenW]

Se också
http://en.wikipedia.org/wiki/Foldback_( ... ly_design)

[xxargs]

Strömgeneratorer eller strömgeneratorkopplingar används i andra sammanhang som man inte ser med just nätaggregat (eftersom den har mer eller mindre stor kondensator på utgången för att kortsluta högre frekvenser).

det är vid tex. signalbehandling där man tex vill mata in signal på en krets/slinga _utan_ att påverka dess impedans

en ganska vanlig lösning inom RF för tex. förstärkning och drivning mot kristallfilter - för där vill man ha drivningen högimpediv fast den matar på en massa effekt in i systemet och man har separat kapacitans och induktans samt resistans i olika kopplingar på var sida om filtret för att kunna trimma impendansen som kristallen måste 'se' utåt för att fungera bra - och då kan impedansen på den modulerade strömgenerator ligga på hundratals kOhm fast den matar mW i effekt mot kristallen och kristallen själv ligger på enstaka kOhm i impedans - oftast av komplex typ.

jag har gjort liknande 'injektorer' med strömspeglar (som arbetar som strömgeneratorer) för att tex. injektera testsignaler på telefonledningar utan att påverka dess impedans (vilket krävs för att gafflarna i ändarnas telefoner skall hålla isolationen så att den som pratar i telefonen inte hör sig själv för mycket) och även i mixerkopplingar så kan man använda tekniken då det inte blir nivåändring när fler parter kopplas via switchar (elektronsk swith eller rent fysisk inkoppling) till en punkt som det annars blir om man kör summatorkoppling (tänk flerpartssamtal inom telefoni)

alla är väldigt vana att tänka att signalkällan är en nära 0 Ohm i inre resistans spänningskälla där nivån hålls även när man kopplar in olika laster med varierande värde vilket gör att en del kopplingar blir väldigt knepiga (tex koppla två OP-amputgångar till samma punkt och inte mata signal till varandra eller kortsluta den andres signal) och som är enkla att lösa om man tänker i strömgeneratorkopplingar

[Marta]

Håller inte riktigt med om att konstantström och strömbegränsning är samma sak. Många aggregat som är strömbegränsade som kortslutningsskydd har foldback på strömgränsen, så när spänningen sjunker så sänks maximal utström.

Speciellt vid linjära aggregat med fast utspänning (inte gjorda för att bränna av all effekten i serieregulatorn eller sänka råspänningen) på något tiotal volt och uppåt är detta vanligt för att förhindra att något blir väldigt varmt.

Nackdelen är att det ger negativ impedans och risk för problem med laster som slukar ström vid uppstart, en liten tidskonstant innan strömgränsen dras ner kan förekomma för att undvika detta.

Så konentan är IMHO att konstantström != strömbegränsning.

[RoPa]

@Marta Då kanske dessa inte ska kallas strömbegränsande utan förlusteffektbegränsande?
Konstantström != Strömbegränsning är sant men det är ett bra sätt att förklara ämnet, men många strömbegränsningskopplingar är just av typ konstantströmsgeneratorer.
I variabla labb agg är det vanligt då de kan användas som spänningsaggregat och eller som strömaggregat.
Men det är riktigt att det som kallas kortslutningsskydd som kan hittas på fasta agg inte behöver bete sig som konstantström, vissa av dessa har en kraftig hysteres då "kortslutningen" betraktas som ett fel och en öppen krets I=0 ibland krävs för att den ska släppa.

Analogt är ofta benämning på något där storheter kan anta värden fritt med oändligt små steg, digitalt (binärt) kan bara ta två värden (men om de mäts analogt så ser man att det handlar om två värdeområden).
En switchad koppling är dels linjär i sig och uppfattas linjär av omvärlden (om den har tillräcklig filtrering) men då den internt huvudsakligen över tid befinner sig inom två värdeområden (till/från) så benämns den ofta som switchad vilket egentligen bara är en kretskonstruktion.
Finessen är att genom att arbeta med AC (vid hygglilgt hög frekvens) så kan man använda Spolar och Kondensatorer (LC, ref. MiaM) som begränsare, och om dessa skulle kunna vara ideala (ingen intern R) så uppstår ingen förlust, all energi i laddning i kondensatorn kommer ut igen och hela magnetfältets energi i spolen kommer ut igen, så bra blir dock inte verkligheten.
Med DC (den så kallade linjära metoden) så är man förvisad till resistiva element och dessa har som bekant en del förlusteffekt

[Nerre]

Gjorde ett försök att rita några illustrerande kurvor, foldback syns inte så bra men tanken är ju att den ska jämföras med den vanliga strömbegränsningen, eftersom den sänker strömgränsen så blir det brantare sänkning.

Men vet inte om jag tänkte rätt på alla kurvorna, ritade först en kurva över last och ström men insåg att den sa ju ingenting. Så ritade jag en över spänning och last, men det kändes som det saknades nåt. Så insåg jag att om jag ritade både ström och spänning kanske det blev tydligare.

[Magnus_K]

Ledsen att jag varit så inaktiv i min egna tråd men det är lite körigt just nu och jag vill inte bara hasta igenom det här.
Uppskattar verkligen all tid ni lagt ner på att förklara och lovar att återkomma så snart som går!

[Magnus_K]

Ok.

Vet inte hur jag ska gå tillväga utan att få detta inlägg att bli rörigt men jag gör ett försök. Det jag skrivit nedan är inte hur det fungerar utan hur jag uppfattar att det fungerar.

Jag har haft möjligheten att läsa lite under tiden och jag hittade ett dokument som faktiskt var riktigt bra i detta hänseende; ON Semiconductor's Linear & Switching Voltage Regulator Handbook. Dom nämner och förklarar en del om det här med strömbegränsning, foldback med mera.

Det som i nuläget besvarar min fråga om skillnaden på strömbegränsning och konstantströmsgenerator från första inlägget är just det ni skriver; en konstantströmsgenerators uppgift är att driva given ström genom att öka/minska spänningsfallet i den mån som går.
När det kommer till strömbegränsning som kortslutningsskydd så tolkar jag det som att det finns två "varianter", med eller utan foldback.

* En strömbegränsning utan foldback reglerar ner spänningen tills dess kretsen når ett kortslutningstillstånd, dvs 0V och kretsen slutar då att leverera ström, inte reglera den.
* En strömbegränsning med foldback reglerar ner spänningen tills dess den når det givna "knät" där den då även reglerar ner strömmen. Denna funktion används som huvudsyfte för att skära ner på effektförlusterna över regulator och/eller utgångstrissan.

Något jag ännu inte tror mig förstå är det Marta skriver om negativ impedans på utgången av en strömbegränsning med foldback. Här nedan har jag klistrat in ett diagram från manualen jag länkade till. Förstår jag det rätt om det markerade fältet är området med negativ impedans?
Om detta är fallet, innebär det då att man har negativ impedans upp till "knät"?
Nej, tror jag missförstått det här för annars förstår jag inte hur en tidskonstant skulle förbättra situationen.

Jag har lite beräkningsfrågor också men först måste jag förstå konceptet och uppbyggnaden.

Foldback.JPG

[Magnus_K]

Jag säger som vi gör på jobbet; om vi inte hör något så är det bra.

Skulle vilja ställa några nybörjarfrågor om effektförluster vid strömbegränsning.

Säg att vi har ett labbagg där spänningsregulatorn har 30V in och vi har ställt in att vi vill ha 20V ut.
Strömbegränsningen är i detta läge så högt ställd så den inte begränsar. Låt oss också säga att lasten drar 1A (20Ohm).

Fråga: I detta fallet, blir då effektförlusten 10V (spänningen över regulatorn) x 1A, dvs 10W?

Vidare från ovan, säg att vi begränsar strömmen ut till bara 0,5A. Detta borde innebära att regulatorn måste reglera ner spänningen från 20V till 10V.

Fråga: Innebär detta att det blir samma effektförlust i aggregatet då vi nu har 20V över regulatorn men bara 0,5A ut?

Det jag inte får ihop är vart/när effektförlusterna börjar skapas. Om man har tex en utgångstransistor och man har ovan strömbegränsning så lär väl regulatorn reglera ner nästan all spänningen men utgångstrissan har ett relativt litet spänningsfall när den leder så det blir inte några vidare effektförluster här heller.