Ощутимым недостатком плавких предохранителей является их одноразовость, необходимость последующей ручной замены на другой предохранитель, рассчитанный на тот же ток защиты. Зачастую, когда под рукой нет подходящего, используют предохранители на другой ток или более того, ставят самодельные (суррогатные) предохранители или просто массивные перемычки, что крайне негативно отражается на надежности работы аппаратуры и небезопасно в пожарном отношении.
Рис. 5.1. Ограничение предельного тока нагрузки при помощи полевого транзистора
В ограничителе тока нагрузки (рис. 5.2) работают обычные биполярные транзисторы с коэффициентом передачи по току не менее 80… 100. Входное напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. Транзистор работает в режиме насыщения, поэтому большая часть входного напряжения поступает на выход источника питания. При токе меньше порогового транзистор VT2 закрыт, и светодиод HL1 не горит. Резистор R3 выполняет роль датчика тока. Как только падение напряжения на нем превысит порог открывания транзистора VT2, он При указанных на схеме номиналах элементов ток короткого замыкания равен (0,7 В)/(3,6 Ом)=0,2…0,23 А.
Электронные предохранители [5.2] можно выполнить с использованием мощного полевого транзистора VT1 в качестве ключа (рис. 5.3 и 5.4). Ток срабатывания защиты определяется соотношением резистивных элементов и зависит, в первую очередь, от величины сопротивления датчика тока, включенного последовательно с полевым транзистором.
Ток защиты в зависимости от величины сопротивления датика тока — резистора R2 — может быть установлен от 20.. .30 мА о 1…2 А. Например, при R2=36 Ом ток срабатывания — 30 мА; ри R2=4 Ом — 0,5 А. Сигнализатор, обозначенный на схеме устройства как ЗГ (звуковой генератор), представляет собой генератор звуковой частоты с подключенным к нему акустическим излучателем, например, динамической головкой. Для управления работой звукового генератора использован ключ на транзисторе VT1.
Рис. 5.6. Схема стабилизатора напряжения со звуковой индикацией перегрузки При работе стабилизатора ток нагрузки проходит через датчик тока R1, создавая на нем падение напряжения. Пока ток небольшой (при указанной на схеме величине этого резистора не более 0,3 А), транзистор VT1 закрыт. По мере роста тока потребления и, соответственно, увеличения напряжения на резисторе, транзистор приближается к порогу открывания. Когда напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 достигнет 0,7 В, он открывается и при дальнейшем росте тока переходит в состояние насыщения. При открывании транзистора выпрямленное напряжение поступает на акустический сигнализатор и приводит его в действие. Электронный предохранитель для цепей постоянного тока и, одновременно, стабилизатор напряжения [5.5] может быть выполнен по схеме, показанной на рис. 5.7. На первых двух транзисторах (VT1 и VT2) собран стабилизатор напряжения по традиционной схеме, однако параллельно стабилитрону VD1 цключен релейный каскад на транзисторах VT3 — VT5 с дат-сом тока на резисторе Rx. При увеличении сверх заданной эмы тока в нагрузке этот каскад сработает и зашунтирует ста-питрон. Напряжение на выходе стабилизатора упадет до не-(чительной величины.
Для разблокировки схемы защиты достаточно кратковре—ю нажать кнопку SB1.
При суммарном сопротивлении резисторов R2 и R3 100 кОм таймер обеспечивает выдержку в 1 сек, при суммарном сопротивлении 200 кОм — 2 сек, 300 кОм — 3 сек и т.д. до 33 сек. Увеличить время выдержки на один-два порядка можно увеличением номиналов R2, R3 и С1. малых (до 10 мА на ключ) токах нагрузки. При токах нагрузки до 40 мА можно исключить из схемы транзистор VT1 . В этом случае все ключи /ШО/7-коммутатора DA1 должны быть соединены параллельно. Устройство работает в диапазоне питающих напряжений 5… 15 В и даже при 4 б. Отключить устройство можно нажатием кнопки SB2. В отключенном состоянии оно потребляет ток до долей-единиц мкА. Известно, что в последовательно соединенной цепи элементы аккумуляторной батареи, разряженные до напряжения ниже 1,1 В, из источника напряжения превращаются в своего рода дополнительную нагрузку для еще неразрядившихся элементов, вызывая резкое падение напряжения на выводах батареи аккумуляторов. Кроме снижения энергоемкости батареи аккумуляторов в целом, это может привести и к «повреждению отдельных ее элементов.
Устройство [5.7], схема которого показана на рис. 5.9, предотвращает слишком глубокую разрядку элементов в батарее. Оно включается между аккумуляторной батареей и нагрузкой. Принцип действия основан на контроле напряжения на нагрузке. Когда оно снижается до уровня 1,1х пВ (где п — число элементов з аккумуляторной батарее) нагрузка и само устройство отклю-наются контактной группой реле, и ток через аккумуляторные элементы прекращается (если в самой батарее отсутствуют ка-<ие-либо неисправности). Таблица 5.1. Сопротивление резистора R1 при различном напряжении батареи
Данное устройство может давать ложные срабатывания, если к источнику питания подключают слишком мощную нагрузку, при которой напряжение батареи мгновенно «подсаживается». В этом случае отключение нагрузки еще не говорит о том, что элемент (элементы) батареи аккумуляторов разрядился до нижней допустимой границы. Повысить помехозащищенность
При коротком замыкании выходное напряжение резко уменьится, обмотка реле будет обесточена, что приведет к размыка-ию контактов и отключению аккумулятора от ЗУ. Повторное ключение после устранения неисправности осуществляется кноп-эй SB1. Конденсатор С1, заряженный до выходного напряжения эшрямителя, подключается к обмотке реле. Резистор R1 огранивает импульс тока при ошибочном включении, когда короткое тыкание на выходе еще не устранено.
Светодиод HL1 индицирует наличие короткого замыкания в нагрузке.
Эквивалентное сопротивление двухполюсника можно пред-авить как: R3=E/l=ExRM/U1. В свою очередь U1=E*RM/(R1+R2).
Ток в цепи стабилизатора можно плавно регулировать поворотом ручки потенциометра R2 в пределах от нескольких мА до 8 А, причем максимальный ток нагрузки при необходимости можно увеличить еще на порядок, применив вентиляторы, радиаторы, нарастив количество параллельно задействованных полевых транзисторов. |
Электронные предохранители. Вопросы и ответы
Электронный предохранитель является мощным и универсальным инструментом защиты от перегрузок по току. Вместе с тем, при проектировании электронных предохранителей приходится решать множество задач, например, выбирать оптимальный токовый усилитель. Впрочем, при использовании специализированных ИС самые сложные задачи оказываются решенными.
Традиционный плавкий предохранитель представляет собой простейший элемент защиты от коротких замыканий (рис. 1). Среди его достоинств можно выделить низкую стоимость, высокую доступность, максимальную предсказуемость поведения, высокую надежность, простоту применения. Между собой плавкие предохранители отличаются рейтингом тока, корпусным исполнением и другими характеристиками. Тем не менее, разработчики всегда ищут новые способы решения даже для уже решенных задач, особенно если новые подходы обеспечивают большую гибкость и функциональность. Это касается и проблемы защиты от коротких замыканий. В данной статье в форме вопросов и ответов рассматриваются основные особенности электронных плавких предохранителей (e-fuse или efuse), особое внимание уделяется усилителю тока, который является наиболее важной частью схемы.
Рис. 1. Традиционные плавкие предохранители отличаются рейтингом тока, корпусным исполнением и другими характеристиками. Тип предохранителя выбирается, исходя из требований конкретного приложения
Где можно прочитать об основных характеристиках и особенностях традиционных плавких предохранителей?
В списке литературы приведены ссылки [1, 2], в которых подробно рассматриваются эти вопросы.
Если плавкие предохранители являются простым и надежным элементом защиты от КЗ, то зачем нужно искать альтернативные решения?
Традиционные плавкие предохранители имеют множество достоинств. Вместе с тем у них есть и недостатки, наиболее важными из которых являются: жесткое задание тока срабатывания, невысокое быстродействие (особенно в сравнении с новейшими электронными схемами), необходимость физической замены после срабатывания. Кроме того, точность таких предохранителей при малых токах (в диапазоне 100 мА) оказывается не такой высокой, как хотелось бы большинству разработчиков. В то же время электронные предохранители все чаще используются в автомобилях, платах расширения с возможностью горячей замены и многих других электронных устройствах.
Какая альтернатива существует для плавких предохранителей?
Альтернативой плавким предохранителям становятся полностью электронные предохранители, характеристики которых не так сильно зависят от температуры.
Как выглядит схема электронного предохранителя?
Для создания электронного предохранителя потребуется несколько основных аналоговых компонентов: прецизионный токовый резистор (шунт) [3], усилитель тока (current sense amplifier или CSA) с набором согласованных резисторов, компаратор для формирования сигнала отключения, полевой транзистор для выполнения коммутации нагрузки (рис. 2). Обратите внимание, что электронные предохранители имеют много общего с интеллектуальными силовыми ключами, о которых мы рассказывали в статье «Интеллектуальные ключи. Вопросы и ответы»[3, 4].
Рис. 2. Напряжение на шунте (прецизионном резисторе) измеряется дифференциальным усилителем тока, при этом напряжение на входах не привязано к «земле» усилителя.
Как работает электронный предохранитель?
Ток нагрузки протекает через шунт и создает на нем падение напряжения, которое усиливается дифференциальным усилителем тока. Поскольку сопротивление шунтового резистора известно, то с помощью несложной аналоговой схемы можно задать пороговое значение тока, с учетом закона Ома: I = V/ R (рис. 2).
Если пороговое значение тока превышено, компаратор формирует аварийный сигнал, и силовой полевой транзистор отключает нагрузку (рис. 3). Время отклика для такой схемы составляет всего несколько микросекунд, что намного меньше, чем у традиционных плавких предохранителей, для которых время срабатывания составляет десятки-сотни миллисекунд. Кроме того, поскольку параметры электронных компонентов слабо зависят от температуры, то температурная зависимость тока срабатывания для электронных предохранителей не является такой существенной проблемой, как для плавких предохранителей.
Рис. 3. Полевой транзистор подключен последовательно с нагрузкой и используется для коммутации тока в электронном предохранителе. Этот транзистор должен иметь очень низкое сопротивление открытого канала, чтобы обеспечивать минимальное падение напряжения и низкую рассеиваемую мощность.
Какие особенности есть у предложенной схемы электронного предохранителя?
Во-первых, резистор и усилитель тока должны обладать минимальной температурной зависимостью. При этом значительная погрешность измерения может быть вызвана как колебаниями температуры окружающей среды, так и саморазогревом шунта. Кроме того, для управления полевым транзистором во многих случаях потребуется драйвер, особенно если речь идет о мощных силовых ключах, работающих с большими токами и напряжениями.
Во-вторых, схема должна иметь некоторый гистерезис, чтобы избежать ложных переключений при возникновении перегрузки по току. Аварийный сигнал с гистерезисом может быть сформирован по-разному, например, с помощью простого аналогового компаратора. Для обнаружения перегрузки по току также могут быть применены алгоритмы цифровой обработки сигналов, для чего потребуется связка из АЦП и микроконтроллера (или процессора). Еще одним вариантом подстройки порога срабатывания становится программируемый цифровой потенциометр.
Однако усложнение схемы не идет на пользу надежности. Поэтому очень важно понять, является ли интеллектуальное поведение электронного предохранителя действительно необходимым или более критичным будет высокий уровень надежности.
Что такое усилитель тока?
Выбор усилителя тока (current sense amplifier или CSA) оказывается не таким простым, как может показаться с первого взгляда. Несмотря на название, в действительности усилитель тока фактически работает с напряжением. При этом на его выходе формируется напряжение, пропорциональное току, протекающему через шунтовой резистор. Тем не менее, многие производители используют термин «усилитель тока», что хорошо подходит в случае со схемой электронного предохранителя.
Чем усилитель тока отличается от обычного операционного усилителя?
Есть несколько важных отличий. Во-первых, усилитель тока по определению является дифференциальным усилителем (diff amp). Это связано с тем, что в большинстве схем шунтовой резистор не подключен к земле. Вместо этого он, как правило, располагается между источником питания и нагрузкой. Поэтому усилитель тока должен работать без привязки к земле, то есть измерять не синфазное, а дифференциальное напряжение.
Это единственное различие?
Нет. В отличие от обычных дифференциальных усилителей усилитель тока, должен обеспечивать работу с широким диапазоном синфазных напряжений. В качестве примера можно рассмотреть случай, когда шунтовой резистор включен последовательно с мощным электродвигателем с рабочим напряжением в несколько десятков вольт (или даже выше). Еще одним примером является схема защиты от КЗ батареи аккумуляторов с высоким суммарным напряжением.
Кроме того, усилитель тока должен гарантировать высокую точность измерений небольших дифференциальных напряжений даже при наличии высоких синфазных напряжений. Современные усилители тока способны выполнять измерения дифференциальных напряжений порядка 10…100 мВ в присутствии синфазных напряжений 50…100 В (а также отрицательных напряжений) без ухудшения точности или потери работоспособности.
Какие еще особенности есть у усилителей тока?
Усилитель тока должен обеспечивать высокую стабильность и точность усиления входного напряжения. Как уже было сказано, в большинстве случаев шунтовые резисторы имеют очень низкое собственное сопротивление. В результате, при протекании даже значительных токов, на них падает порядка 10…100 мВ. Это позволяет, с одной стороны, минимизировать падение напряжения питания, подаваемого на нагрузку, а с другой стороны — снизить уровень рассеиваемой мощности.
Однако столь низкое напряжение не подходит для большинства аналоговых схем из-за наличия шумов и помех. Таким образом, усилитель необходим для нормирования сигнала до приемлемого уровня, обычно 1…10 В. Для установки коэффициента усиления в схеме дифференциального усилителя используются точные и согласованные резисторы. Эти резисторы также должны иметь одинаковые температурные зависимости для того, чтобы любые колебания температуры оказывали минимальное влияние на точность. Другим важным требованием к усилителю тока является сверхнизкое входное напряжение смещения, которое должно быть во много раз меньше, чем измеряемое дифференциальное напряжение на шунтовом резисторе.
Какие еще преимущества есть у электронных предохранителей по сравнению с плавкими предохранителями?
Как и в случае с плавкими предохранителями, электронные предохранители включаются между источником питания и нагрузкой (рис. 4). При этом их функционал может быть гораздо шире. Интегральные электронные предохранители, такие, например, как TPS25925x от Texas Instruments, имеют целый ряд дополнительных функций и особенностей, в том числе программируемую пользователем защиту от просадки напряжения, защиту от перенапряжений, схему автоматического повторного включения, программируемое время включения, которое может быть установлено с помощью внешних компонентов (рис. 5). Возможность настройки времени включения оказывается полезной для осуществления контроля стартового тока при запуске и выполнении «горячей замены» модулей (рис. 6). Несмотря на сложную внутреннюю схему, электронные предохранители довольно просты в использовании и поставляются различными производителями, например, ST Microelectronics, Analog Devices, ON Semiconductor и т. д.
Рис. 4. Электронные предохранители просты в использовании. Как и в случае с плавкими предохранителями, они включаются между источником питания и нагрузкой
Рис. 5. Схема электронного предохранителя может включать множество различных блоков, которые добавляют такие функции, как программируемый порог тока отключения, задержка и скорость включения и т.д. Все это значительно расширяет функционал и универсальность электронных предохранителей по сравнению с традиционными плавкими предохранителями.
Рис. 6. Электронные предохранители позволяют не только программировать значение тока отключения, но и обеспечивают быстрое отключение нагрузки, а также гистерезис тока при восстановлении после КЗ (слева). На рисунке справа: сверху представлена осциллограмма входного напряжения, под ним расположена осциллограмма выходного напряжения, а в самом низу помещена осциллограмма тока
Можно ли использовать электронный предохранитель совместно с обычным плавким предохранителем?
Да, это весьма популярная и распространенная схема. Электронный предохранитель действует как первый, быстрый и гибкий рубеж обороны. Плавкий предохранитель действует как второй и резервный механизм защиты, который гарантирует физическое размыкание цепи в случае катастрофических отказов, чего не может обеспечить электронный предохранитель. Это позволяет системе соответствовать требованиям различных нормативов и стандартов.
Заключение
В данной статье были рассмотрены основные особенности электронных плавких предохранителей, их функциональная схема, а также примеры реализации в виде ИС. В зависимости от требований конкретного приложения электронные предохранители могут использоваться автономно, либо совместно с традиционными плавкими предохранителями. Каждый из типов предохранителей имеет свои преимущества и недостатки, а совместно они способны обеспечить надежную и гибкую защиту от перегрузки по току.
Литература
- EEWorld Online, Fuses for power protection, Part 1
- EEWorld Online, Fuses for power protection, Part 2
- EEWorld Online, Options for current sensing, Part 1
- EEWorld Online, Load switches, Part 1: Basic role and principle
Быстродействующий электронный предохранитель
Устройство предназначено для быстрого отключения потребителей энергии от сети, если ток в цепи превысит допустимую величину. По сравнению с плавкими и электромеханическими предохранителями электронный имеет значительно большее быстродействие. Кроме того данное устройство можно легко и точно настроить на срабатывание при любом токе в диапазоне 0,1 …10 А.
Приводимая схема, рис. 1.9, по сравнению с аналогичными описанными в литературе [ЛЗ] проще в изготовлении и содержит меньше деталей.
Питается устройство защиты непосредственно от сети по бестрансформаторной схеме. Коммутацию нагрузки выполняет электронный ключ — симистор VS1. Для его открывания на управляющий электрод через трансформатор Т2 поступают короткие импульсы. Эти импульсы в нормальном режиме формируются автогенератором, выполненным на однопереходном транзисторе VT1. Использование автогенератора позволяет обеспечить экономичность работы схемы.
Для открывания симистора необходим ток через управляющий электрод до 100 мА. Этот ток обеспечивается в импульсном режиме. Необходимая энергия в генераторе накапливается на конденсаторе С2 при его заряде от источника питания (через резистор R2). Как только напряжение на нем достигнет порога открывания транзистора VT1 — конденсатор С2 разряжается по цепи переход эмиттер-база VT1-Т2/1. Процесс этот повторяется с частотой, определяемой величиной номиналов элементов R2-C2 (примерно 1,5…2 кГц).
Так как частота следования импульсов автогенератора значительно больше, чем сетевая (50 Гц), то симистор открывается практически в начале каждого полупериода сетевого напряжения.
Датчиком тока в цепи нагрузки является токовый трансформатор Т1. При протекании в нагрузке тока он проходит и через первичную обмотку Т1. Во вторичной обмотке (3-4) выделяется повышенное напряжение, пропорциональное току в нагрузке.
Это напряжение выпрямляется диодным мостом (VD1) и поступает через резистор R5 на управляющий электрод тиристора VS2. Если данное напряжение достигнет уровня, необходимого для срабатывания тиристора VS2, он откроется. В этом случае VS2 через диод VD2 закорачивает цепь заряда конденсатора С2 и автогенератор перестанет работать. Когда импульсы, управляющие коммутатором VS1, пропадут — нагрузка отключится и начнет светиться индикатор (HL1) работы защиты.
В этом состоянии схема может находиться долгое время и чтобы вернуть ее в исходное, необходимо нажать кнопку SB1. А с помощью кнопки SB2 нагрузку можно при необходимости отключить вручную. Общим выключателем является также SA1.
Чувствительность срабатывания схемы можно плавно регулировать при помощи резистора R3. Конденсатор С1 предохраняет от срабатывания защиты при кратковременных помехах в сети.
Токовый трансформатор Т1 потребуется изготовить самостоятельно. Для намотки удобно использовать каркас и магнитопровод от любого трансформатора, применяемого в старых отечественных телефонах. Подойдет магнитопровод из железа или феррита М2000НМ типоразмера Ш5х5 (в месте расположения катушки у него сечение 5×5 мм). При этом обмотка 3-4 выполняется проводом ПЭЛ диаметром 0,08 мм и содержит 3000…3400 витков. Последней наматывается обмотка 1-2 проводом ПЭЛ-2 диаметром 0,82…1,0 мм — 30…46 витков.
Импульсный трансформатор Т2 выполнен внутри броневого магнитопровода типоразмера Б14 из феррита с магнитной проницаемостью М2000НМ. Его конструкция показана на рис. 1.43. В центре сердечника необходимо обеспечить зазор 0,1…0,2 мм, что исключит его намагничивание в процессе работы. Обмотка 1 содержит 80 витков, 2 — 40 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,1…0,12 мм.
В схеме использованы детали: подстроенный резистор R3 типа СПЗ-19а, остальные резисторы любого типа; конденсаторы С1, СЗ типа К50-35 на 25 В; С2 и С4 — К73-17В на рабочее напряжение не менее 63 и 400 В соответственно. Кнопки SB1, SB2 и светодиод HL1 подойдут любые миниатюрные.
Настройку схемы лучше начинать с проверки работы автогенератора собранного на транзисторе VT1. Для этого удобно питание подавать не от сети, а использовать внешний источник постоянного напряжения 15…20 В, подключив его в точки а-б.
При работе автогенератора на конденсаторе С2 должно быть напряжение, форма которого показана на рис. 1.10. Если таких импульсов нет, то может потребоваться подбор номинала резистора R2.
Срабатывание тиристора VS2 при нажатии на кнопку SB2 должно фиксироваться. Если светодиод HL1 постоянно не светится после отпускания кнопки — надо уменьшить номинал резистора R4 для увеличения тока, необходимого, чтобы удерживать VS2 в открытом состоянии.
Проверить работу устройства можно, подключив к гнездам XS1 лампу и стрелочный вольтметр. Прежде всего необходимо убедиться в том, что симистор VS1 полностью открывается (измерив напряжение на лампе). Если это не так, то нужно поменять местами выводы в любой из обмоток импульсного трансформатора Т2.
Схему электронного предохранителя можно упростить, убрав токовый трансформатор Т1, а вместо его обмотки 1-2 использовать резистор (R10) с маленьким сопротивлением (0,2…0,3 Ом) и диод, рис. 1.11. Величина сопротивления R10 подбирается под нужный ток защиты. Но в этом случае схема защиты будет работать на одной полуволне сетевого напряжения, что, естественно, может снизить быстродействие при отключении нагрузки.
При использовании схемы следует учитывать, что некоторые потребители энергии, например лампы, импульсные источники питания, электромоторы и некоторые другие, в момент включения дают Оросок тока. В этом случае порог срабатывания защиты надо увеличивать или, что будет значительно лучше, принять меры по уменьшению броска тока в нагрузке. Например, для лампы освещения можно обеспечить режим плавного увеличения напряжения при включении. :)то не только продлит ее срок службы, но и уменьшит помехи в сети.
Простейший способ уменьшения броска тока при включении пампы — применение защитных терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. В настоящее время такие резисторы, например из серии ТР-15, выпускает отечественная промышленность. Эти резисторы позволяют сглаживать пусковые броски тока в лампах накаливания, кинескопах, импульсных источниках питания, электромоторах и других устройствах в 5…10 раз. В рабочем режиме терморезисторы нагреваются проходящим через них током до температуры 150…200°С. При этом они уменьшают свое сопротивление более чем в 100 раз.
Так, например, для защиты ламп накаливания мощностью 100…200 Вт подойдет терморезистор типа ТР-15-470-1,6 (номинальное сопротивление при 25°С — 470 Ом, а в прогретом состоянии 4,3 Ом). Для мощности лампы 25…100 Вт — ТР-15-1000-1,6 (номинальное сопротивление при 25°С — 1000 Ом, в прогретом состоянии 9,2 Ом).
Литература: И.П. Шелестов — Радиолюбителям полезные схемы, книга 3.
Электронный предохранитель с регулируемым порогом срабатывания
Этот электронный предохранитель с регулируемым порогом срабатывания придумал автор Instructables под ником GreatScottLab.
Последовательно с нагрузкой включён шунт — мощный резистор сопротивлением в 0,1 Ом. Напряжение до шунта (почти не зависящее от тока нагрузки) подано на неинвертирующий вход первого операционного усилителя, после (зависящее от этого тока заметно сильнее) — на инвертирующий. Усилитель производит вычитание этих сигналов, результат которого поступает на неинвертирующий вход второго операционного усилителя, а на его инвертирующий вход подано напряжение с подвижного контакта подстроечного резистора. Этот усилитель работает в режиме компаратора: вместо вычитания он сравнивает сигналы, переключаясь скачком. Подстроечный резистор позволяет выставить порог срабатывания электронного предохранителя. Оба усилителя расположены в корпусе одной микросхемы LM358.
Схема построена таким образом, что отсутствию перегрузки соответствует логический нуль на выходе компаратора. Транзисторный инвертор превращает его в единицу, а ключ на таком же транзисторе включает реле. Напряжение поступает на нагрузку через его нормально разомкнутые контакты. При перегрузке нуль на выходе компаратора сменяется единицей, которую инвертор превращает в нуль. Ключ отключает реле и нагрузку. Диод, включённый параллельно обмотке реле в обратной полярности, принимает на себя возникающий при этом импульс самоиндукции. После отключения нагрузки ток через шунт проходить перестаёт, на выходе компаратора появляется снова логический нуль, но реле своими нормально замкнутыми контактами через кнопку также с нормально замкнутыми контактами (на схеме ошибочно показаны как нормально разомкнутые) и резистор подаёт на вход инвертора логическую единицу, отчего ключ не возвращает реле во включённое состояние.
Устранив перегрузку, пользователь нажимает на кнопку, контакты которой размыкаются, и логическая единица с входа инвертора исчезает. Реле включает нагрузку, и устройство снова готово устранить перегрузку в любой момент, если она появится. Перезапуска кнопкой устройство требует и после отключения и последующего включения питания.
Итак, мастер берёт все компоненты, необходимые для сборки самоделки:
Устанавливает их на кусок макетной платы типа perfboard:
Клеммники очень удобны для подключения БП и нагрузки, но работая с постоянным напряжением, следует помнить о полярности. Поэтому хорошо нанести на клеммники или рядом с ними соответствующую маркировку. А вход и выход на плате, как видим, уже обозначены. Компоненты мастер соединяет между собой пайкой:
Для проверки конструкции необходимо включить через неё нагрузку и выставить подстроечным резистором такой порог срабатывания, чтобы он лишь немного превышал потребляемый нагрузкой ток. Затем подключить параллельно нагрузке ещё одну, менее мощную. Реле должно отключиться.
Источник
Доставка новых самоделок на почтуПолучайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!
*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.Регулируемый электронный предохранитель | Все своими руками
Опубликовал admin | Дата 9 ноября, 2018В статье рассматривается схема электронного предохранителя на большой ток нагрузки, до 30 ампер. В статье «Амперметр на микросхеме ACS712» была рассмотрена схема амперметра постоянного тока на основе модуля с микросхемой ACS712, в данной статье этот модуль будет использован в качестве датчика тока нагрузки для электронного предохранителя. Принципиальная схема электронного предохранителя показана на рисунке 1.
На схеме показан модуль, рассчитанный на ток нагрузки до пяти ампер. На AliExpress можно так же приобрести модули на ток 20 ампер и 30 ампер и использовать их в данной схеме. Но тогда транзистор VT1 IRL2505 следует заменить двумя такими же транзисторами. Хотя можно использовать и другие MOSFET. Напряжение питание данной схемы ограничено лишь максимальным напряжением питания микросхемы стабилизатора питания LM7805 – 35 вольт.
Работа схемы
После подачи напряжения на вход схемы появляется напряжение пять вольт на выходе стабилизатора напряжения питания микросхемы DA3 и модуля датчика тока DA2. На схеме нарисована микросхема одноименного модуля, а не сам модуль. Модуль имеет три вывода и конденсатор С2 находится на его плате. Появляется напряжение на выходе 7 микросхемы DA2 (Вывод Out модуля) примерно 2,5 В. Это напряжение подается на вход 2 компаратора, реализованного на операционном усилителе LM358N. На его инвертирующий вход, вывод 3 микросхемы DA3, подается опорное напряжение с резистивного регулируемого делителя R3 и R4. С помощью резистора R3 устанавливается порог срабатывания схемы по току. Это напряжение выставляется больше напряжения с выхода ACS712. Значит, при таком уровне напряжений на входах ОУ на его выходе будет присутствовать напряжение близкое к его напряжению питания. Это напряжение будет приложено к цепи светодиода оптрона U1. Вывод 1 DA3 — > вывод 1 U1 — > вывод 2 U1 — > гасящий резистор R2 — > общий провод. Светодиод оптрона засветится, что приведет к появлению открывающего для транзистора VT1 напряжения на его выходе в районе восьми вольт. Транзистор VT1 откроется и через модуль входное напряжение схемы практически полностью будет подано на ее выход. Диод VD1 будет закрыт положительным напряжением на его катоде, и ни какого влияния, в данном случае, оказывать на работу схемы компаратора не будет. В качестве этого диода можно использовать любой маломощный диод.
Модули датчиков тока, реализованных на микросхеме ACS712 и предназначенные для разных токов нагрузки в 5, 20 и тридцать ампер, имеют разные коэффициенты передачи преобразования ток – напряжение. Соответствующие коэффициенты составляют 185 мВ/А, 100 мВ/А и 66 мВ/A. Для пятиамперного датчика, указанного на схеме, выходное напряжение относительно 2,5 вольта, при токе 5А увеличится на 5 х 185 = 925мВ = 0,925 В. То есть общее выходное напряжение с датчика будет примерно 2,5 + 0,925 = 3,425 В. Пишу: примерно, потому, что у разных датчиков выходное напряжение при отсутствии тока нагрузки разное и не равно точно 2,5 вольта. И так, далее, когда напряжение на выходе датчика превысит установленное опорное напряжение на входе 3 микросхемы DA3, сработает компаратор и напряжение на его выходе будет практически равно нулю. Катод диода VD1 через внутренний выходной транзистор операционного усилителя будет подключен к общему проводу и зашунтирует собой на общий провод и опорное напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Через открытый диод возникает положительная обратная связь. Возникает эффект «защелки». В таком положении компаратор может находиться сколь угодно долго. После снятия напряжения со светодиода оптрона пропадет и открывающее напряжение на затворе ключевого транзистора VT1. Транзистор закроется и обесточит нагрузку. Для восстановления работоспособности схемы необходимо снять с нее напряжение с последующей подачей.
Ключевые MOSFET транзисторы IRL2505 имеют очень маленькое сопротивление открытого канала, оно равно 0,008 Ом. Исходя из этого, при токе стока, равного десяти амперам, на кристалле транзистора выделится тепловая мощность, равная: P = I² • R = 100 • 0,008 = 0,8 Вт. Это говорит о том, что транзистор при данном токе может работать без дополнительного теплоотвода. Но я всегда советую ставить хоть небольшой теплоотвод в виде алюминиевой пластинки. Это убережет транзистор от теплового пробоя при аварийной ситуации.
На этом все. Успехов, удачи.
Скачать “Регулируемый-электронный-предохранитель” Регулируемый-электронный-предохранитель.rar – Загружено 282 раза – 128 KB
Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».
Просмотров:937
Схема. Электронный предохранитель — Сайт радиолюбителей и радиомастеров. Схемы и сервис мануалы.
Эффективное средство защиты от перегрузки по току источников питания, например аккумуляторов, а также нагрузки — электронные предохранители. В большинстве случаев они должны удовлетворять следующим требованиям: простота, экономичность, малые потери и габариты. Для реализации этих параметров подходящие коммутирующие элементы — мощные полевые переключательные транзисторы [1].
Схема устройства на основе такого транзистора показана на рис. 1. Предохранитель включают между источником питания (выключателем) и нагрузкой. Устройство работоспособно при напряжении от 5 до 20 В и токе нагрузки до 40 А. Полевой транзистор Л”1 выполняет одновременно функции электронного ключа и датчика тока, микросхема ОУ DA1.1 — компаратора напряжения. На микросхеме DA2 собран источник образцового напряжения 2,5 В.
Для запуска устройства служит кнопка SB1, при кратковременном замыкании которой напряжение питания через диод VD2 и резистор R4 поступит на затвор транзистора, вследствие чего он откроется и подключит нагрузку к источнику питания. Выходное напряжение ОУ зависит от соотношения напряжений на его входах. Если ток нагрузки меньше тока срабатывания предохранителя, напряжение на неинвертирующем входе будет больше, чем на инвертирующем, поэтому на выходе ОУ будет напряжение, меньшее напряжения питания примерно на 1,5 В. Транзистор VT1 останется открытым, на неинвертирующем входе ОУ будет стабильное напряжение с резистивного делителя R2R1.
Особенность электронного предохранителя, как уже отмечено выше, — использование сопротивления канала полевого транзистора в качестве датчика тока, что отличает его от аналогичного устройства, описанного в [2]. Основные параметры примененного транзистора: сопротивление канала — 0,027 Ом, максимальный ток стока — 41 А, предельное напряжение сток-исток — 55 В, а максимальная рассеиваемая мощность — 110 Вт. Сопротивление канала открытого транзистора зависит от напряжения на его выводах и температуры корпуса, при напряжении питания более 5…6 В оно изменяется в пределах 20…30 %, что вполне допустимо для таких устройств.
С увеличением потребляемого тока будет расти напряжение и на транзисторе VT1. Когда оно превысит напряжение на резисторе R1, на выходе ОУ напряжение станет уменьшаться, транзистор будет закрываться, а напряжение на нем расти, что приведет к дальнейшему снижению напряжения на выходе ОУ и закрыванию транзистора. Следовательно, когда ток нагрузки достигает определенного значения, устройство скачком закрывает транзистор и обесточивает нагрузку. Светодиод HL1 сигнализирует о том, что устройство выключено. Ток, потребляемый предохранителем в этом состоянии (без учета тока через светодиод), равен несколько миллиампер. Для включения нагрузки необходимо снова кратковременно нажать на кнопку SB 1.
Ток срабатывания предохранителя устанавливают подстроечным резистором R1. Если напряжение питания стабильно, микросхему DA2 и резистор R3 можно исключить, заменив последний проволочной перемычкой. Для устойчивого отключения нагрузки при малом токе срабатывания (менее 1…1.5А) следует увеличить сопротивление датчика тока, включив резистор сопротивлением около 0,1 Ом в цепь стока транзистора VT1 (в разрыв цепи в точке А на рис. 1).
В устройстве можно применить любой ОУ (DA1), работоспособный при нулевом напряжении на обоих входах в условиях однополярного питания. В частности, подойдут отечественные аналоги микросхемы LM358 — КР1040УД1А, К1464УД1Р в корпусе DIP-8 и К1464УД1Т в корпусе SO-8. DA2 — любая микросхема из серии TL431. Транзистор VT1 может быть любым п-канальным из списка, указанного в [1], предпочтительнее выделенный желтым цветом (в этом случае минимальное напряжение питания устройства примерно равно 5 В, иначе оно возрастет до 7 В). Подстроечный резистор — СПЗ-19а, СПЗ-28 или аналогичные импортные. Постоянные резисторы — МЛТ, С2-33, Р1-4, Р1-12. Конденсатор С1 — К10-17В. Кнопка SB1 — любая малогабаритная с самовозвратом. Детали для поверхностного монтажа: DA1 — LM358AM, DA2 — TL431CD (рис. 2), резисторы Р1-12 размещены на печатной плате (рис. 3) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.
Налаживание устройства сводится к установке тока срабатывания подстроечным резистором R1. Интервал изменения этого тока можно установить подбором сопротивления резистора R2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. — Радио, 2001, № 5, с. 45.
2. Нечаев и. Электронный предохранитель. — Радио, 2004, № 3, с. 37.
И. НЕЧАЕВ, г. Курск
“Радио” №6 2005г.
Похожие статьи:
Электронный регистратор событий
Электронный ‘рубильник’
Электронный уровнемер
Электронный выключатель
Post Views: 466
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Вам надоело менять предохранители каждый раз, когда они сгорают? Используйте электронный предохранитель постоянного тока, который будет защищать ваши устройства, подключенные к блоку питания. Этот «предохранитель» может быть восстановлен, просто отключив и снова включив его. Такой предохранитель использует N-канальный FET полевой транзистор как датчик тока. Также транзистор осуществляет отключение линии нагрузки по массе, когда ток превысит максимально допустимое значение.
Схема предохранителя
Печатная плата
Ток отсечки (срабатывания) можно регулировать переменным резистором Р1 от 0 до 5 А. Данная схема может корректно работать с максимальным током нагрузки до 5 ампер. Не перегружайте её, если не хотите сжечь детали. На длительном высоком токе транзистор может становиться горячим, поэтому нужен небольшой радиатор.
Теперь о конденсаторах в базовой цепи — С1 и С2 транзистора Т2. В зависимости от их ёмкости, меняется скорость срабатывания. Например с С1 будет отключаться медленно (пропуская кратковременные пики нагрузки), а С2 мгновенно. При настройке отрегулируйте резистор Р1 до тех пор, пока предохранитель не «перегорит».
Сброс предохранителя прост: отключите его питание, и при повторной подаче напряжения схема готова защитить ваши приборы снова. Устройство подходит как приставка для любого источника питания постоянного тока (с переменным схема не заработает) на напряжение выхода до 25 В. При более высоком напряжении потребуется изменить номиналы некоторых резисторов и поставить транзисторы по мощнее. А для защиты самого БП можно сделать вот эту схему.
Поделитесь полезными схемами
| ТАЙМЕР ПОДАЧИ ВОДЫ Автоматический электронный таймер для подачи воды в бассейн — схема на микроконтроллере для самостоятельной сборки. |
| ПРОСТЕЙШИЙ РАДИОПЕРЕДАТЧИК Как и на какой диапазон можно самому сделать простейший радиопередатчик — схема и фото собранного трансмиттера на одном транзисторе. |
| СХЕМА ВАТТМЕТРА Принципиальная схема простого ваттметра для приблизительного контроля потребляемой мощности. |
| СХЕМА СВЕТОТЕЛЕФОНА Простейшая конструкция приемопередающих узлов светотелефона, не требующих каких-либо дефицитных материалов и обеспечивающих достаточную для практических целей дальность связи. |
