Несложная схема защиты от короткого замыкания | Сделай Сам — Своими Руками
Схема защиты цепей постоянного тока проста в сборке и не нуждается в настройке. Способна не только отслеживать короткое замыкание в цепи, но и следить за понижением напряжения на нагрузке. Устройство умеет индикацию работы и кнопку запуска.
Для сборки понадобятся следующие детали:
- Операционный усилитель LM358 — http://ali.pub/5jqqeg
- Микросхема-стабилизатор TL431 — http://alii.pub/5mclsi
- Тактовая кнопка — http://alii.pub/5nnu8o
- Светодиод — http://alii.pub/5lag4f
- Транзистор IRFZ441N — http://alii.pub/5ct567
- Переменный резистор 50 кОм — http://alii.pub/5o27v2
- Резисторы: 3 кОм, 200 кОм, 1 кОм — 2 штуки — http://alii.pub/5h6ouv
Принципиальная схема
Устройство защиты состоит из ключа на транзисторе, который коммутирует нагрузку с источником тока. Транзистором в свою очередь управляет операционный усилитель, собранный на микросхеме LM358, который берет данные с нагрузки и стабилизатора напряжения, собранного на TL431.
Переменным резистором задается порог срабатывания. Как только на нагрузке напряжение упадет ниже порога срабатывания, операционный усилитель закроет ключ и нагрузка обесточится.
Изготовление устройства защиты от короткого замыкания
Схема собирается навесным монтажом. В роли шин питания использованы толстые металлические проводники. Слева вход питания с блока, справа выход на нагрузку.
Проверка в работе и настройка
Подключаем схему в цепь. В роли нагрузки используется лампа накаливания. В роли источника — регулируемый источник постоянного тока на напряжение 5-15 В.
Пока устройство выключено — горит светодиод. Если нажать на кнопку, а лампа не загорится, значит на переменном резисторе установлен слишком большой порог. Нужно взять отвертку и выставить нужный.
Теперь если нажать на кнопку, то загорится лампочка. Схема работает. Стоит только замкнуть вывода лампы, как устройство тут же отключит ее от питания. И будет ждать повторного включения кнопкой.
Одна полезная функция схемы
Данная схема может не только работать зажитой от КЗ, но и зажитой от чрезмерной нагрузки двигателя. Для наглядности подключим двигатель постоянного тока вместо лампы накаливания. Нажмем на кнопку, вал мотора крутится как надо.
Теперь, если затормозить вал двигателя пальцем, в цепи «просядет» напряжение и устройство отключит двигатель, тем самым защитив его и источник питания.
Данная функция может быть крайне полезной для различных целей.
Смотрите видео
Подробную сборку и испытание устройства смотрите ниже:
Как сделать простейший драйвер для двигателя старого HDD — https://sdelaysam-svoimirukami.ru/7804-kak-sdelat-prostejshij-drajver-dlja-dvigatelja-starogo-hdd.html
Поделиться в социальных сетях
Вам может понравиться
Защита от перегрузки в MOSFET драйверах
Одними из главных элементов, которые применяются в мощных импульсных преобразователях (источниках питания), являются силовые транзисторы IGBT и MOSFET.
Их уникальные статические и динамические характеристики позволяют создавать приборы, которые имеют выходную мощность в сотни кВт при минимальных габаритах и КПД, превышающем 95%.
IGBT и MOSFET транзисторы имеют схожие характеристики управления, поскольку общим является изолированный затвор.
Так как данные транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент тока короткого замыкания, появилась возможность создавать транзисторы, устойчивые к короткому замыканию.
Падение напряжения управления до значения, при котором транзистор может перейти в линейный режим и выйти из строя из-за перегрева кристалла, является опасным для ключевых элементов с управляющим электродом.
Отсутствие тока управления в статических режимах и общее низкое потребление по цепям питания позволяет отказаться от гальванически изолированных схем управления на дискретных элементах и создать интегральные схемы управления — драйверы.
В настоящее время ряд фирм выпускает большой ассортимент таких устройств, управляющих одиночными транзисторами, полумостами и мостами — двух и трехфазными.
Кроме обеспечения тока затвора они способны выполнять и ряд вспомогательных функций, таких, как защита от перегрузки по току, падения напряжения управления и ряд других.
Далее рассматриваются способы использования серийных драйверов для режимов защиты.
Режим короткого замыкания
Рис.1.
Причины возникновения токовых перегрузок бывают различные. Чаще всего это аварийные случаи, такие как пробой на корпус или замыкание нагрузки.
Перегрузка может быть вызвана и особенностями схемы, например, переходным процессом или током обратного восстановления диода оппозитного плеча.
Данные перегрузки должны быть устранены схемотехническими методами: применением цепей формирования траектории (снабберов), выбором резистора затвора, изоляцией цепей управления от силовых и др.
Включение транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки.
Рис.2
Принципиальная схема и эпюры напряжения, соответствующие режиму короткого замыкания, приведены на рис.
1а и 2.
Данные графики получены при анализе реальных схем с помощью специального программного обеспечения. Для анализа были использованы усовершенствованные модели транзисторов MOSFET и макромодели IGBT и драйверов.
Максимальный ток в цепи коллектора транзистора ограничен напряжением на затворе и крутизной транзистора. В следствии наличия емкости в цепи питания, внутреннее сопротивление источника питания не влияет на ток короткого замыкания.
В момент включения ток в транзисторе нарастает плавно из-за паразитной индуктивности LS в цепи коллектора (средний график на рис.2). По этой же причине напряжение имеет провал (нижний график).
После окончания переходного процесса к транзистору приложено полное напряжение питания, что приводит к рассеянию колоссальной мощности в кристалле. Режим КЗ нужно прервать через определенное время, которое необходимо для исключения ложного срабатывания.
Это время обычно составляет 1-10мкс. Естественно, что транзистор должен выдерживать перегрузку в течение этого времени.
Короткое замыкание нагрузки у включенного транзистора.
Принципиальная схема и эпюры напряжения, соответствующие этому режиму, приведены на рис. 1 и 3.
Как видно из графиков, процессы в этом случае происходят несколько иначе. Ток, как и в предыдущем случае ограниченный параметрами транзистора, нарастает со скоростью, определяемой паразитной индуктивностью Ls (Средний график на рис.3).
Перед тем, как ток достигнет установившегося значения, начинается увеличение напряжения Vce (нижний график). Напряжение на затворе увеличивается за счет эффекта Миллера (верхний график).
Соответственно возрастает и ток коллектора, который может превысить установившееся значение. В этом режиме помимо отключения транзистора необходимо предусмотреть и ограничение напряжения на затворе.
Рис.3.
Как было отмечено ранее, установившееся значение тока КЗ определяется напряжением на затворе. Однако снижение этого напряжения приводит к повышению напряжения насыщения и, следовательно, к увеличению потерь проводимости.
Устойчивость к КЗ тесно связана и с крутизной транзистора. IGBT с высоким коэффициентом усиления по току имеют низкое напряжение насыщения, но небольшое допустимое время перегрузки. Как правило транзисторы, наиболее устойчивые к КЗ имеют высокое напряжение насыщения и, следовательно, высокие потери.
Допустимый ток КЗ IGBT гораздо выше, чем у биполярного транзистора. Обычно он равен 10-кратному номинальному току при допустимых напряжениях на затворе. Ведущие фирмы, такие как International Rectifier, Siemens, Fuji выпускают транзисторы, выдерживающие без повреждения такие перегрузки.
Этот параметр оговаривается в справочных данных на транзисторы и называется Short Circuit Ration., а допустимое время перегрузки — tsc — Short Circuit Time.
Быстрая реакция схемы защиты весьма полезна для большого количества применений. Применение таких схем защиты в сочетании с высокоэффективными IGBT повышают эффективность работы схемы без снижения надежности.
ИВЭП серии ПНВ27 рассчитаны на питание от сети постоянного тока напряжением в диапазоне от 22В до 34В.
Задать вопрос
<< Предыдущая Следующая >>
Полное руководство по электронным схемам защиты
Все электронные устройства нуждаются в защитных схемах. Они используются, как следует из названия, либо для защиты источника питания от вынужденной подачи чрезмерного тока при перегрузке или коротком замыкании, либо для защиты подключенной цепи от обратного подключения источника питания или напряжения, превышающего расчетное напряжение схемы. Их можно классифицировать следующим образом:
Защита от перенапряжения
Схема «ломика» (показана на рис. 1) может защитить ваше устройство от перенапряжения. При нормальном использовании питание 12 В поступает на выход через диод обратной защиты и предохранитель. Стабилитрон выбран чуть выше; в данном случае 15В. Когда входное напряжение достигает 15 В, стабилитрон проводит, устанавливая напряжение на резисторе R2. Когда оно достигает напряжения срабатывания SCR (менее 1 В), SCR срабатывает, создавая короткое замыкание на входе, что приводит к перегоранию предохранителя.
C1 гарантирует, что пики, вызванные переходными процессами переключения, не вызовут срабатывание SCR. Тиристор и стабилитрон должны выдерживать внезапный пусковой ток до тех пор, пока не перегорит предохранитель.
На рисунке 2 показана почти такая же схема, за исключением того, что стабилитрон был заменен программируемым стабилитроном (U1), который называется прецизионным программируемым эталоном TL431. Изменяя напряжение на его входе с помощью R6, вы можете установить напряжение запуска, обеспечивая гораздо большую гибкость. Наконец, на рис. 3 показана та же схема, добавленная к регулятору напряжения и индикатору перегоревшего предохранителя, а также изображение завершенного проекта.
Рис. 2: Программируемая защита от перенапряжения Рис. 3: Проект регулятора с защитой от перенапряженияГотовая печатная плата для приведенной выше схемы
Другой формой перенапряжения является кратковременный скачок напряжения в линии электропередачи.
Скорее всего, это проблема на конце блока питания переменного тока. Часто используемое решение состоит в том, чтобы подключить к источнику питания варистор на основе оксида металла (MOV). MOV подобен высокомощному резистору (несколько сотен кОм), который очень быстро реагирует на повышение напряжения. Во время переходных падений его сопротивление достаточно низкое, чтобы избежать всплеска. См. рис. 4 ниже.
Защита от перегрузки по току
В предыдущей статье мы рассмотрели регуляторы напряжения и способы ограничения электрического тока. Давайте еще раз посмотрим на это сейчас.
На рис. 5 транзистор Q8 является основным проходным транзистором, регулируемым транзисторами Q10 и D8. Часть перегрузки по току — R19 и Q9. Если напряжение между базой и эмиттером Q9 достигает 0,6 В, Q9 начинает включаться. Затем это «отнимает» ток у основания Q8, заставляя его начать отключаться. Хитрость заключается в том, чтобы спроектировать R19падение 0,6В на токе отсечки.
Итак, если мы хотим отсечь при 2 А, R=V/I = 0,6/2 = 0,3 или 0,33 Ом. Поскольку он несет полный ток нагрузки, он должен потреблять его, возможно, типа 5 Вт.
Обратите внимание, что вы должны оставить длину выводов на компонентах, которые, как ожидается, будут немного нагреваться, и увеличить площадь контакта с печатной платой. Кроме того, припаяйте его, чтобы значительно увеличить их способность рассеивать тепло (но не делайте этого с ВЧ-компонентами!).
Рисунок 5: Регулятор с защитой от перегрузки по токуДругая защита от перегрузки по току
Конечно, есть и другие устройства перегрузки по току, такие как предохранители и автоматические выключатели для больших токов переменного тока, возможно, в вашем домашнем электроснабжении.
Предохранители — это просто специальная тонкая проволока, которая быстро нагревается и плавится. К ним были добавлены различные устройства, такие как натяжные пружины, чтобы замедлить их срабатывание, и порошок, окружающий плавкий предохранитель, чтобы предотвратить разбивание стекла при срабатывании.
Предохранители обычно выбираются с номиналом 150% нормального тока. Здесь есть хорошая статья о предохранителях.
Автоматические выключатели — отдельная тема. Но проще говоря, это простые выключатели, у которых есть механизм их срабатывания. В обычном автоматическом выключателе это биметаллическая полоса, по которой протекает ток и изгибается при нагреве. Затем он механически прикрепляется к расцепляющему механизму и срабатывает при определенном токе. Автоматические выключатели также имеют небольшой индуктивный компонент, поэтому выключатель можно настроить на медленное срабатывание при перегрузке или очень быстрое срабатывание при коротком замыкании. Вот отличное видео, показывающее замедленное отключение.
Защита от обратной полярности Защита Защиту от обратной полярности реализовать проще всего. Подойдет простой диод на пути входящего питания. Но это должно иметь соответствующий текущий рейтинг. На рисунке 6 1N4006 имеет номинальный ток 1 А и PIV (пиковое обратное напряжение) 800 В, так что этого должно быть достаточно для большинства проектов.
Диод вызовет постоянное падение напряжения от 0,6 до 0,7 В, но это не должно быть проблемой. Однако, если у вас есть схема, которая должна работать при очень низком напряжении, падение 0,6 В на последовательном диоде может стать проблемой. В этом случае на рис. 6 (справа) показан шунтирующий диод.
При обратном входном напряжении диод открывается, что приводит к перегоранию предохранителя. Это работает, но есть некоторые вещи, о которых следует знать, например, диод должен выдерживать полную мощность источника питания в течение времени, необходимого для срабатывания предохранителя. Это будет существенно, и необходим диод по крайней мере от 5 до 10 А.
Рисунок 6: Защита от обратного напряженияЗащита от обратной полярности противо-ЭДС
Существует еще одна форма обратной полярности, которая возникает, когда вы этого не ожидаете. Каждый раз, когда индуктивность, по которой течет ток, отключается, накопленное магнитное поле в катушке индуктивности должно разрушиться, и он попытается сделать это в обратном направлении через свои клеммы.
Наконец, помните, что плавкие предохранители работают медленно. Есть шутка, в которой говорится, что транзистор за 50 долларов часто перегорает первым, чтобы защитить предохранитель за 10 центов! Не стесняйтесь оставлять комментарии ниже, если у вас есть вопросы…
Защита от перегрузки по току/короткого замыкания с использованием ОУ LM358 »Hackatronic
Учебник по электронике Схемы защиты
Опубликовано Автор Abhishek Singh Комментарий(0)
Это регулируемая защита от перегрузки по току и короткого замыкания с использованием ОУ LM358. В этой статье мы увидим, как можно сделать защиту от короткого замыкания с помощью ОУ LM358.
Короткое замыкание возникает, когда ток, протекающий в цепи, обходит нагрузку и течет по пути с наименьшим или нулевым сопротивлением. Мы можем сделать короткое замыкание, соединив положительные и отрицательные клеммы источника питания (здесь речь идет только о питании постоянного тока). Когда происходит короткое замыкание, по цепи протекает сильный ток. У этого тока нет среды для рассеивания электроэнергии, поэтому он вызывает много тепла и даже пожар. Поэтому мы должны предотвращать короткие замыкания. Мы можем сделать это, используя схему защиты от короткого замыкания.
ОУ переключает выходную нагрузку с помощью МОП-транзистора, мы использовали 
Для питания схемы мы использовали регулятор напряжения LM7809. Это линейный стабилизатор напряжения 9В 1А с широким входным напряжением.
Какие компоненты необходимы для защиты от короткого замыкания:- Блок питания от 12 В до 30 В
- LM7809 Регулятор напряжения 9В.
- IRF540N n-канальный МОП-транзистор.
- Радиатор для МОП-транзистора.
- LM358D двойной операционный усилитель IC.
- Электролитический конденсатор 100 мкФ/25 В.
- Потенциометр 50k.
- Резистор R1 1 Ом 2 Вт.
- Резистор R2 1 кОм.
- Резистор R3 1 МОм.
- Резистор R4 100 кОм.
LM7809 выдает 9 В на выводе 3, фильтрующий конденсатор емкостью 100 мкФ используется для фильтрации любых колебаний и обеспечения плавности выходного сигнала.
LM358 — это интегральная схема операционного усилителя общего назначения с двумя операционными усилителями, но мы используем только один.
PIN 3 OPAMP подключается к переменной клемме потенциометра. контакт 1 — это выходной терминал OPAMP, он подключен к затвору MOSFET IRF540N. Клемма стока MOSFET подключается к земле нагрузки, тогда как клемма истока подключается к земле. Опорное напряжение на резисторе R1 подается на вывод 2 операционного усилителя. R4 — сопротивление обратной связи, соединяющее вход и выход.
Эта схема направлена на отключение нагрузки, как только происходит короткое замыкание или перегрузка по току, путем переключения MOSFET Q1. Итак, как схема обнаружит перегрузку по току? Это делается шунтирующим резистором R1, сопротивлением 1 Ом и мощностью 2 Вт. Этот метод известен как Измерение тока шунтирующего резистора .
Ток течет от нагрузки к выводу стока MOSFET, а затем к земле через резистор 1 Ом. По закону Ома V = I x R, где V — напряжение, I — ток, а R — сопротивление.
Падение напряжения на шунтирующем резисторе 1 Ом подается на инвертирующий вывод операционного усилителя IC на выводе 2. Это напряжение сравнивается с опорным напряжением, установленным на выводе 3 операционного усилителя. Вы можете отрегулировать опорное напряжение, вращая потенциометр. Когда напряжение на инвертирующей клемме OPAMP становится больше, чем на выходе неинвертирующей клеммы на клемме 1, становится низким, и MOSFET переключается в состояние OFF, нагрузка отключается, и, таким образом, обеспечивается защита от перегрузки по току или короткого замыкания.
Мы использовали резистор R4 сопротивлением 100 кОм в качестве обратной связи между выходом и входом.
