Rutronik GmbH
Avtor: Ralf Hickl
2020_283_38
Varovalke se uporabljajo na številnih področjih močnostne elektronike. Do zdaj smo vode, porabnike in napajalne vire največkrat varovali s taljivimi varovalkami. Vendar pa uporaba polprevodniških varovalk prinaša prednosti.
Glavna je varnost
Varovalke varujejo dele električnih tokokrogov. Ob preobremenitvi ali kratkem stiku se sproži varovalka in prekine tokokrog. To omeji škodo in prepreči stroške za popravilo. Idealno je, če je izklopna karakteristika dimenzionirana tako, da se tok prekine pred uničenjem drugih delov tokokroga, na primer vodov, polprevodnikov ali pasivnih komponent.
Pravilno dimenzionirana varovalka je posledično najšibkejši člen tokokroga. Pomembna je termična karakteristika varovanega predmeta, na primer električnega voda, kabelskega snopa ali polprevodniškega stikala v priključenem krmilniku.
Elektronske varovalke vsebujejo namesto taljivih žic ali elektromagnetno proženih mehanskih kontaktov polprevodniška stikala skupaj s krmilno logiko, ki izvaja funkcije za zaščito in diagnostiko.
Lastnosti varovalk
Taljive varovalke so za enkratno uporabo. Njihovo prevajanje, zaščita in ločevanje delujejo v obe smeri. Takšno obojestransko obnašanje je prednost pri bremenih, ki se lahko (odvisno od obremenitve) obnašajo kot motorji ali generatorji. Takšni so na primer pogonski razsmerniki, ki omogočajo tudi zaviranje z vračanjem energije.
Elektronske varovalke je za razliko od tega mogoče sprožiti in ponastaviti poljubno pogosto. Izvedbe, ki imajo kot stikalo le ene MOSFET, prekinejo zaradi lastne diode tok le v eno smer. Za dvosmerno ločitev je zato treba uporabiti dva zaporedno vezana tranzistorja MOSFET, kar pomeni več dela. Za razliko od taljivih varovalk imajo elektronske varovalke lastno porabo. To je treba upoštevati zlasti pri baterijskih napravah.
Izklopno obnašanje
Običajne varovalke se dimenzionirajo glede na njihov nazivni tok in izklopno karakteristiko (počasne, hitre, superhitre itd.). Elektronske varovalke omogočajo prilagodljiva merila za izklop. To so lahko:
- predpisana vrednost I2t (integral mejne obremenitve oziroma talilni integral),
- previsok tok,
- prenapetost ali podnapetost na vhodu varovalke,
- preobremenitev (moč),
- previsoka temperatura okolja ali varovalke.
Proizvajalec lahko določi tudi izklopno obnašanje elektronske varovalke. Tok je mogoče najprej omejiti in nato izklopiti ali takoj izklopiti ter čakati na ponastavitev.
Ker ima elektronska varovalka že vgrajeno stikalo, ga je mogoče uporabiti tudi za to. Dodatna stikala zato niso potrebna, take varovalke pa omogočajo še dodatne funkcije, kot so mehki zagon s krmiljenjem stikala s pulznoširinsko modulacijo (PWM).
Vklopno obnašanje
Taljive varovalke so klasičen izdelek za enkratno uporabo. Ko opravijo svojo nalogo, postanejo neuporabne in jih je treba zamenjati.
Elektronska varovalka omogoča mehki zagon z nastavljivo strmino naraščanja na polprevodniškem stikalu ali s krmiljenjem s pulznoširinsko modulacijo (PWM). Ko se enkrat sproži, je mogoče določiti samodejen in cikličen vnovični zagon z vnaprej določenim številom ponovitev. Druga možnost je ponastavitev na zahtevo. Pri tem je priročna omrežna povezava.
Zlasti v sistemih, ki morajo izpolnjevati zahteve Safety-Integrity-Level (ASIL), je nujna možnost diagnostike. Tudi tukaj pomeni elektronska varovalka prednost, saj je mogoče vanjo neposredno vgraditi diagnostiko. Stalno merjenje toka ob tem omogoča tudi določitev in vrednotenje profila obremenitve. Rezultat omogoča zgodnje opozarjanje in preventivo ter preventivno vzdrževanje z zamenjavo obrabnih delov.
Dodatne lastnosti elektronskih varovalk
Ob preobremenitvi elektronske varovalke prepričajo z dodatnimi možnimi funkcijami:
- Ob kratkem stiku se odklop opravi hitreje in zato pride do krajšega padca napetosti v preostalem električnem omrežju vozila. To je pomembno za vgrajene elektronske tokokroge, ki morajo pri daljšem padcu in naknadni vnovični vzpostavitvi napetosti opraviti ponastavitev ter vnovični zagon, da lahko spet začnejo delovati. Pri pomembnih sistemih za pomoč vozniku bi izpad za čas vnovičnega zagona med vožnjo pomenil veliko nevarnost – ključna beseda je »varno napajanje«.
- Elektronsko varovalko je mogoče izvesti tako, da tok, ki teče skozi njo, pred prekinitvijo omeji na določeno maksimalno vrednost. To pomeni, da tudi pri kratkem stiku napetost električnega omrežja vozila ne pade toliko, da bi se zato sprožila ponastavitev drugih krmilnikov. Hkrati se s tem omeji vnos energije v parazitne induktivnosti. To pomeni manjše napetostne konice pri iznihanju.
- Ker varovalka nima iskrišča, se pri preklopih/izklopih ne pojavlja oblok. To pomeni, da so elektronske varovalke primernejše za območja z zaščito Ex.
Primeri izdelkov
Tabela kaže nekaj polprevodnikov, ki se uporabljajo v elektronskih varovalkah. Nekatere komponente so bile razvite za točno določene načine uporabe, pametni gonilniki za napajalno stran na primer potrebujejo dodatno logiko za praktično uporabo kot varovalka. Precej univerzalno dostopna je komponenta STEF01 iz podjetja STMicroelectronics. Njene omejitve za previsok tok (OC), prenapetost (OV), podnapetost (UVLO) in hitrost naraščanja (»Slew-Rate«) je mogoče nastaviti z zunanjimi pasivnimi komponentami (»fully programmable«). Dodatno je mogoče uporabiti zunanji FET za preprečevanje vzvratnih tokov.
