Меню

Электрическая схема защиты по току



Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Простая схема защиты от превышения тока на основе операционного усилителя

Схемы защиты жизненно важны для любого электронного прибора. Защита от перенапряжения, защита от короткого замыкания, защита от обратной полярности и т.д. – все это очень важно в электронике. В этой статье вы узнаете, как спроектировать и собрать простую схему защиты от перегрузки по току с использованием операционного усилителя.

Простая схема защиты от превышения тока на основе операционного усилителя

Защита от превышения тока или перегрузки по току часто используется в цепях электропитания для ограничения выходного тока блока питания. Термин «Перегрузка по току» – это состояние, когда нагрузка потребляет большой ток, чем указанные возможности блока питания. Это может быть опасной ситуацией, поскольку состояние перегрузки по току может повредить источник питания. Поэтому инженеры обычно используют схему защиты от превышения тока для отключения нагрузки от источника питания во время таких случаев неисправности, таким образом защищая нагрузку и источник питания.

Существует много типов цепей защиты от перегрузки по току. Сложность схемы зависит от того, как быстро защитная цепь должна реагировать в ситуации перегрузки по току. В этом проекте мы создадим простую схему защиты от перегрузки по току с использованием операционного усилителя, который очень часто используется и может быть легко адаптирован для ваших проектов.

Схема, которую мы собираемся спроектировать, будет иметь настраиваемое пороговое значение максимального тока, а также функцию автоматического перезапуска при сбое. Поскольку это схема защиты от перегрузки по току на основе операционного усилителя, в качестве приводного устройства будет использоваться операционный усилитель. Для этого проекта используется ОУ общего назначения LM358. На рисунке ниже показана схема контактов LM358.

LM358

Как видно на изображении выше, внутри одного корпуса у нас будет два канала операционного усилителя. Однако для этого проекта используется только один канал. Операционный усилитель будет переключать (отключать) выходную нагрузку с помощью полевого транзистора (MOSFET). Для этого проекта используется N-канальный MOSFET IRF540N. Рекомендуется использовать надлежащий радиатор для MOSFET, если ток нагрузки превышает 500 мА. Однако для этого проекта MOSFET используется без радиатора. На изображении ниже представлена схема распиновки IRF540N.

IRF540N

Для питания операционного усилителя и схемы используется линейный стабилизатор напряжения LM7809. Это линейный стабилизатор напряжения на 9 В 1 А с широким номинальным входным напряжением. Распиновку можно увидеть на следующем изображении.

LM7809

Простая схема защиты от превышения тока может быть разработана с использованием операционного усилителя для определения перегрузки по току, и на основании полученного результата мы можем управлять полевым транзистором для отключения / подключения нагрузки к источнику питания. Принципиальная схема этого проекта проста, и ее можно увидеть на следующем рисунке.

Простая схема защиты от превышения тока на основе операционного усилителя

Как видно из принципиальной схемы, MOSFET IRF540N используется для управления нагрузкой как ВКЛ или ВЫКЛ во время нормального состояния и состояния перегрузки. Но прежде чем отключить нагрузку, важно определить ток нагрузки. Это делается с помощью резистора R1, который представляет собой шунтирующий резистор 1 Ом с номинальной мощностью 2 Вт. Этот метод измерения тока называется измерением тока с помощью шунтирующего резистора.

Во время включенного состояния MOSFET ток нагрузки протекает через сток MOSFET к истоку и, наконец, к GND через шунтирующий резистор. В зависимости от тока нагрузки шунтирующий резистор создает падение напряжения, которое можно рассчитать по закону Ома. Поэтому предположим, что для 1 А тока (тока нагрузки) падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1 В при V = I x R (V = 1 A x 1 Ом). Таким образом, если это падение напряжения сравнивать с предварительно определенным напряжением с помощью операционного усилителя, мы можем обнаружить ток перегрузки и изменить состояние полевого транзистора, чтобы отключить нагрузку.

Операционный усилитель обычно используется для выполнения математических операций с напряжением, таких как сложение, вычитание, умножение и т. д. Поэтому в этой схеме операционный усилитель LM358 сконфигурирован как компаратор. Согласно схеме, компаратор сравнивает два значения. Первый из них является падение напряжения через шунт, а другой представляет собой предопределенное напряжение (опорное напряжение), используя переменный резистор или потенциометр RV1. RV1 действует как делитель напряжения. Падение напряжения на шунтирующем резисторе определяется инвертирующим выводом компаратора и сравнивается с опорным напряжением, которое подключено к неинвертирующему выводу операционного усилителя.

В связи с этим, если считанное напряжение меньше, чем опорное напряжение, компаратор будет производить положительное напряжение на выходе, которое близко к напряжению питания VCC компаратора. Но, если считанное напряжение больше, чем опорное напряжение, компаратор будет выдавать отрицательное напряжение питания на выходе (отрицательное питание подключено через GND, поэтому 0 В в данном случае). Это напряжение достаточно для включения или выключения MOSFET.

Но когда высокая нагрузка будет отключена от источника питания, переходные изменения создадут линейную область характеристики компаратора, и это создаст петлю (гистерезис), в которой компаратор не сможет правильно включить или выключить нагрузку, и операционный усилитель станет нестабильным. Например, предположим, 1 А устанавливается с помощью потенциометра для перевода полевого транзистора в состояние ВЫКЛ. Поэтому переменный резистор настроен на выход 1 В. В ситуации, когда компаратор обнаруживает, что падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1,01 В (это напряжение зависит от точности операционного усилителя или компаратора и других факторов), компаратор отключит нагрузку. Переходные изменения происходят, когда высокая нагрузка внезапно отключена от блока питания, и это кратковременное повышение опорного напряжения, которое заставляет его работать в линейной области.

Читайте также:  Расчет тока возбуждения синхронного генератора

Лучший способ для решения этой проблемы заключается в использовании стабильного питания через компаратор, где переходные изменения не влияют на входном напряжение компаратора и источник опорного напряжения. В этой схеме это выполняется с помощью линейного стабилизатора LM7809 и с использованием гистерезисного резистора R4, резистора на 100 кОм. LM7809 обеспечивает надлежащее напряжение на компараторе, так что переходные изменения на линии электропередачи не влияют на компаратор. Конденсатор C1 на 100 мкФ используется для фильтрации выходного напряжения.

Гистерезисный резистор R4 подает небольшую часть входного сигнала на выход операционного усилителя, который создает разрыв напряжения между низким порогом (0,99 В) и высоким порогом (1,01 В), когда компаратор изменяет свое состояние выхода. Компаратор не изменяет состояние немедленно, если достигается пороговая точка, вместо этого, чтобы изменить состояние с высокого на низкое, уровень измеряемого напряжения должен быть ниже, чем нижний порог (например, 0,97 В вместо 0,99 В). или чтобы изменить состояние с низкого на высокое, измеренное напряжение должно быть выше верхнего порога (1,03 вместо 1,01). Это повысит стабильность компаратора и уменьшит ложные срабатывания. Кроме этого резистора, R2 и R3 используются для управления затвором. R3 – резистор затвора полевого транзистора.

Схема собрана на макетной плате и протестирована с использованием настольного источника питания и переменной нагрузки постоянного тока.

Простая схема защиты от превышения тока на основе операционного усилителя

Схема была протестировано, в результате испытаний выход успешно отключался при различных значениях, установленных переменным резистором.

Источник

Блок питания с токовой защитой

Интерактивные курсы для интернет-специалистов

В радиолюбительской практике порой требуется блок питания, в котором имеется возможность регулировать не только выходное напряжение, но и порог срабатывания защиты от токовой перегрузки.

Во множестве простых устройствах, подобной защиты нет, в лучшем случае там ограничивается лишь максимальный ток нагрузки, причем возможность регулировки либо отсутствует вовсе либо затруднена. Подобная защита скорее предназначена для блока питания, чем для нагрузки. Для безопасной работы источника и нагрузки, требуется возможность регулировки уровня срабатывания токовой защиты в различных пределах. В случае ее срабатывания, нагрузка должна быть автоматически отключена, предлагаемое же устройство, отвечает всем заявленным выше требованиям.

На входе блока питания напряжение составляет 26…29 В, а на выходе получается от 1 до 20 В, ток срабатывания защиты 0,03…2 А.

принципиальная схема блока питания с токовой защитой

Как становиться понятным по схеме, регулируемый стабилизатор напряжения собран на операционном усилителе DA1.1. На неинвертирующий вход усилителя (вывод 3) поступает образцовое напряжение с движка переменного резистора R2, за стабильность которого отвечает стабилитрон VD1, а на инвертирующий вход (вывод 2) напряжение поступает с эмиттера транзистора VT2 через делитель напряжения R11R7. ООС поддерживает равенство напряжений на входах ОУ, компенсируя влияние дестабилизирующих факторов. Вращая движок переменного резистора R2, можно изменять выходное напряжение.

Блок защиты от перегрузок по току выполнен на операционном усилителе DA1.2, который включен как компаратор, он сравнивает напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах. На неинвертирующий вход через резистор R14 поступает напряжение с датчика тока нагрузки, резистора R13, на инвертирующий — образцовое напряжение, за стабильность которого отвечает диод VD2, который выполняет функцию стабистора с напряжением стабилизации около 0,6 В. В случае пока падение напряжения создаваемое током нагрузки на резисторе R13, меньше образцового, напряжение на выходе (вывод 7) ОУ DA1.2 близко к нулю.

В том случае, если ток нагрузки превысит допустимый, напряжение на выходе ОУ DA1.2 возрастет практически до напряжения питания. Затем через резистор R9 ток потечет дальше и включит светодиод HL1 попутно открывая транзистор VT1. Диод VD3 откроется и через резистор R8 замкнет цепь положительной обратной связи. Открытый транзистор VT1 подключает параллельно стабилитрону VD1 резистор малого сопротивления R12, в следствии чего его выходное напряжение уменьшится практически до нуля, так как транзистор VT2 закроется и отключит нагрузку. Но несмотря на то, что напряжение на датчике тока упадет до нуля, нагрузка благодаря действию положительной обратной связи останется отключенной, что инициирует горящий светодиод HL1. Повторно включить нагрузку возможно, кратковременно отключая питание или нажимая на кнопку SB1. Диод VD4 служит для защиты эмиттерного перехода транзистора VT2 от обратного напряжения, с конденсатора С5 при отключении нагрузки, попутно обеспечивая разрядку этого конденсатора через резистор R10 и выход ОУ DA1.1.

Транзистор КТ315А (VT1) можно заменить на КТ315Б-КТ315Е, а VT2 на — любой из серий КТ827, КТ829. Стабилитрон (VD1) можно использовать любой, с напряжением стабилизации 7…8 В и током 3…8 мА. Диоды КД521В (VD2-VD4) хотя можно применить и другие из этой серии или КД522Б. Конденсаторы С3, C4 — пленочные или керамические. Оксидные конденсаторы: C1 — К50-18 или аналогичный импортный, остальные — из серии К50-35. Номинальное напряжение конденсаторов не должно быть меньше, чем указанно на схеме. Постоянные резисторы серии МЛТ, переменные — СП3-9а. Резистор R13 можно составить из трех параллельно соединенных МЛТ-1 сопротивлением по 1 Ом.

Читайте также:  Какова сила тока решение задач по физике

Налаживание блока питания начинают с измерения напряжения питания на выводах конденсатора C1, которое, с учетом пульсаций, должно находиться в пределах, которые указаны на схеме. Затем движок переменного резистора R2 перемещают в верхнее по схеме положение и, измеряют максимальное выходное напряжение, устанавливают его равным 20 В, подбирая резистор R11. После этого подключают к выходу эквивалентную нагрузку и производят замеры минимального и максимального тока срабатывания защиты. А чтобы свести к минимуму уровень срабатывания защиты, необходимо сопротивление резистора R6 уменьшить. Для увеличения максимального уровня срабатывания защиты нужно уменьшить сопротивление резистора R13 — датчика тока нагрузки.

Источник

Электрическая схема защиты по току

Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Автор: Blaze, cornage@bk.ru
Опубликовано 09.02.2016
Создано при помощи КотоРед.

На создание данной статьи меня спровоцировал опыт создания блоков питания и зарядных устройств на основе простых импульсных блоков питания, которыми являются как иип на IR2153, так и переделанный различными способами под блок питания электронный трансформатор. Данные источники питания являются простыми, нестабилизированными импульсными блоками питания без каких-либо защит. Не смотря на данные недостатки, такие источники питания довольно просты в изготовлении,не требуют сложной настройки, времени на создание такого блока питания требуется меньше чем на полный ШИМ БП с узлами стабилизации и защиты.

Обьединив такой блок питания и простейший ШИМ- регулятор на NE555, получам регулируемый блок питания как для экспирементов, так и для зарядки АКБ. Радости нашей нет предела до того момента, пока данный девайс не попробовать на искру, или по ошибке, размышляя над созданием очередного аппарата перепутать полярность заряжаемого АКБ. Окрикивая громким хлопком и орошая едким дымом помещение,в котором произошол данный конфуз, изобретение сообщает нам, что простой импульсный блок питания, который собран по упрощённо-ознакомительной схеме не может быть надёжным.

Тут пришла мысль о том, чтобы найти не просто ввести тот или инной узел защиты в конкретный экземпляр блока питания, а найти или создать универсальную быстродействующую схему, которую можно внедрять в любой вторичный источник питания.

Требования к узлу защиты:

-плата защиты должна занимать мало места

-работоспособной при больших токах нагрузки

-высокая скорость срабатывания

Одним из заинтересовавших вариантов была такая схема, найденная в интерете:

При замыкании выхода данной схемы, разряжается ёмкость затвора VT1 через диод VD1, что приводит к закрытию VT1 и ток через транзистор не протекает, блок питания остаётся целым и невредимым. Но что же произойдёт если на выход данной схемы подключить нагрузку, в 300вт, когда наш иип может выдать всего 200вт? Не смотря на то что у нас присутствует схема защиты, замученный блок питания снова взрывается.

Недостатки данной схемы:

1. Необходимо точно подбирать сопротивление шунта, чтобы максимально допустимый ток блока питания создал такое падение напряжения на выбранном шунте, при котором VT2, открываясь полностью закроет VT1.

2. В данной схеме может наступить момент, когда ток проходящий через шунт, приоткроет VT2, вследствии чего VT1 начнёт закрываться и останется в таком состоянии, что будет недозакрыт, а учитывая что через VT1 протекает немалый ток, то данный линейный режим вызовет его сильный перегрев, врезультате которого VT1 будет пробит.

В блоке питания на IR2153 однажды применял триггерную защиту, остался доволен её работой. Прицепим к схеме триггерной защёлки на комплиментарной паре транзисторов шунт в качестве датчика тока и n-канальный транзистор в роли ключевого элемента получаем такую схему:

После подачи питания на схему, транзистор Q3, через светодиод и R4 открывается, стабилитрон D3 ограничивает напряжение на затворе полевого транзистора. D4 защищает Q3 от выбросов высокого напряжения, при подключении индуктивной нагрузки (электродвигатель). На паре транзисторов Q1, Q2 собран аналог тиристора. Ток, протекающий через шунт R1, вызывает падение напряжения, которое с движка переменного резистора R10, и цепочку R2, С2, поступает на базу транзистора Q2. Величину напряжения с шунта, которое пропорционально току, протекающему через этот шунт можно регулировать прерменным резистором R10. В момент, когда напряжение на базе Q2 станет больше 0.5-0.7в транзистор Q2 начнёт открываться, тем самым открывая Q1, в свою очередь транзистор Q1открываясь, будет открывать Q2. Данный процесс происходит очень быстро, за доли секунды транзисторы откроют друг друга и останутся в таком устойчивом состоянии. Через открытый аналог тиристора затвро Q3, а также резистор R4 окажутся подключены к общему проводнику схемы, что приведёт к закрытию Q3 и свечение светодиода D1 сообщит о том что сработала защита. Снять защиту можно как отключив кратковременно питание, так и кратковременным нажатием на кнопку S1.

Универсальная схема защиты была создана и проверена в работе, шунт R1 был составлен из двух резисторов 0.22 Ом 5Вт. Остался последний шаг — вводим в нвшу схему защиту от переполюсовки клемм АКБ.

Читайте также:  Первая помощь при поражении током дыхательной системы

Схема с защитой от переполюсовки :

Наша схема дополнилась диодом D2, резисторами R6, R5. Кнопка S1 была убрана из схемы по причине того, что при срабатывании защиты она не выводила схему из защиты, после доработки.

Токовая защита осталась без изменений, снять защиту можно отключив питание на 2-3 секунды. При подключении к выходу схемы АКБ, перепутав полярность, напряжение с АКБ через диод D2, резистор R6 поступает на базу Q2, срабатывает защита Q3 закрывается, светодиод D1 сигнализирует о срабатывании защиты.

На этой волне я заканчиваю поиски защиты для своих простых иип. Работой своих схем доволен, надеюсь они пригодятся и вам.

Источник

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Аварийные «экстратоки» и «экстранапряжения» не идут на пользу ни одному электронному устройству. Необходимо вводить защитные цепи с автоматическим ограничением, снижением, отключением питания или, в крайнем случае, с визуальной/звуковой индикацией аварийного состояния.

Простейшим элементом защиты служит плавкий предохранитель. При его выборе надо ориентироваться на стандартные номинальные токи срабатывания:

• SМD-предохранители — 62; 125; 250; 375; 500; 750 мА, 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0; 3.5; 4.0; 5.0 А;

• обычные «стеклянные» предохранители — 50; 60; 80; 100; 160; 200; 250; 315; 500; 630; 800 мА, 1.0; 1.25; 1.6; 2.0; 3.15; 3.5; 4.0 А.

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Время срабатывания предохранителя зависит от величины протекающего тока. Судя по Табл. 6.9, ориентироваться на номинальный ток ПЛАВ нельзя, необходимо его многократное превышение, например, 4/ПЛАВ. На практике считается, что плавкая вставка с надписью «1А» гарантированно «сгорает» при токе 2.5 А.

Радиолюбители за неимением времени иногда изготавливают кустарные проволочные предохранители, называемые в обиходе «жучками». Если используется медный провод, то можно взять данные из Табл. 6.10. Разумеется, «жучки» после проведения эксперимента надо заменить нормальными предохранителями.

Следует отличать плавкие предохранители (fuse) от предохранительных резисторов (fusible resistor). Последние по конструкции напоминают обычные резисторы, но при перегорании не оставляют вокруг себя чёрного пятна металлизированной сажи, которая может закоротить другие цепи на печатной плате.

Ещё один важный элемент защиты — это варисторы (Табл. 6.11). В отличие от предохранителей, они устанавливаются не последовательно, а параллельно, т.е. защита осуществляется по напряжению, а не по току.

Если напряжение меньше порогового, то сопротивление варистора большое, и он практически не оказывают влияние на защищаемую цепь. Если порог достигнут, то сопротивление варистора быстро снижается. Это позволяет эффективно защищать аппаратуру от кратковременных импульсных помех.

На Рис. 6.20, а. к показаны схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий.

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Рис. 6.20. Схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий (начало):

а) защита от повышенного входного напряжения с порогом, определяемым стабилитроном VD1. Оптореле VU1 имеет нормально замкнутые контакты с током нагрузки не более 250 мА;

б) электронное отключение питания при пробое мощного регулирующего транзистора, находящегося внутри стабилизатора напряжения А1. Быстродействие определяется параметрами оптотиристора VU1. Излучатель HL1 красным цветом индицирует аварийное состояние. Резистор R3 устанавливает напряжение перехода транзистора VT1 в закрытое состояние;

в) «параллельная» защита цепи +5 В. При всплесках напряжения открывается тиристор VS1 и перегорает плавкая вставка FU1 (или самовосстанавливающийся предохранитель). Конденсатор C1устраняет ложные срабатывания тиристора. Мощный проволочный резистор R3защищает тиристор VS1 от «экстратоков». Пороговое напряжение стабилитрона VDI имеет разброс 3.1. 3.5 В, поэтому его точное значение устанавливается подстройкой резистора R1.

г) аналогично Рис. 6.20, в, но с заменой тиристорного ключа мощным параллельным стабилизатором напряжения на элементах VDI, VTI, R1. R3 и дополнительной защитой по входу при помощи варистора RV1. Порог срабатывания устанавливается резистором R1 на уровне примерно на 0.2. 0.4 В выше, чем напряжение питания +3. +5 В;

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Рис. 6.20. Схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий (окончание):

д) HL1 — это индикатор снижения напряжения питания с +5 до +4 В, что может свидетельствовать о предаварийном состоянии. Точный порог устанавливается резистором R3. Схема служит только для индикации неполадок. Устранение аварии производится оператором вручную;

е) защита от помех и перенапряжений в бортовой сети автомобиля (элементы R1, C1). Мигающий светодиод HL1 служит индикатором неверной полярности подачи питания;

ж) красный цвет светодиода HL1 индицирует обрыв предохранителя FU1, зелёный — нормальную работу. При оранжевом или жёлтом цвете следует выбрать другой тип диода VD1

з) защита от превышения тока в «минусовом» проводе. Резистором R3 добиваются триггер-ного режима работы. Резистором R1 устанавливают ток защиты в пределах 10. 600 мА. Для ориентира, если R2= 10 Ом, то ток срабатывания равен 85. 111 мА;

и) варисторная защита устройств, подключённых к телефонной линии. При большой амплитуде или случайной подаче сетевого напряжения 220 В перегорает плавкая вставка FU1;

к) стабилитрон VD2 защищает от всплесков входного напряжения. Ток ограничивается резистором R1, короткие импульсные помехи сглаживаются конденсатором C1.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Источник