Load dumps en spanningspieken

Het is één ding om elektronica werkend te krijgen op je bureau onder ideale omstandigheden, maar het is wat anders om gevoelige elektronica in de vuile omgeving van een auto stabiel werkend te houden. "Waarom stop je dan elektronica in een Burton?" hoor ik je denken. Tja, da's een goede vraag. Gewoon omdat het kan... maar vooral ook omdat het ook een van mijn - veel te grote verzameling - hobby's is. Dus het gaat gebeuren, hoe dan ook. Een van de grootste uitdagingen is de voedingsspanning van al die kastjes die ik in de Burton stop. De boordspanning van een auto heeft te maken met nogal wat uitdagingen als het gaat om stabiliteit. Zomaar een lijstje:

• Load Dumps. Wanneer de dynamo lekker de accu aan het laden is en de verbinding met de accu verbreekt om wat voor reden plotseling, dan moet de dynamo nog wat vermogen kwijt wat opgeslagen zit in zijn windingen. Dit zorgt voor de zogenaamde Load Dumps die kunnen resulteren in behoorlijk hoge spanningspieken die ook nog eens enkele honderden milliseconden kunnen duren.
• Ontstekingspieken. De bobine is ook zo'n inductieve last die voor de nodige vervuiling zorgt op het boordnet. Elke vonk richting de bougies zorgt ook voor een piek(je) in het laagspanningsdeel van de bobine.
• Starten. De accu krijgt behoorlijk op zijn donder als de motor gestart wordt. Zeker als het koud is. De spanning kan - vooral in de eerste milliseconden - zakken tot onder de zes volt.

Om Load Dumps te verwerken moet het vermogen 'afgevoerd' worden en de spanningspiek afgekapt. Hiervoor kunnen TVS-diodes ingezet worden. TVS staat voor Transient Voltage Suppressor. Google Translate maakt hiervan "voorbijgaande spanningsonderdrukker" en dat is best een prima beschrijving van wat dat ding doet.

TVS-diode

Je hebt bidirectionele en unidirectionele TVS-diodes. Maar wat ik gelezen heb is het niet zo nuttig om de unidirectionele variant te kiezen omdat in een auto nooit sprake is van een negatieve spanning. Er zijn natuurlijk weer honderdduizend verschillende types, maar de variant die ik gekozen heb is 1.5KE22A van Littelfuse. Deze kapt de spanning af net onder de 20 volt. Dat klinkt vrij hoog, maar er moet wat marge zitten tussen de 'normale' laadspanning en het moment dat de TVS-diode gaat geleiden. De laadspanning kan tot net onder de 15 volt oplopen, dus die extra 5 volt is geen overbodige luxe.

Ná de TVS-diode komt een DC-DC-converter die een groot bereik aan ingangsspanningen accepteert en hier een nette 12 volt van maakt. Deze moet dus om kunnen gaan met een ingangsspanning van 20 volt. 

DC-DC-converter

8..40V ingang, 10A, 12V uitgang.

120 Watt zou voldoende moeten zijn om alle elektronica te voeden. De bovengrens wordt dus netjes beveiligd door de TVS-diode, de ondergrens van 8 volt is misschien nog wat hoog bij een koude start. Daar zou de accuspanning onder kunnen zakken. Of dit in de praktijk echt een probleem is, vraag ik mij af. Waarschijnlijk rijd ik altijd als het lekker weer is en de accu zal tussendoor aan een druppellader liggen en blijft dus mooi in conditie. De stabiele uitgang van 12 volt wordt trouwens nog teruggebracht naar 5 volt als voeding voor de microcontrollers en de CAN-bus. Een soort van tweetrapsraket.

Galvanisch gescheiden DC-DC-converter.

De DC-DC-blokjes scheiden de ingaande en de uitgaande spanning galvanisch. Zo zal de voeding van de microcontrollers en de CAN-bus geïsoleerd worden van het boordnet. De uitgangen van de microcontrollers worden al beveiligd met optocouplers, zie eerdere berichten.

Door vóór zo'n blokje een diode en een dikke condensator te plaatsen kan de spanning trouwens wel even op pijl gehouden worden. Sowieso wel een goed idee om ook een dikke diode in te zetten om het geheel te beschermen tegen het verkeerdom aansluiten van de voedingsspanning.

Dikke diode in TO220 behuizing

We zullen zien of het gaat lukken. Tot nu toe is het allemaal nog theorie. Binnenkort maar eens wat testjes doen. Mocht het niet werken, dan lossen we het gewoon op hè. Net als met alle andere dingen van de Burton.