Схемы электронных предохранителей для блоков питания

Эффективные средства защиты источников питания от КЗ и перегрузки по току на мощных биполярных и полевых переключающих МОП-транзисторах. С самого начала появления электрооборудования для его защиты от нештатных токовых перегрузок и короткого замыкания использовались плавкие предохранители. Они удовлетворительно справляются с выполнением большей части своих задач, но ввиду большой инерционности — не всегда способны защитить полупроводниковые компоненты (такие как транзисторы, диоды и т. д.) от серьёзных пиковых перегрузок. Гораздо более эффективным средством защиты являются электронные предохранители. Главными требованиями, предъявляемыми к данным электронным устройствам, являются: высокое быстродействие, относительная простота, экономичность и малые потери напряжения. А в качестве коммутирующих элементов для реализации этих параметров наиболее рациональным является использование мощных полевых переключающих транзисторов. В интернете представлено множество схем, часть из которых совершенно бесполезны, другие не удовлетворяют необходимым требованиям, и как всегда, только лишь небольшая часть данных устройств может удостоиться нашего пристального внимания. При этом необходимо заметить, что электронный предохранитель — это далеко не то же самое, что ограничитель тока. Ограничитель тока — это совсем другое устройство, не всегда способное избавить электронное устройство от выхода из строя, особенно в тех случаях, когда у него на выходе образуется короткозамкнутая нагрузка. Поскольку главным плюсом электронной защиты является высокое быстродействие, то прежде, чем переходить к обсуждению разнообразных схем, необходимо сформулировать общее требование к устройствам, подключаемым к данному типу предохранителей. Требование одно, но важное — все электролитические конденсаторы значительных ёмкостей следует помещать до предохранителя. В противном случае в начальный момент включения блока питания, в зависимости от импеданса входных цепей (сопротивление обмотки трансформатора, динамическое сопротивление выпрямительных диодов и т. д.), на выходе предохранителя возникнет импульс зарядного тока длительностью в несколько миллисекунд и величиной в десятки ампер (при мощном трансформаторе и ёмкости конденсатора в несколько тысяч микрофарад). Этого импульса может оказаться более чем достаточно для, не сказать, что ложного, но абсолютно ненужного срабатывания устройства защиты. Начнём с простой, а потому популярной среди радиолюбителей схемы регулируемого электронного предохранителя, опубликованной в журнале Радио №5, 1988 г., стр.31, под авторством Н. Эсаулова. Регулируемый электронный предохранитель Рис. 1 Это устройство предназначено для защиты цепей постоянного тока от перегрузки по току и замыканий цепи нагрузки. Его включают между источником питания и нагрузкой. Предохранитель выполнен в виде двухполюсника и может работать совместно с блоком питания с регулируемым выходным напряжением в пределах 3…35 В. Максимальное полное падение напряжения на предохранителе не превышает 1,9 В при максимальном токе нагрузки. Ток срабатывания защитного устройства можно плавно регулировать в пределах от 0,1 до 1,5 А независимо от напряжения на нагрузке. Электронный предохранитель обладает хорошими термостабильностью и быстродействием (3… 5 мкс), надежен в работе. В рабочем режиме тринистор VS1 закрыт, а электронный ключ на транзисторах VT1, VT2 открыт током, протекающим через резистор R1 в базу транзистора VT1. При этом ток нагрузки протекает через электронный ключ, набор резисторов R3- R6, переменный резистор R8 и контакты кнопки SB1. При перегрузке падение напряжения на цепи резисторов R3-R6, R8 достигает значения, достаточного для открывания тринистора VS1 по цепи управляющего электрода. Открывшийся тринистор замыкает цепь базы транзистора VT1, что приводит к закрыванию электронного ключа. Ток в цепи нагрузки резко уменьшается; остается незначительный остаточный ток, равный Iост=Uпит/R1. При Uпит=9 В Iост=12 мА, а при 35 В — 47 мА. Для того чтобы восстановить рабочий режим после устранения причины перегрузки, нужно на короткое время нажать на кнопку SB1 и отпустить. При этом тринистор закроется, а транзисторы VT1 и VT2 вновь откроются. В предохранителе лучше использовать тринисторы КУ103А с напряжением открывания 0,4…0,6 В. Устройство, приведённое на схеме (Рис.1), является вполне себе работоспособным, но, тем не менее, удачным я бы его не назвал. Причина этого кроется в большей величине потери напряжения на предохранителе, которое складывается из суммы падений напряжений на эмиттерных переходах транзисторов VT1 и VT2 (1,2. ..1,4В), и падения напряжения на цепи резисторов, которое при максимальных токах будет близко к напряжению открывания тиристора. А напряжение открывания тиристора КУ103А 0,4…0,6 В — это величина, которую можно не обнаружить, даже перекопав сотню изделий, потому как паспортная величина отпирающего напряжение управления на прибор составляет 0,4…2 В. На очереди следующая схема под авторством Игоря Нечаева (Журнал «Радио» №6 2005 г). Электронный предохранитель Рис.2 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 — использование сопротивления канала полевого транзистора в качестве датчика тока. 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. 2). К недостаткам приведённого устройства я бы отнёс расположение датчика тока и коммутирующего элемента в минусовой, т. е. в большинстве случаев — земляной шине блока питания. Это, с одной стороны, может создать сложности с межблоковым соединением (при необходимости) плат к общей земляной шине, с другой — усложнит изготовление защиты для двуполярного БП. Похожие схемы электронных предохранителей (с теми или иными вариациями) можно встретить и в зарубежных источниках. Причём применение они находят в источниках питания с максимальными токами вплоть до десятков и сотен ампер. При столь высоких токах нагрузки, по цепям питания и земли могут наводиться существенные импульсные помехи, которые будут приводить к ложным срабатываниям быстродействующих электронных предохранителей. В таких ситуациях приходится значительно увеличивать порог срабатывания компаратора (вплоть до 0,5…1 В) и одновременно повышать сопротивление датчика тока, что в свою очередь приводит значительному выделению тепла на нём и резкому снижению КПД устройства. Выходом из положения может стать датчик магнитного поля — геркон и несколько сантиметров толстого провода. Рис.3 При прохождении тока через обмотку, намотанную поверх датчика (Рис.3), внутри неё возникает магнитное поле, которое приводит к замыканию контактов геркона. Намотав обмотку из десяти (или любого другого количества) витков и измерив ток срабатывания геркона, можно масштабировать это значение на любой интересующий нас ток. Так например, если геркон КЭМ-1 при десяти витках замыкается при токе через обмотку около 15А, то, намотав 2 витка, мы увеличим ток срабатывания в 5 раз, т. е. до 75 А, а перемещая геркон внутри катушки, сможем регулировать это ток в некоторых пределах вплоть до 85. ..90 А. К достоинствам герконов также можно отнести и относительно высокое быстродействие. Время срабатывания у них, как правило, не превышает 1…2 миллисекунд. Всё, что теперь остаётся — это нарисовать триггерную схему мощного транзисторного ключа, управляемого герконовым токовым датчиком. Рис.4 Схема, приведённая на Рис.4, довольно универсальна и позволяет осуществлять защиту устройтв от перегрузки в широком диапазоне входных напряжений (9…80 вольт) без изменения номиналов элементов. Устройство состоит из транзисторной защёлки, выполненной на элементах Т1 и Т2, и находится в устойчивом состоянии до момента подачи на базу транзистора Т2 короткого положительного или отрицательного импульса. Для того, чтобы включить электронный предохранитель необходимо нажать на нефиксируемый включатель S1, подав на базу Т2 импульс положительной полярности. Срабатывает защита от импульса отрицательной полярности, который формируют контакты геркона SF1. Мощный P-канальный полевой транзистор Т1 следует выбирать с некоторым запасом, исходя из тока срабатывания электронного предохранителя. Подробно рассмотрим данную схему, её достоинства и недостатки, а также возможности модификации на странице ссылка на страницу Приведённая выше схема электронного предохранителя с герконовым датчиком хороша при высоких токах работы устройства, исчисляемых десятками и сотнями ампер. При меньших токах я бы отдал предпочтение резистивным датчикам, позволяющим заранее произвести точный расчёт номиналов элементов, а также ввести плавную или ступенчатую регулировку тока срабатывания. И тут желательно определиться с оптимальной величиной падения напряжения на резистивном датчике, при котором происходит срабатывание порогового устройства и переход предохранителя из проводящего в закрытое состояние. На мой взгляд, величина этого напряжения ~ 0,5 В является компромиссной — как с точки зрения помехозащищённости и отсутствия ложных срабатываний, так и с точки зрения значений КПД электронного предохранителя и падения напряжения на нём. Рис.5 На элементах Т1 и Т2 выполнен транзисторный аналог тиристора со стабильным напряжением срабатывания ~ 0,6В. Ток срабатывания этого тиристора, а соответственно и всего предохранителя зависит от номинала резистора R4, который рассчитывается по формуле: R4 (Ом) ≈ 0,6/Iср (А). Эту схему, её достоинства, недостатки и различные модификации мы так же подробно рассмотрим на странице ссылка на страницу.

Электронный предохранитель

Сетевой Предохранитель на IR2125

Краткое описание

Устройство предназначено для защиты от коротких замыканий в цепях сетевого переменого напряжения ~220В . По принципу действия схема должна при превышении определенного тока сначала переходить в режим стабилизации тока на некоторое время , а потом отключать нагрузку . Были попытки сделать подобное устройство на транзисторах , но не удалось устранить «звон» при стабилизации тока . Также возникла необходимость следить за уровнем напряжения питания управляющей схемы . В результате поисков разных вариантов было решено использовать специализированную микросхему . Выбор пал на одноканальный драйвер с ограничением тока IR2125 производства International Rectifier,. Эта микросхема имеет следующие особенности:

• Блокировка при снижении напряжения
• Обратная связь по контролю и ограничению тока силового транзистора
• Вывод ERR для сигнализации об аварийном выключении и установки времени анализа состояния перегрузки
• Выход в фазе с входом
• Напряжение питание 10…20В
• Выходные токи : ± 1 А / 2 А
• Выходное напряжение : 12 – 18В
• Напряжение срабатывания защиты по входу CS: 230 мВ

Типовая схема включения IR2125

Для измерения тока в истоке силового транзистора установлен резистор , номинал которого определяют ток защиты. Конденсатор , подключенный к выводу ERR, определяет время анализа состояния перегрузки. При С=300пФ, время анализа составляет около 10мкс. На это время включается схема стабилизации тока транзистора и напряжение на затворе снижается. Если состояние перегрузки не прекращается, то через 10мкс транзистор отключается полностью.

Все это и было примененно для проектирования эллектронного предохранителя .

Основные характеристики электронного предохранителя

1. Рабочее напряжениe………………………………. ~ 220
2. Максимальная мощность нагрузки…………..1кВт
3. Сигнализация срабатывания защиты………..светодиодная
4. Способ повторного включения………………….автовозврат
5. Ограничение применения…………………………не рекомендуется подключать двигатели мощностью около и более 1 кВт

Схема электрическая принципиальная    Увеличить

Через диод VD6 поступают запускающие импульсы с частотой 50 Гц . Это обеспечивает автовозврат в случае срабатывания защиты , после снятия перегрузки . К тому же автовозврат будет происходить в момент нулевого напряжения сети . Через R7, VD5 осуществляется «самоподхват». Элементы R7, C3, C5 обеспечивают помехоустойчивость. Светодиод HL1 сигнализирует о срабатывании защиты. Для контроля тока предусмотрен выход на стрелочный индикатор с током отклонения 0,22-0,05 mA .

По поводу 5-го пункта технических характеристик . Если произойдет срабатывание защиты и отключение двигателя в некоторый момент, то на напряжение сток — исток будет стремитьсь к значению Uc+ Uг , где Uc — напряжение сети в момент отключения , Uг — напряжение которое будет развивать двигатель работающий в режиме генератора . В некоторых случаях это напряжение может достигать 900 В . Для работы в этом режиме необходимо ставить более высоковольтный транзистор VT1 ( например IGBT на 1200В ) и варистор VR1 .

Часть элементов устанавливается на одностороней печатной плате размером 50х70мм и соединяется с силовой частью короткими проводками .

Проект платы управления

Элементы VD1, VT1, R1 , VR1 устанавливаются непосредственно на радиаторе достаточно большого размера . Например 110х72мм с шестью продольными ребрами 72х40мм. При этом желательно чтобы тепловой контакт с радиатором , кроме транзистора VT1 , имели мост VD1 и токовый резистор R1 .

Файлы для скачивания    Скачать

1. Сетевой предохранитель на IR2125.pdf   pdf-версия статьи
2. Сетевой предохранитель на IR2125_Схема.GIF    Схема электрическая принципиальная
3. Сетевой предохранитель на IR2125_Плата.GIF   Рисунок дорожек печатной платы
4. ir2125.pdf    Документация на IR2125 (англ.)

Электронный предохранитель постоянного тока

Конструкция и работа цепи

Предохранитель является жизненно важным защитным устройством для многих электронных устройств. Они просто контролируют ток, потребляемый цепью/нагрузкой, и в случае небезопасного тока, протекающего через цепь, плавкий предохранитель перегорает сам по себе и, таким образом, предотвращает повреждение формы нагрузки/цепи из-за этого высокого тока. Этот тип предохранителя называется механическим предохранителем , и существует много типов предохранителей, таких как быстродействующие, медленнодействующие и т. д., но они имеют один общий недостаток. Если предохранитель перегорел, потребитель/оператор должен заменить его, чтобы устройство снова заработало. По этой причине многие старые электронные устройства, такие как тостер или электрический чайник, поставлялись вместе с изделием с запасным предохранителем.

Чтобы преодолеть этот недостаток, в большинстве современных электронных устройств используется электронный предохранитель . Электронный предохранитель служит той же цели, что и механический предохранитель, но не требует замены . Он имеет силовой электронный переключатель внутри, который замыкает и размыкает цепь по мере необходимости. В маловероятном случае отказа переключатель размыкает цепь и изолирует ее от источника питания, как только благоприятные условия возвращаются, предохранитель можно сбросить , просто нажав кнопку. Нет проблем с покупкой предохранителя подходящего номинала и заменой его на старый. Интересно правда?!! Итак, в этом уроке мы изучим как построить схему электронного предохранителя , как она работает и как вы можете использовать ее в своих проектах.

 

Схема цепи электронного предохранителя:

Полная схема цепи электронного предохранителя показана ниже. Как показано на схеме, в ней задействовано всего несколько цепей, поэтому ее легко сконструировать и внедрить в наши проекты.

Здесь схема построена для контроля рабочего тока двигателя (НАГРУЗКА), который работает от 12В. Вы можете заменить нагрузку любой цепью, ток которой вы пытаетесь контролировать. Резистор R1 определяет, какой ток может быть пропущен через цепь, прежде чем цепь среагирует на сценарий перегрузки по току. Мы обсудим функциональность каждого компонента и то, как выбрать значения в зависимости от ваших требований.

 

Работа:

Работу схемы электронного предохранителя можно легко понять, взглянув на , как работает SCR . В нормальных условиях пользователь должен нажать кнопку, чтобы подключить нагрузку к источнику питания. Когда кнопка нажата, вывод затвора SCR подключается к источнику напряжения через резистор 1 кОм. Это вызовет срабатывание SCR и, таким образом, закроет соединение между выводом катода и анода. Как только соединение закрыто, ток начинает течь от источника (+12 В) к нагрузке через вывод анод-катод тиристора.

Когда кнопка отпущена, тиристор останется включенным, потому что нет коммутационной цепи для его выключения. Таким образом, SCR фиксируется в состоянии ON и остается в нем до тех пор, пока ток не упадет ниже удерживающего тока SCR.

Что означает коммутация в тиристорах (SCR)?

Тиристор, однажды включенный по сигналу, не выключится сам по себе при снятии сигнала. Таким образом, чтобы выключить тиристор, нам нужна внешняя цепь, и эта цепь называется коммутационной схемой. Процесс включения тиристора путем подачи импульса затвора называется запуском, а процесс выключения тиристора называется коммутацией.

Что такое удерживающий ток в тиристоре (SCR)?

Ток удержания (не путайте его с током фиксации) — это минимальное значение тока, которое должно протекать через выводы анода и катода тиристора, чтобы он оставался включенным. Если значение тока становится ниже этого значения, тиристор выключается сам по себе без какой-либо внешней коммутации.

 

В нашей схеме используется тиристор TYN612 с максимальным током удержания 30 мА (значение см. в техническом описании), поэтому, если ток, протекающий через анод и катод, становится меньше 30 мА, тиристор включится сам. ВЫКЛЮЧЕННЫЙ. Таким образом, изолируя мощность от нагрузки.

Резистор R1 (0,2 Ом) и транзистор (2N2222A) играют жизненно важную роль в отключении SCR. В нормальных условиях, когда работает нагрузка (двигатель), он потребляет ток через резистор R1. По закону Ома падение напряжения на резисторе можно рассчитать как

Напряжение на резисторе = Ток в цепи x Значение резистора 

Таким образом, согласно формулам, падение напряжения на резисторе прямо пропорционально току, протекающему по цепям. С увеличением тока будет увеличиваться и падение напряжения на резисторе, когда это падение напряжения превысит значение 0,7В. Транзистор включается, потому что резистор подключен непосредственно к выводам базы и эмиттера транзистора. Когда транзистор закрывается, полный ток, необходимый для схемы, на мгновение протекает через транзистор, в течение которого SCR отключается, поскольку ток через него становится ниже тока удержания, а падение напряжения на резисторе также становится равным 0 В, поскольку ток через него не протекает. . Наконец, транзистор и тринистор отключаются, а нагрузка (двигатель) также отключается от источника питания. Полная работа также проиллюстрирована с помощью GIF-изображения ниже.

Амперметр помещается через резистор для контроля тока, протекающего через клемму анод-катод тиристора. Этот ток не должен опускаться ниже тока удержания тиристора (ток удержания тиристора в моделировании составляет 5 мА), если он упадет ниже этого значения, тиристор отключится. Кроме того, к резистору 150 Ом подключается вольтметр, чтобы контролировать напряжение на нем и проверять, срабатывает ли NPN-транзистор до закрытия SCR.

 

Оборудование:

Как было сказано ранее, эта схема имеет минимальное количество компонентов, она включает в себя один тринистор, один транзистор и пару резисторов. Следовательно, его можно легко проанализировать, построив на макетной плате. Опять же, это зависит от вашего приложения. Если вы планируете что-то более 2А, ​​то макет не рекомендуется. Я построил схему электронного предохранителя на макетной плате , и она выглядела примерно так, как показано ниже.

Как вы можете видеть на изображении, я использовал светодиодную ленту в качестве нагрузки, вы можете использовать другую нагрузку или даже подключить свою цепь, которая должна быть защищена. Чтобы подключить нагрузку к источнику питания, мы должны нажать кнопку, которая включит SCR. Также обратите внимание, что я использовал резистор 2 Вт 0,2 Ом в качестве резистора R2, поскольку мы должны допускать большое значение тока, всегда важно учитывать номинальную мощность этого резистора.

Так как я не смог создать состояние неисправности, увеличив номинальный ток, я уменьшил напряжение, чтобы вызвать неисправность и, таким образом, уменьшить ток через SCR. В качестве альтернативы вы также можете закоротить вывод коллектора-эмиттера транзистора проводом, чтобы ток протекал по проводу, а не через SCR, и, таким образом, SCR выключится. После того, как неисправность обнаружена и устранена, цепь можно снова включить, просто нажав кнопку, как и раньше. Полная работа схемы также показана на видео ниже. Надеюсь, вы поняли схему и получили удовольствие от ее изучения. Если у вас есть какие-либо сомнения, не стесняйтесь оставлять их в разделе комментариев ниже или использовать форумы для получения технической помощи.

 

Ограничения:

Как и все схемы, эта также имеет определенные ограничения. Если вы считаете, что это повлияет на вашу конструкцию, вам следует найти альтернативу

• Весь ток нагрузки протекает через резистор R2, следовательно, на нем есть потери мощности. Следовательно, эта схема не подходит для приложений с батарейным питанием
.
• Номинальный ток, на который рассчитан предохранитель, не будет точным, так как каждый резистор будет немного отличаться, и по мере старения свойства резистора также будут меняться.
• Эта схема не будет реагировать на внезапные скачки тока, поскольку транзистору требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения.

Загрузка документации по продукту и программного обеспечения

Категория документа

3d

CAD, чертежи и кривые

Технические чертежи для наших продуктов.

80 841

стр.

Каталоги и брошюры

Обзоры продуктов и документы по выбору.

207 957

action_test

Оценка соответствия

10 768

котировка

Спецификации

198 974

box2

Руководства по установке и эксплуатации

Инструкции по установке, программированию и обслуживанию продуктов.

29 434

прошивка_обновление

Программное и микропрограммное обеспечение

Все выпуски программного обеспечения и обновления доступны для загрузки.

4 181

action_print_preview

Решения

1 228

страница

Устойчивое развитие

354 240

action_settings1

Техническая информация

Сертификаты продукции, технические характеристики и многое другое.

315 831

earth_arrow

Обучение, мероприятия и вебинары

164

media_video

Видео

530

open_book

Белая книга

Откройте для себя наш обширный портфель решений

820

3d

CAD, чертежи и кривые

Технические чертежи для наших продуктов.

80 841

стр.

Каталоги и брошюры

Обзоры продуктов и документы по выбору.

207 957

action_test

Оценка соответствия

10 768

котировка

Спецификации

198 974

box2

Руководство по установке и эксплуатации

Инструкции по установке, программированию и обслуживанию продуктов.

29 434

Посмотреть еще

3d

CAD, чертежи и кривые

Технические чертежи для наших продуктов.

80 841

стр.

Каталоги и брошюры

Обзоры продуктов и документы по выбору.

207 957

action_test

Оценка соответствия

10 768

котировка

Спецификации

198 974

box2

Руководства по установке и эксплуатации

Инструкции по установке, программированию и обслуживанию продуктов.