От каких токов защищает автоматический выключатель: полное руководство по выбору и применению — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает автоматический выключатель. Какие виды токов он защищает. На что обратить внимание при выборе автомата. Основные характеристики и типы автоматических выключателей. Правила монтажа и проверки. Популярные бренды и модели.

Содержание

Принцип работы и назначение автоматического выключателя

Автоматический выключатель (автомат) — это коммутационное устройство, предназначенное для защиты электрической сети от аварийных режимов работы. Основная задача автомата — отключить питание при возникновении опасных ситуаций:

Короткое замыкание
Перегрузка (длительное превышение допустимого тока)
Импульсные перенапряжения

Принцип действия автомата основан на двух механизмах:

Тепловой расцепитель — биметаллическая пластина, которая изгибается при нагреве от протекающего тока и размыкает цепь при длительной перегрузке.
Электромагнитный расцепитель — катушка с сердечником, которая мгновенно размыкает цепь при коротком замыкании.

Благодаря этим механизмам, автомат защищает проводку и оборудование от повреждений, вызванных сверхтоками.

Виды токов, от которых защищает автоматический выключатель

Автоматический выключатель обеспечивает защиту от следующих видов токов:

Ток короткого замыкания — возникает при соединении фазного и нулевого проводников. Может достигать огромных значений и вызвать возгорание проводки.
Ток перегрузки — длительное превышение номинального тока, приводящее к перегреву проводки.
Пусковые токи — кратковременные броски тока при включении мощных электродвигателей.
Импульсные токи — кратковременные всплески тока при грозовых разрядах.

При этом автомат не защищает от утечки тока на землю — для этого используются УЗО или дифавтоматы.

Основные характеристики автоматических выключателей

При выборе автомата необходимо учитывать следующие ключевые параметры:

Номинальный ток (In) — максимальный ток, который автомат пропускает длительное время без отключения.

Номинальное напряжение — максимальное рабочее напряжение сети.
Отключающая способность — максимальный ток короткого замыкания, который автомат способен отключить.
Кривая отключения (характеристика срабатывания) — определяет быстродействие автомата.
Количество полюсов — одно-, двух-, трех- или четырехполюсные.

Правильный подбор этих параметров обеспечивает надежную защиту электроустановки.

Типы автоматических выключателей по времятоковым характеристикам

Существует несколько стандартных типов автоматов по кривой отключения:

Тип B — срабатывает при токе 3-5In. Для цепей с резистивной нагрузкой.
Тип C — срабатывает при токе 5-10In. Для цепей с небольшими пусковыми токами.
Тип D — срабатывает при токе 10-20In. Для мощных электродвигателей.
Тип K — срабатывает при токе 8-12In. Для цепей с высокими пусковыми токами.

Тип Z — срабатывает при токе 2-3In. Для защиты электронных устройств.

Выбор типа зависит от характера нагрузки в защищаемой цепи.

Правила выбора автоматического выключателя

При подборе автомата необходимо учитывать следующие факторы:

Рассчитать максимальный рабочий ток в цепи.
Определить сечение и допустимый ток кабеля.
Выбрать номинальный ток автомата не более допустимого тока кабеля.
Учесть характер нагрузки и выбрать подходящую характеристику срабатывания.
Определить требуемую отключающую способность.
Выбрать количество полюсов в зависимости от типа сети.

Важно не завышать номинальный ток автомата, иначе защита проводки будет неэффективной.

Монтаж и проверка работоспособности автоматических выключателей

При установке автоматов необходимо соблюдать следующие правила:

Монтаж производить только при отключенном напряжении.
Использовать провода соответствующего сечения.
Обеспечить надежный контакт в клеммах.
Соблюдать фазировку для многополюсных автоматов.
Проверить затяжку винтов.

После монтажа нужно проверить работоспособность:

Включить автомат и убедиться в наличии напряжения в цепи.
Проверить срабатывание кнопкой «Тест» (если есть).
Измерить сопротивление изоляции.
Проверить время срабатывания при перегрузке (только в лаборатории).

На какие характеристики обратить внимание при выборе автоматического выключателя

май 25, 2021

Автоматический выключатель – это коммутационное устройство, предназначенное для защиты электрической сети от повреждений, вызванных протеканием по ней токов большой величины. Если поток электронов, который проходит через автомат, превысит номинальный, цепь разомкнётся, изоляция не расплавится, проводка не загорится.

Современный рынок электрической защитной техники предлагает потребителю широкий выбор моделей автоматических выключателей, отличающихся друг от друга степенью и типом защиты, функциональностью. Чтобы обеспечить бесперебойную работу электрооборудования вашего дома, офиса или цеха, устройство, купленное вами, должно соответствовать параметрам сети и условиям, в которых оно будет работать.

История создания автоматического выключателя

Первый автомат защиты электролинии, продемонстрированный в 1838 году американцем Чарльзом Графтоном Пейджем, представлял собой ртутный резервуар с поднимающимся при увеличении силы тока контактным стержнем, который размыкал цепь.

Прообразом современных предохранителей стала колба Томаса Эдисона с помещённой в неё легкоплавкой проволокой или фольгой, запатентованная им в качестве устройства, обеспечивающего разрыв сети при перегрузке, в 1880 году.

В 1893 Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл рубильник с пружинными контактами и автоматической защитой от КЗ, принцип действия которого используется в промышленных автоматах до сих пор. Им же в 1910–1914 годах было разработано и усовершенствовано дугогасящее устройство, позволяющее быстро втягивать электродугу при разрыве трёхфазной цепи с переменным током высокого напряжения.

В начале XX века «Электрическое акционерное общество б. Шуккертъ в Нюрберге» разработало трёхфазный генератор с автоматом, который можно было настроить на работу в цепи с силой тока до 2000 А. В 1910 году появился аппарат, способный как мгновенно разомкнуть сеть при больших перегрузках, так и отключить её с регулируемой задержкой при незначительном повышении мощности.

Первые масляные автоматы были представлены на выставке в Турине французами в 1911 году.

В 1921–1945 годы на рынке электротехники появились автоматические выключатели многократного использования Хуго Штоца и Генриха Шахтнера, объединившие в себе магнитный и тепловой расцепители. В это же время были изобретены дугогасительные камеры, с помощью которых можно было погасить искры, возникающие при срабатывании автомата. В 1950–1970 годы были усовершенствованы конструкции масляных автоматических выключателей и дугогасительных устройств, для гашения дуги начали использовать такие среды, как вакуум, воздух и электрический газ.

Современные автоматы с автоматическим регулированием характеристик не только защищают электрическую сеть от замыканий и перегрузок благодаря наличию в их конструкции и электромагнитного, и теплового расцепителей, но и имеют дополнительные модули, позволяющие разомкнуть цепь на расстоянии, например, в момент пожара, когда доступа к щитовой уже нет.

За счёт улучшения теплоотдачи корпуса и эволюции дугогасительной системы увеличился срок службы автоматических выключателей.

Типы и различия автоматов

В зависимости от сети, для которой предназначен электровыключатель, устройства защиты могут быть постоянного тока, переменного или универсальные. Бытовые автоматы предназначены для монтажа в сеть напряжением 220 В. Для трёхфазной сети выпускаются автоматические выключатели, рассчитанные на напряжение 380 В и 400 В. Одной из самых важных характеристик, определяющей возможности автомата, является показатель номинального тока.

Номинальным называется ток, дающий тот максимум нагрева жилы и изоляции запитывающего кабеля, соединительных элементов, токопроводящих частей подключенных к сети приборов, при котором электрооборудование не пострадает, даже если ток такой силы будет течь по цепи постоянно.

Чтобы разобраться, под какой номинальный ток выбрать автомат, необходимо рассчитать сечение кабеля электропроводки в соответствии с мощностью оборудования, которое вы собираетесь к ней подключить, и оценить его устойчивость к перегрузкам по специальной таблице. Автоматы бывают однополюсные, двухполюсные, трёхполюсные и четырёхполюсные. Количество полюсов определяется параметрами сети и подключенного к ней электрооборудования.

Если вы планируете, например, запитать от трёх фаз переменного тока трансформатор, вам потребуется трёх- или четырёхполюсный автомат, способный разорвать три фазы или три фазы и ноль в зависимости от схемы соединения его обмоток. Для защиты подключенного к трёхфазной сети станка с несколькими двигателями нужно установить один четырёхполюсный автомат, который обеспечит 220 В и в случае необходимости разомкнёт фазу и ноль, несколько трёхполюсных для защиты каждого из моторов и несколько двухполюсных, обеспечивающих работу цепей управления.

Для однофазной сети переменного тока подойдёт двухполюсное устройство, способное разомкнуть фазу и ноль. Однополюсные автоматы обычно подключают на каждую ветку домашней проводки вместе с УЗО. Для защиты сети постоянного тока нужен двухполюсный автомат, который в случае необходимости одновременно обеспечит разрыв и «+» и «−».

При проектировании электросети важно обратить внимание и на скорость, с которой цепь при перегрузке будет разомкнута:

нормальный автомат отреагирует на повышение нагрузки в течение 0,02–0,1 с.;
селективный сработает в течение 1 с.;
быстродействующий разомкнёт цепь максимум за 0,005 с.

Типы A, B, C, D автоматических выключателей определяются степенью повышения тока в цепи, при котором произойдёт мгновенное расцепление, и временем, которое потребуется устройству, чтобы среагировать на повышение нагрузки обесточиванием сети. Выключатель A-типа сработает, когда значение силы тока превысит номинальное в 2–3 раза. Автомат типа B разомкнёт цепь при превышении в 3–5 раз. Устройство типа C сработает, когда сила тока относительно номинальной повысится в 5–10 раз.

Выключатель D-типа разомкнёт цепь при повышении номинального тока в 20–30 раз. Существуют также автоматы типов K (для серьёзных индуктивных нагрузок) и Z (для электроники), предел тока для которых может отличаться в зависимости от производителя. В автоматах типа MA, которые устанавливаются для защиты сети с большой нагрузкой или, например, одного конкретного электродвигателя, вместо теплового расцепителя стоит реле максимального тока.

Ознакомиться с время-токовой характеристикой автоматического выключателя можно по графику, приведённому в инструкции производителя. Верхняя линия на нём показывает, как быстро сработает тепловой расцепитель при повышении тока. Нижняя – при каких значениях силы тока и за какое время произойдёт электромагнитная отсечка при КЗ.

Время-токовая характеристика автомата для жилых зданий зависит от номинального тока, на который он рассчитан. В силовых автоматических выключателях на эту величину дополнительно влияют такие параметры, как условный тепловой ток в оболочке и на открытом воздухе, номинальный непрерывный ток. Время мгновенного отключения для них определяется не типом B, C, D а расчётом тока уставки электромагнитного расцепителя через значение номинального тока. Отключающая способность автомата – это величина силы тока, которая заставит автомат разомкнуть цепь.

Как и где применяются автоматические выключатели?

Автоматы просты в монтаже и надёжны. Использование их в бытовых и промышленных электрических сетях позволяет своевременно обнаружить тепловую перегрузку или короткое замыкание и мгновенно принять меры. Обесточить цепь в случае возникновения аварийной ситуации можно с помощью:

предохранителей с расплавляющейся при перегреве вставкой;
бытовых автоматических выключателей, которые в зависимости от типа время-токовой нагрузки могут монтироваться в сеть переменного тока напряжением не выше 440 В в квартирах, частных домах, в качестве вводных установок электросетей жилых зданий;
силовых автоматов, предназначенных для использования с сетями постоянного и переменного тока соответственно до 1500 В и до 1000 В в коммерческих, административных, промышленных зданиях и на подстанциях.

Устройство и принцип работы автоматического выключателя

Изготовленный из диэлектрика корпус устройства оборудован гнездом крепления на дин-рейку. Автомат монтируется в электрическую цепь с помощью клеммных зажимов, расположенных в верхней и нижней частях корпуса. Тумблёр с фиксированными верхним и нижним положениями даёт возможность потребителю электроэнергии разомкнуть или замкнуть цепь вручную в случае необходимости. Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, которая при повышении силы тока постепенно разогревается, изгибается и отключает автомат.

Токовая отсечка происходит за счёт включения в работу в момент аварийного повышения нагрузки электромагнитной катушки, сердечник которой, выдвигаясь, надавливает на рычаг и таким образом размыкает цепь. Чтобы возникающая в момент разрыва сверхтоков электрическая дуга не выжгла контакты, дугогасительная камера электровыключателя разделяет разряд дуги на небольшие потоки и затем гасит их, охлаждая.

Правила выбора автоматических выключателей

Вы сможете избежать ошибок при выборе автомата, если кроме параметров цепи, которую он будет защищать, его полюсности, класса, отключающей способности, номинальной силы тока, мощности электрооборудования будете учитывать и тип нагрузок, определяющийся особенностями работы запитанных от сети приборов. Так, например, в обычной городской квартире во время включения электрического освещения изменение сопротивления нити накала лампочки увеличивает силу тока почти в 3 раза. Поэтому для ветки освещения лучше купить автомат типа B.

Если вы, например, оборудуете мастерскую, к питающей сети переменного трёхфазного тока которой будете подключать в перспективе трансформатор или устройства с асинхронным двигателем (деревообрабатывающее или металлообрабатывающее оборудование), при выборе кабеля для электропроводки и автомата вам нужно обязательно учесть пусковые токи. В квартире (стиральная машина, электроинструмент, вентилятор) они небольшие и кратковременные.

Пусковые токи – это мгновенный максимум, потребляемый при запуске устройствами, в конструкции которых присутствует магнитный сердечник. Такая перегрузка кратковременна и не может нанести ущерб кабелю, если его сечение подбиралось с учётом мощности оборудования.

Если вы собираетесь использовать в своей мастерской прибор с асинхронным двигателем, который в момент раскручивания ротора даёт большую перегрузку электросети, выберите автоматический выключатель типа C. Он срабатывает при повышении номинальных токов в 5–10 раз и даёт некоторый запас времени, что позволит вам включить оборудование, не щёлкая тумблёром автомата.

В производственном цехе электродвигатели станков часто дают активно-индуктивную нагрузку. Для их качественной работы лучше поставить автоматы типа D, способные некоторое время выдержать ток, увеличившийся в 10–20 раз. Модульные конструкции для сетей постоянного тока подбираются аналогично.

Правила монтажа и проверки автоматического выключателя

Подключение автомата должно выполняться в соответствии с ПУЭ. Основной выключатель монтируется перед счётчиком на установленную в щитке дин-рейку с помощью пластиковой защёлки на корпусе. При подключении устройства необходимо убедиться, что токопроводящая жила в месте соприкосновения с контактом тщательно очищена от изоляции. Чтобы получить качественное крепление, соединение полюсов между собой лучше делать проводами одинакового сечения.

Ввод выполняется обычно сверху, там, где расположен неподвижный контакт. Количество автоматических выключателей после счётчика определяется необходимостью разграничения отдельных ветвей электротрассы объекта. Трёхфазный автомат подключается аналогично. Если вы планируете использовать прибор с асинхронным двигателем, после монтажа с помощью фазоуказателя нужно проверить правильность чередования фаз.

Внимание! Не забудьте, что установка счётчика выполняется только сотрудниками органов энергонадзора, которых надо официально вызвать перед подключением дома или квартиры к питающей сети.

Прогрузку автомата может сделать только электротехническая лаборатория на специальной испытательной установке, с помощью которой на выключатель подаётся ток необходимой величины и определяется точное время размыкания цепи. Результаты испытаний фиксируются протоколом и техническим отчётом. А вот убедиться, что пакетник подключен правильно, вы можете и сами.

Если при выключенном тумблёре автомата оборудование, запитанное от электросети, продолжает работать или изменяются показания счётчика, значит монтаж выполнен неправильно.

Бренды автоматических выключателей

Автоматы серии BA

Модульные и силовые автоматические выключатели серии BA используют в сетях переменного и постоянного тока напряжением не более 690 В для переменного тока частотой 50–60 Гц и 440 В для постоянного. Автоматы BA выдерживают номинальный ток до 2000 А. Их коммутационная стойкость к износу в некоторых случаях достигает 20 тысяч циклов. Они могут иметь полюсность от 1 до 4 с электромагнитным и тепловым расцепителями в каждом полюсе и время-токовую нагрузку A, B, C, D.

Отключающая способность отдельных автоматов BA достигает 6 кА, средняя – 4,5 кА. Модульные версии этой серии можно устанавливать на дин-рейку или с помощью планки-адаптера вместо устаревших выключателей AE. Все составляющие силовых автоматов BA размещены в блочном корпусе, который крепят к вертикальной поверхности с помощью саморезов. Наибольшей популярностью пользуются такие выключатели ВА, как IEK, Контактор, ИНТЭС, ДЭК, EKF и др.

Российские силовые и бытовые автоматы выпускаются в соответствии с разными ГОСТами, поэтому требования к их конструкции и характеристикам отличаются. ГОСТ IEC 60898-1-2020 определяет область и цель применения автоматических выключателей, работающих с сетью переменного тока, где номинальная сила тока не превышает 125 А, а отключающая способность не должна быть выше 25000 А. ГОСТ Р 50030.2-2010 регламентирует нормы для промышленных автоматов без ограничения по отключающей способности и номинальному току.

IEK

Русские автоматические выключатели IEK пользуются большим спросом на российском и украинском рынке электротехники благодаря низкой стоимости этих автоматов. При покупке нужно быть внимательным – часто встречаются подделки, отличающиеся по качеству и конструкции. Аппараты выпускаются в B, C и D вариантах, последний из которых рассчитан более на трёхфазную сеть.

Legrand

Французские автоматические выключатели Legrand сходны по качеству с популярными автоматами ABB, но стоят дороже. Серия Legrand TX3 предназначена для установки в квартирах и частных домах. Аппараты просты в эксплуатации и надёжны. Модели Legrand DX3 подойдут как для использования в жилых домах, так и на производстве. Они способны выдержать нагрузку до 125 А.

Schneider Electric

Французские автоматические выключатели Schneider Electric можно поставить на одну из первых трёх позиций в рейтинге надёжных автоматов. Их изготавливают из огнестойких металлов. Корпус аппарата не разрушается под воздействием ультрафиолета. Для жилых строений выпускаются серии: Schneider «Домовой», идеально соответствующая по параметрам российским электрическим сетям, более бюджетная Easy 9 и Schneider Acti 9, подходящая для использования как в условиях производства, так и в частом доме или квартире. Аппараты Schneider Acti 9 отличаются повышенной безопасностью и способны работать в нестандартных условиях.

Автоматы ABB

Выключатели ABB, которые выпускаются в Германии шведско-швейцарской компанией, считаются лучшими по качеству, безопасности в использовании и долговечности при небольшой разнице в цене по сравнению с автоматами, изготовленными в России. От моделей других производителей они отличаются большим количеством крепёжных элементов и большей перегрузочной способностью на токах от 6 до 8 кА. Автоматы ABB можно встретить в продаже двух серий SH 200 и S200 с отключающей способностью соответственно 4,5 и 6 кА.

TMAX

Серия универсальных автоматических выключателей TMAX выпускается компанией ABB. Автоматы TMAX можно монтировать в электротрассу как производственных, так и жилых зданий. Они подходят для сетей переменного и постоянного тока, отличаются высоким качеством и устойчивостью к токам короткого замыкания.

Часто задаваемые вопросы по автоматическим выключателям

Вопрос: как рассчитать номинальный ток автомата для квартиры?

Ответ: номинальный ток выключателя должен быть немного выше, чем запланированная вами нагрузка на электросеть и соответствующий ей кабель. Мощность нагрузки определяется суммарной мощностью оборудования, которое будет запитываться от сети, делённой на значение напряжения в сети (в условиях квартиры – 220 В).

Сечение медной жилы кабеля, мм²	Нагрузка, которую в состоянии длительно выдерживать кабель, А	Номинальная сила тока автоматического выключателя, А	Сила тока, на которую автомат отреагирует, А	Виды нагрузки
1,5	19	10	16	Освещение, сигнализация
2,5	27	16	20	Розетки и электрополы
4	38	25	32	Сплитсистемы и бойлеры
6	46	32	40	Электроплиты и духовки
10	70	50	63	Вводные линии питания

Вопрос: С какой отключающей способностью лучше купить выключатель?

Ответ: Если вы живёте в городской квартире, вам будет достаточно поставить автомат с отключающей способностью 6 кА, для дачи хватит выключателя, который будет мгновенно размыкать сеть при нагрузке в 4,5 кА.

Вопрос: Может, вместо расчётов стоит купить автомат подороже и помощнее? Не хочется всё время, когда включаешь в сеть дрель или чайник, выбегать на лестничную клетку.

Ответ: Автомат ставится не для того, чтобы отключать электричество каждый раз, когда вы включаете в сеть электрочайник, а для защиты проводки от повреждения большими токами. Сечение жилы кабеля электротрассы рассчитывается с учётом запланированного потребления электроэнергии. Проблемы у вас, скорее всего, возникают из-за того, что проводка изначально не рассчитана на большую нагрузку. Если вы поставите более мощный аппарат, который не будет размыкать сеть при перегреве, она сгорит.

Как не оконфузиться при выборе автоматического выключателя / Хабр

Краткая заметка по поводу выбора автоматических выключателей. Искренне надеюсь, что читатель не узнает для себя ничего нового.

У поста есть видеоверсия на моем ютуб канале. Реалии времени заставляют меня делать еще и видео:

Определимся с целью

Для начала нужно определиться — для чего нам автоматический выключатель в электрощите. Задача автоматического выключателя — прежде всего защитить стационарную кабельную линию от протекания токов свыше предельно допустимых. Если ток превышен — то проводники нагреваются, с плавлением и разрушением изоляции или расплавлением самих проводников. И если не случится пожара, то случится дорогостоящий ремонт, с работами по замене замурованной в стенах электропроводки. А ток может быть превышен, если к линии подключили слишком много потребителей (происходит перегрузка) или если происходит короткое замыкание. Неправильный выбор характеристик автоматического выключателя — путь к дорогостоящему ремонту, а при особенной везучести — к пожару.

Номинальный ток

Поняв, что автоматический выключатель должен защитить кабельную линию от протекания тока свыше допустимого, мы должны понять, какой же ток допустимый. Чаще всего ссылаются на вот эту табличку из ПУЭ (таблица 1.3.4):

Но, на мой субъективный взгляд, у этой таблички есть существенный недостаток, и он указан в источнике — эта табличка составлена для окружающей температуры +25, температуры земли +15 и температуры жилы (!!!) +65. Длительная работа изоляции при повышенной температуре ускоряет процесс старения полимеров, поэтому мое личное мнение — указанные в таблице цифры стоит уменьшить хотя бы на 1/4. Если кабель проложен таким образом, что его охлаждение затруднено, то предельно допустимый рабочий ток также уменьшают. Например если кабель расположен в пучке с другими кабелями или под слоем теплоизоляции.

И вот в этом месте подходим к самой неочевидной вещи. В таблице указаны предельно допустимые токи, а на автоматических выключателях указан номинальный ток. Номинальный ток автоматического выключателя, указанный на нем — это ток, который может длительно проходить через автоматический выключатель и не вызывать его отключения. Для определения тока отключения заглянем в документацию, в график время-токовых характеристик:

Но это график конкретного экземпляра автоматического выключателя. В реальном мире, у автоматических выключателей есть разброс характеристик, даже у выключателей взятых из одной коробки. Поэтому на графике изображена область, в которой окажется характеристика случайно взятого автоматического выключателя.

В результате, если взять определенный ток, то мы получим диапазон значений времени, за которое сработает автоматический выключатель. От и до, как например вот здесь:

Думаю очевидно, что в расчетах стоит полагать, что нам попался самый плохой экземпляр, и берется самое худшее значение.

В автоматическом выключателе есть два расцепителя — тепловой, который достаточно точный, но медленный, и электромагнитный — очень быстрый, но неточный. (В посте (https://serkov.su/blog/?p=5563) я разбирал, как к такому пришли, и почему лучше пока ничего не придумали.) В итоге получается нелинейная зависимость времени срабатывания от протекающего тока. Для наглядности возьмем автоматический выключатель, на котором указан номинальный ток 16А. При перегрузке будет работать тепловой расцепитель:

До тока в 1,13 от номинального, расцепления совсем не произойдет (16*1,13=18,08А)

При токе в 1,45 от номинального тепловой расцепитель сработает, но за время менее 1 часа (!). (16*1,45=23,2А)

При токе в 2,55 от номинального тепловой расцепитель сработает за время менее 60 сек. (16*2,55= 40А)

При превышении тока еще сильнее — сработает электромагнитный расцепитель, но об этом чуть позже.

Все это становится понятнее, если взглянуть на график:

Откуда взялись эти магические цифры? Из стандарта (у нас в стране — ГОСТ 60898-1-220). Просто разработчики условились, что разброс параметров срабатывания расцепителей должны быть в этих пределах. Причем скорее всего взяли просто две удобные точки времени — 1 час и 1 минута, и воспользовались статистическими данными, чтобы получить кратности номинального тока.

Ну и чтобы совсем жизнь мёдом не казалась, стоит добавить, что в зависимости от температуры окружающей среды применяют коэффициенты. На жаре тепловой расцепитель прогревается и срабатывает быстрее, а вот на морозе наоборот.

А теперь сценарий везунчика по жизни. В частный дом заходит кабель, сечением 1,5 мм2. Щиток с автоматическим выключателем находится в холодном предбаннике, когда на улице мороз -35. Кабель от щитка идет через стену под слоем утеплителя. Автоматический выключатель на 16А почти час (!) будет пропускать ток в (16*1,45*1,25(поправочный на температуру, рис.4) = 29А. При 19А по табличке из ПУЭ у нас жилы будут горячими — +65С, а под слоем утеплителя изоляция уже начнет плавиться.

Еще раз резюмирую: Номинальный ток автоматического выключателя НЕ РАВЕН предельно допустимому току кабеля. Предельный ток кабеля должен вызывать отключение автоматического выключателя в адекватное время.

Тип электромагнитного расцепителя

Тепловой расцепитель медленный, что плохо при коротком замыкании — токи могут быть огромными, и даже за одну секунду могут наделать бед. Поэтому в конструкцию автоматического выключателя добавили электромагнитный расцепитель, который срабатывает за доли секунды. Но он настроен на ток в разы превышающий номинальный.

Дело в том, что некоторые виды потребителей при включении потребляют ток в разы, превышающий ток в рабочем режиме. Например мотор в пылесосе в момент включения кратковременно потребляет ток в 2-3 раза больший, но после разгона мотора, потребление снижается. Возможно вы замечали, как лампочки накаливания слегка притухают в момент включения чего-то как раз из-за этого. Вот график потребления тока мотора пылесоса:

Чтобы эти пусковые токи не заставляли сработать электромагнитный расцепитель, его характеристику сдвинули в зону бОльших токов, что бы такие кратковременные превышения тока были в зоне теплового расцепителя, который в силу своей инерционности такие краткосрочные процессы не замечает.

В итоге получилась линейка автоматических выключателей с одинаковыми тепловыми расцепителями, но с разными электромагнитными. Из-за огромного разброса параметров электромагнитных расцепителей — получились большие разбросы кратности тока срабатывания:

Характеристика В — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 3-5 раз

Характеристика С — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 5-10 раз

Характеристика D — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 10-20 раз

Вот они на графике:

Есть и другие характеристики (K, Z и т. д) но встречаются крайне редко и под заказ, поэтому опустим их.

Если по какой-то причине стартовые токи кратковременно попадут в зону действия электромагнитного расцепителя то возможны ложные срабатывания. И именно для исключения таких ложных срабатываний и сделали несколько типов характеристик.

Некоторые производители для упрощения указывают стартовые токи, вот например светодиодный драйвер уважаемой фирмы при включении кушает солидные 55А (из-за зарядки конденсатора в блоке питания), производитель даже сразу посчитал, сколько светодиодных драйверов можно подключить параллельно на один автоматический выключатель:

4 штуки с характеристикой В и 7 штук на автомат с характеристикой С. Кто бы мог подумать, что 150 ватт светодиодного света могут вышибать 16А автомат! Ситуация становится еще хуже, если используются некачественные светодиодные светильники, где производитель не только не предусмотрел плавный старт, да даже пусковой ток не регламентирует!

Если используется большое количество светодиодных светильников — то придется делить их на группы, чтобы одновременный пуск не вызывал срабатывание автоматического выключателя. Пытливый читатель задастся вопросом — а почему бы не взять просто автоматический выключатель с характеристикой «C» или «D»? Тогда бы пусковые токи не вызывали бы ложных срабатываний! Но не все так просто….

Ток короткого замыкания

Можно иногда услышать выражение «сопротивление цепи фаза-нуль», оно по сути про то же. Ток короткого замыкания — это величина тока в цепи, в случае если из-за повреждения случается короткое замыкание (прямое соединение фазного проводника и нейтрального, или соединение фазного и заземления) в самом дальнем участке. В идеальном мире с идеальными проводниками ток короткого замыкания был бы бесконечным. Но в реальном мире кабели имеют собственное сопротивление, и чем они длиннее тоньше — тем выше их собственное сопротивление. При обычной работе это не так важно — их собственное сопротивление много меньше сопротивления нагрузки. Но если случится короткое замыкание, ток будет ограничен именно этим собственным сопротивлением всех проводников в цепи + внутреннее сопротивление источника тока.

А теперь смотрим. В деревне Вилларибо измеренный ток короткого замыкания линии 278 Ампер, и электрик поставил автоматический выключатель С16:

Как видим все отлично — при коротком замыкании тока будет достаточно, чтобы электромагнитный расцепитель сработал. А вот в деревне Вилабаджо очень плохая проводка, и ток короткого замыкания всего 124 А. Смотрим на график:

В самом худшем случае, электромагнитный расцепитель типа «С» сработает при токе в 10 раз больше номинального (16*10=160А). А значит при 124А возможна ситуация, когда электромагнитный расцепитель при коротком замыкании не сработает, а пока тепловой расцепитель успеет сработать — по линии будет гулять ток в 124А, что может закончиться плохо. В таком случае деревне Вилабаджо нужно или менять проводку, чтобы уменьшить потери, или использовать автоматический выключатель типа В16, у которого электромагнитный расцепитель сработает в худшем случае при токе 5*16=80А. Теперь вы понимаете, почему характеристика типа D (10-20 *Iном) в некоторых случаях изощренный способ стрелять себе в ногу?

Как же определить ток короткого замыкания? Для проектируемых линий его можно расчитать — длина кабеля известна, сечение тоже. Для линий уже находящихся в эксплуатации — только измерять, поскольку никто не знает, на что пришлось пойти электрикам при ремонте поврежденных участков.

Для определения тока короткого замыкания есть специальные приборы. Показывать современные не интересно, поэтому покажу суровый советский олдскул, который есть у меня. М-417 измеряет сопротивление цепи путем измерения падения напряжения на известном сопротивлении, а ток короткого замыкания необходимо рассчитывать:

Щ41160, творение сумрачного советского гения. Устраивает короткое замыкание на доли секунды и измеряет ток непосредственно. В коричневой коробочке на проводе — предохранитель на 100А.:

Как правило, ток короткого замыкания измеряют при введении линии в эксплуатацию, и планово, раз в несколько лет. Только после измерения тока короткого замыкания можно сказать, правильно ли подобрана защита.

Ток короткого замыкания равен …Oh shi….

Если ток короткого замыкания будет черезчур большим? Вот тут мы сталкиваемся с отключающей способностью автоматического выключателя. В момент размыкания контактов выключателя загорается электрическая дуга, которая сама по себе проводит ток и гаснет неохотно. Для ее принудительного разрушения в конструкции автоматических выключателей предусмотрены дугогасительные камеры. Вот здесь на высокоскоростной съемке видно как работает дугогасительная камера:

На автоматическом выключателе в прямоугольной рамке нанесена величина отключающей способности в амперах — это максимальный ток, который способен разомкнуть автоматический выключатель без поломки. Вот на фото автоматические выключатели с отключающей способностью в 3000, 4500, 6000 и 10000 А:

Для наглядности я их разобрал. Большая отключающая способность заставляет не только делать дугогасительные камеры больше, но и усиливать другие конструктивные части, например защиту от прогара вбок.

Отключающая способность автоматического выключателя должна быть больше тока короткого замыкания в линии. Как правило, 6000 А достаточно для большинства применений. 4500А обычно достаточно для работы в линиях старых домов, но может быть недостаточным в новых сетях.

Коммутационная стойкость

При каждом включении/отключении автомата меж контактов загорается дуга, которая постепенно разрушает контактную группу. Производитель часто указывает количество циклов включения/отключения, который должны выдержать контакты:

Отсюда легко видеть, что автоматический выключатель не замена нормальному выключателю при частом использовании. Если пожадничать, и вместо пускателя с контактором заставить сотрудника включать/отключать мешалку дергая автомат по 10 раз в день, то автомат может прийти в негодность менее чем за пару лет. Вот фото автоматического выключателя, контакты которого пришли в негодность из-за большого тока:

Помните, каждая коммутация и срабатывание автоматического выключателя «съедает» его ресурс.

Класс токоограничения

Наверное самая мистическая характеристика. Указывается в виде цифры в квадратике. Про нее в рунете написано мало и чаще ерунда. Класс токоограничения, если упрощать, говорит о количестве электричества, которое успеет пройти через автоматический выключатель при коротком замыкании прежде, чем он отключит цепь, и говорит о быстродействии. Всего классов три:

Что интересно, отечественными стандартами класс токоограничения не регламентируется, поэтому на картинке выше нет кириллицы. Цифры в таблице — это величина интеграла Джоуля. Отечественные производители указывают класс просто потому что «так принято», а не того требуют отечественные стандарты 🙂 В быту на данный параметр можно не обращать внимание — классы хуже третьего встречаются в продаже не часто.

Селективность

Вам бы не хотелось, чтобы при перегрузке или коротком замыкании срабатывал автоматический выключатель где-то на столбе у ввода в дом. При последовательном соединении автоматов защиты, подбором их характеристик можно добиться селективности — свойству срабатывать защите ближайшей к повреждению, без срабатывания вышестоящей. И у меня две новости.

Хорошая — можно воспользоваться специальными таблицами, которые есть у многих производителей, и подобрать пары автоматических выключателей, которые при перегрузке будут обеспечивать селективность. На графике это видно как непересекающиеся графики работы расцепителей:

Но по графику вы могли понять, что плохая новость — обеспечить полную селективность автоматических выключателей при коротком замыкании затруднительно. Кривые пересекаются в области больших токов. Поэтому чаще всего речь о частичной селективности. Например, если синий график — автомат В10, а фиолетовый В40, то ток селективности составит 120А (значение взято из таблиц одного производителя для конкретной модели автоматов). Тоесть при токах меньше тока селективности — все отлично. При токах больше — сработать могут оба устройства защиты.

В бытовой серии модульных автоматических выключателей обеспечивать селективность, даже частичную, довольно трудно. Лишь большие и мощные устройства защиты, например на подстанциях, имеют тонкие настройки уставок расцепителей для обеспечения селективности с вышестоящими устройствами защиты.

Да скажи уже что ставить!?

Прежде всего то, что предусмотрено проектом.

Ну а если уж совсем среднестатистический случай с кучей оговорок, то:

Линия 1,5 мм2 — Автомат В10 с отключающей способностью 6000А

Линия 2,5 мм2 — Автомат В16 с отключающей способностью 6000А

Применение автоматического выключателя с характеристикой «C» или «D» вместо «B» должно иметь вескую причину.

Плюшки

Автоматические выключатели разных производителей могут содержать разные приятности/полезности, которые напрямую на защитные функции не влияют, но могут быть полезны:

Это различные шторки/колпачки/крышечки для пломбирования вводного автомата по требованию электросетевой компании.

Это визуальный индикатор фактического состояния контактов, такой индикатор останется красным, если контакты из-за перегрузки сварились

Это окошки для дополнительных нашлепок с электромагнитными расцепителями, контактами

Это дополнительное окошко у клемм для использования гребенки при подключении

и прочее и прочее.

Номинальный ток автоматического выключателя не равен предельно допустимому для кабеля! В силу особенностей конструкции автоматический выключатель может длительное время пропускать через себя токи значительно больше номинальных и не отключаться.
Разные типы электромагнитных расцепителей позволяют избежать ложных срабатываний, но использовать тип С, и в особенности тип D нужно понимая что к чему.
Если ток короткого замыкания в вашей линии мал — то использование автоматического выключателя требует вдумчивого подхода.
Если ток короткого замыкания в вашей линии огромен, то отключающая способность автоматического выключателя должна быть еще больше.
А чтобы знать ток короткого замыкания, его нужно измерить специализированным прибором. И только после измерения можно сказать, будет ли правильно работать защита

Хочу сказать спасибо всем, кто принимал участие в рецензировании черновика. Буду рад указаниям на фактические ошибки в статье и ценным дополнениям.

Что такое защита от перегрузки по току? | Bay Power

Электричество безопасно течет в нормальных условиях — оно не выделяет лишнего тепла и обеспечивает стабильный поток энергии для ваших устройств. Однако короткое замыкание или перегрузка могут возникнуть, когда потребляемый ток превышает нормальную токовую нагрузку, что приводит к потенциальной опасности поражения электрическим током без надлежащей защиты.

Нагрузка и конструкция цепи, включая реле, проводники и заземление, определяют безопасный уровень тока, который может выдержать устройство. Чтобы предотвратить проблему потребления тока выше нормального, необходима защита от перегрузки по току.

Перегрузка по току, защита от перегрузки по току и устройства, предотвращающие ее, являются важными компонентами безопасности и защиты оборудования. Кроме того, существуют специальные устройства, которые предотвращают перегрузку по току, обеспечивая безопасность вашего дома и электронных устройств. В этом подробном руководстве мы расскажем вам все, что вам нужно знать о защите от перегрузки по току.

Что такое защита от перегрузки по току?

Защита от перегрузки по току — это метод реализации оборудования и других электрических компонентов для ограничения или отключения протекания тока. Плавкие предохранители, автоматические выключатели или плавкие вставки являются наиболее часто используемыми методами защиты от перегрузки по току в цепи или внутренней проводке оборудования.

Выключатели, плавкие предохранители и плавкие вставки обычно работают как проводники и добавляют незначительное сопротивление к общей цепи. В результате они почти всегда подключаются последовательно с защищаемой цепью.

При перегрузке по току срабатывают автоматические выключатели, а плавкие предохранители и плавкие вставки перегорают. Эти устройства не решают проблему перегрузки по току; они просто останавливают поток электричества, чтобы защитить цепь.

Например, выключатель в вашем доме рассчитан на 15 ампер. Прерыватель сработает, если вы подключите микроволновую печь, фен и оконный блок переменного тока, требующий суммарного потребления тока 20 ампер. Когда все они работают одновременно, токовая нагрузка цепи составляет 20 ампер, что приводит к перегрузке 5 ампер.

В этом случае автоматический выключатель будет продолжать отключаться до тех пор, пока вы не отключите одно из устройств от цепи или просто не убедитесь, что они не создают перегрузку, работая одновременно.

Что такое устройства защиты от перегрузки по току? । Типы устройств защиты от перегрузки по току

Производители разрабатывают устройства защиты от перегрузки по току (OCPD) для защиты цепи и оборудования от событий перегрузки по току. Перегрузки по току могут разрушить электронику, расплавить провода, вызвать пожар и привести к другим опасностям. OCPD останавливают чрезмерное потребление тока, полностью останавливая поток тока. Таким образом, они защищают оборудование от повреждений и действуют как защитный механизм, предотвращая электрические возгорания.

Плавкие вставки

Плавкая вставка — это электрическое защитное устройство, обеспечивающее защиту цепи от перегрузки по току. Плавкая вставка — это, по сути, крошечный предохранитель с коротким отрезком провода; обычно на четыре размера меньше, чем провод, который он защищает.

Плавкие вставки наиболее распространены в автомобильной промышленности в сильноточных приложениях. В большинстве случаев плавкая вставка покрыта огнеупорной изоляцией, рассчитанной на высокие температуры. Это уменьшит опасность, если проволока станет достаточно горячей, чтобы расплавиться.

Плавкие предохранители

Плавкие предохранители, по большому счету, являются наиболее распространенным типом защиты от перегрузки по току. Предохранитель содержит металлический провод или полоску, заключенную в изолятор (обычно стеклянный) с двумя проводниками на концах для замыкания цепи. Когда через предохранитель проходит слишком большой ток, его проволока или металлическая полоска плавятся и ток прекращается.

Предохранители являются жертвенными компонентами, то есть они разрушаются при перегрузке по току. Поэтому вам придется заменять их каждый раз, когда они выходят из строя.

Предохранители существуют с момента появления электричества, и сегодня существуют тысячи различных конструкций для различных применений. Вот распространенные варианты:

Текущий рейтинг
Номинальное напряжение
Отключающая способность
Время отклика
Физический размер
Тип разъема

Предохранители перегорают, когда протекающий через них ток превышает номинальный максимальный номинальный ток. Перегрузка, короткие замыкания, несогласованные нагрузки и отказы устройств являются распространенными причинами перегорания предохранителя.

Автоматические выключатели

Как и предохранители, автоматические выключатели автоматически останавливают ток, физически создавая разрыв в цепи. Но в отличие от предохранителей, которые плавятся, разрывая цепь, автоматические выключатели отключаются при перегрузке или коротком замыкании. Таким образом, автоматические выключатели можно использовать повторно.

Большинство автоматических выключателей необходимо сбрасывать вручную. Однако есть модели с функцией автоматического сброса. Автоматические выключатели бывают различных форм, номиналов и форм. Они бывают небольших размеров для отдельных бытовых приборов и бегемотов, защищающих высоковольтные цепи, обеспечивающие электричеством целые города.

Некоторые из их распространенных типов включают:

Низковольтные
Среднее напряжение
Высоковольтный
Магнитный
Магнитно-гидравлический
Термомагнитный
Твердотельный
Независимый расцепитель
«Умный»

Существуют тысячи различных автоматических выключателей, и все они обеспечивают защиту от перегрузки по току.

Автоматические выключатели обнаруживают неисправности посредством нагрева или магнитного воздействия электрического тока или другими способами. Например, в автоматических выключателях для больших токов и высоких напряжений используются контрольные устройства защитных реле для обнаружения условий неисправности, таких как перегрузка, короткое замыкание, замыкание на землю и т. д.

Когда автоматический выключатель обнаруживает неисправность, он размыкает цепь, предотвращая протекание по ней тока. Большинство бытовых автоматических выключателей в блоке выключателя подпружинены и механически отключаются за счет накопленной энергии. Автоматические выключатели также могут использовать сжатый воздух или тепловое расширение, вызванное перегрузкой по току, для размыкания контактов.

Небольшие автоматические выключатели, такие как те, что стоят в вашем доме, необходимо сбрасывать вручную с помощью нажимного рычага или переключателя. Причина, по которой их трудно открыть, заключается в том, что вы повторно сжимаете механическую пружину. С другой стороны, большие автоматические выключатели, например, в промышленных условиях, используют соленоиды для отключения выключателей с двигателями для восстановления механической энергии в отключающих пружинах.

Важнейшая роль защиты от перегрузки по току

Защита от перегрузки по току необходима для каждой электрической цепи. Если цепь не имеет защиты от перегрузки по току, могут быть серьезные последствия. Например, перегрузка по току может вывести из строя электронные устройства без защиты и привести к возгоранию, поражению электрическим током и поражению электрическим током.

Таким образом, все электрические цепи и оборудование должны иметь устройства защиты от перегрузки по току для прерывания и размыкания цепей при возникновении перегрузок по току. В результате надлежащей защиты можно значительно снизить риск повреждения и поражения электрическим током.

Разница между защитой от перегрузки по току и защитой от перегрузки

Перегрузка по току — это тип перегрузки по току. Следовательно, защита от перегрузки также является типом защиты от перегрузки по току.

Защита от перегрузки по току — это защитный механизм, предотвращающий токи выше допустимого номинального тока цепи или оборудования. Защита от перегрузки по току обычно достигается с помощью магнитных автоматических выключателей или предохранителей и срабатывает мгновенно. Случаи перегрузки по току могут возникать из-за короткого замыкания или перегрузки.

Защита от перегрузки защищает от перегрузки по току, которая может вызвать перегрев защищаемого оборудования или цепи. Время, необходимое для срабатывания схемы защиты от перегрузки, отрицательно коррелирует с увеличением тока. Таким образом, чем выше нагрузка, тем меньше времени требуется для отключения. Например, более высокий ток перегрузки вызовет более быстрое срабатывание реле защиты от перегрузки, чем более низкий ток перегрузки.

Некоторые автоматические выключатели и реле имеют как защиту от перегрузки, так и защиту от перегрузки по току. Это означает, что они имеют как магнитный автоматический выключатель, который срабатывает при перегрузке по току, так и тепловой элемент, вызывающий срабатывание автоматического выключателя при перегрузке по току.

Как работает защита от перегрузки по току?

Высокие токи короткого замыкания могут возникать при выходе из строя электрических систем, что в противном случае может привести к повреждению оборудования и возгоранию, если не будет защищено устройством защиты от перегрузки по току. Самым простым и распространенным типом защиты от сверхтоков являются плавкие предохранители.

Как работают предохранители?

Когда ток, протекающий через предохранитель, становится слишком большим, внутренний проводник сильно нагревается и плавится. Когда проводник плавится, он прерывает ток. Таким образом, предохранители являются одноразовыми устройствами, и вы должны заменить их после перегрузки по току.

Максимальный ток, который могут отключить предохранители, ограничен; это может вызвать дугу через расплавленное соединение, если ток слишком высок. По этой причине проектировщики и электрики используют их только в системах низкого и среднего напряжения.

Предохранители — это отличный недорогой способ защиты оборудования и цепей от перегрузки по току, но они не подходят для ситуаций с высоким напряжением.

Как работают автоматические выключатели?

В большинстве высоковольтных систем наряду с трансформаторами и реле используются автоматические выключатели для обеспечения защиты от перегрузки по току.

Вот основные принципы их совместной работы:

Автоматический выключатель и трансформатор тока устанавливаются в цепи последовательно
Трансформатор тока снижает линейный ток до меньшего тока (вторичный ток) и подает его на реле
Когда вторичный ток превышает ток срабатывания реле в течение определенного периода времени (времени задержки), реле срабатывает, и автоматический выключатель разрывает цепь тока.

Интенсивность тока срабатывания определяет конкретное время задержки. Отношение времени задержки к току срабатывания определяет, когда реле сработает. Они имеют обратную зависимость, которая определяется характеристикой отключения. Проще говоря, для срабатывания более низких токов требуется больше времени, а для срабатывания более высоких токов требуется меньше времени.

Примеры схем защиты от перегрузки по току

Если вы пользуетесь электричеством, в вашей повседневной жизни есть множество примеров схем защиты от перегрузки по току. Они варьируются от электропроводки в вашем доме до электрических элементов управления в вашем автомобиле и даже на печатной плате вашего телефона.

Защита от перегрузки по току есть практически в каждом устройстве, использующем электричество. Вот несколько примеров:

Блок предохранителей под панелью приборной панели вашего автомобиля
Выключатель в вашем доме
Розетки GFCI в ванных комнатах и на кухне
Розетка для зарядки телефона
Много мест на электростанции
Силовые подстанции
Многие участки вдоль ЛЭП

Заключение

Защита от перегрузки по току является функцией безопасности почти всех электронных устройств. Они защищают цепи и оборудование от всех типов перегрузок по току, включая короткие замыкания, замыкания на землю и перегрузки по току. Плавкие вставки, предохранители и автоматические выключатели являются наиболее распространенными типами устройств защиты от перегрузки по току (OCPD).

Защита цепи обратного тока | Аналоговые устройства

Оборудование, работающее от аккумуляторов, подвержено последствиям неправильной установки аккумуляторов, случайных коротких замыканий и других видов небрежного обращения. Последствия перевернутой батареи имеют решающее значение. К сожалению, защититься от такой ситуации сложно.

Чтобы сделать оборудование устойчивым к батареям, установленным в обратном направлении, вы должны спроектировать либо механический блок для обратной установки, либо электрическую защиту, предотвращающую вредные последствия при обратной установке. Механическая защита может быть односторонним разъемом, который принимает батарею только при правильной полярности.

Например, 9-вольтовые аккумуляторы для радиоприемников имеют механически разные клеммы, хотя пользователь, возившийся с механическим соединением, все же может на мгновение выполнить обратное электрическое соединение. С другой стороны, вы можете настроить разъемы для аккумуляторных батарей так, чтобы мгновенное обратное подключение было невозможным, пока пользователь не изменит разъем.

Однако самая большая проблема связана с приложениями, питающимися от одной или нескольких одноэлементных батарей, таких как щелочные, никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи типа AA. Как правило, эти батареи не имеют механических средств для предотвращения реверсирования одного или нескольких элементов. Для этих систем разработчик должен убедиться, что любой поток обратного тока достаточно низок, чтобы избежать повреждения цепи или батареи. Эту гарантию могут обеспечить различные схемы.

Диоды
обеспечивают простейшую защиту
Простейшей формой защиты от переполюсовки батареи является диод, включенный последовательно с положительной линией питания (рис. 1а). Диод пропускает ток от правильно установленной батареи к нагрузке и блокирует ток от установленной сзади батареи. У этого решения есть два основных недостатка: диод должен выдерживать полный ток нагрузки, а его прямое падение напряжения сокращает время работы оборудования. (Выходное напряжение регулятора на один диод ниже напряжения батареи, поэтому регулятор преждевременно отключается.)
Если приложение требует щелочной батареи или батареи другого типа с относительно высоким выходным сопротивлением, вы можете защититься от обратной установки, используя параллельный (шунтирующий) диод. Схема на рис. 1б проста, но далека от идеала. Такой подход защищает нагрузку, но потребляет большой ток от закороченной батареи. Как и прежде, диод должен выдерживать большой ток.
Рис. 1. Простейшей защитой от обратного тока батареи является последовательный (а) или шунтирующий (б) диод.
В качестве улучшенной меры реверсирования батареи вы можете добавить pnp-транзистор в качестве переключателя верхнего плеча между батареей и нагрузкой (рис. 2а). При правильной установке батареи токоограничивающий резистор в выводе базы смещает переход база-эмиттер в прямом направлении. Установленная сзади батарея смещает транзистор в обратном направлении, и ток не может течь. Эта схема лучше, чем последовательный диод, потому что насыщенный pnp-транзистор обеспечивает более низкое падение напряжения, чем большинство диодов, и, таким образом, повышает эффективность работы за счет снижения рассеиваемой мощности.
Проверка на недостатки
Меньшее падение напряжения p-n-p-транзисторов также увеличивает время работы, поскольку позволяет разрядить напряжение батареи до более низкого уровня. Эти транзисторы имеют низкую стоимость и низкое напряжение насыщения, но имеют и недостатки. Например, базовый ток рассеивает часть полезной энергии батареи как V _IN × I _B , а бета (максимум примерно 50) большинства мощных pnp-транзисторов требует значительного базового тока для заданного тока нагрузки.
Вы должны спроектировать базовый ток, достаточный для комбинации максимальной нагрузки и минимальной нагрузки V _IN. Это фиксирует значение базового тока, а затем приводит к снижению эффективности при более легких нагрузках, если только вы не предусмотрели сложную схему для модуляции базового тока в зависимости от тока нагрузки. Эти критерии также применимы к использованию npn-переключателя между нагрузкой и возвратом батареи (рис. 2b), но с одним существенным отличием: гораздо более высокие коэффициенты бета мощных npn-транзисторов снижают потери тока базы при заданном токе нагрузки.
Рис. 2. Поскольку прямое падение меньше, pnp-транзистор верхнего плеча (a) обеспечивает лучшую защиту от обратного тока, чем диод. Еще лучше использовать npn-транзистор нижнего плеча (b), чье более высокое бета означает меньший ток базы и меньшие потери мощности.
Замена биполярных транзисторов на МОП-транзисторы
При заданном токе нагрузки низкое сопротивление полностью улучшенного полевого МОП-транзистора падает намного меньше напряжения, чем у эквивалентного биполярного транзистора. Результатом является меньшее рассеивание мощности, что позволяет МОП-транзистору выдерживать гораздо более высокие токи нагрузки, чем это возможно с биполярным транзистором того же размера. Это преимущество привело к производству n- и p-канальных полевых МОП-транзисторов с логическим уровнем для работы при 5 В и 3 В и даже более низких напряжениях питания. NMOS FET включают Motorola MTP-3055EL, Harris RFD14N05L и Siliconix Si9.410DY. Примерами полевых транзисторов PMOS являются Siliconix Si9433DY и Si9434DY, а также National Semiconductor NDS9435.
Обратите особое внимание на ориентацию MOSFET в цепи. МОП-транзисторы имеют встроенный в корпус диод, который проводит ток в условиях прямого смещения. Этот ток течет от стока к истоку для PMOS FET и от истока к стоку для NMOS FET. Независимо от того, используете ли вы NMOS или PMOS FET в качестве переключателя нижнего или верхнего плеча, ориентируйте диод в корпусе устройства в направлении нормального протекания тока. Затем перевернутая батарея смещает диод в обратном направлении и блокирует протекание тока.
Полевые МОП-транзисторы NMOS более привлекательны для сильноточных приложений, чем полевые МОП-транзисторы PMOS, поскольку полевые МОП-транзисторы NMOS имеют более низкое сопротивление во включенном состоянии, чем аналоги PMOS того же размера. Поскольку для полного улучшения необходимо поднять напряжение затвора полевого МОП-транзистора NMOS выше напряжения истока, полевой МОП-транзистор NMOS относится к цепи возврата батареи (рис. 3). Таким образом, если вы правильно установите батарею, напряжение батареи выше 10 В (5 В для полевых МОП-транзисторов логического уровня) полностью откроет МОП-транзистор. Переворачивание батареи приводит к низкому уровню клеммы затвора и отключению МОП-транзистора.
Рис. 3. NMOS FET с логическим уровнем нижнего плеча для защиты от обратного тока пропускает больший ток, чем эквивалентный биполярный транзистор.
У переключателя нижнего плеча есть один недостаток: токи возврата на землю, протекающие через переключатель, создают небольшие падения напряжения, которые могут мешать работе схемы. Альтернативой является переключатель верхнего плеча. Однако использование полевого МОП-транзистора NMOS в качестве переключателя верхнего плеча по-прежнему требует, чтобы привод затвора превышал напряжение источника, то есть привод затвора был выше, чем напряжение батареи. На рис. 4 показано одно решение, в котором устройство подкачки заряда (IC ₁ ) значительно повышает напряжение затвора по сравнению с истоком. Эта схема полностью улучшает МОП-транзистор при правильной установке батареи.
Рис. 4. Чтобы обеспечить защиту от обратного тока без нарушения обратных токов на землю, добавьте полевой МОП-транзистор на стороне высокого напряжения, управляемый микросхемой подкачки заряда.
На рисунке 4 микросхема IC ₁ принимает напряжение батареи от 3,5 В до 16,5 В и регулирует выходное напряжение батареи до (V _BATT +10 В). Эта схема позволяет стандартным полевым МОП-транзисторам NMOS в расширенном режиме работать от напряжения батареи до 3,5 В. Поскольку зарядный насос работает от напряжения батареи и, следовательно, также нуждается в защите от переполюсовки батареи, схема подключает диод между положительной клеммой батареи и V 9 микросхемы.0227 СС терминал.
Полевые транзисторы PMOS работают на стороне высокого напряжения и не требуют дополнительных схем для управления затвором. Однако переключатель PMOS, как правило, в два раза дороже и имеет почти в три раза большее сопротивление во включенном состоянии, чем устройство NMOS с сопоставимой мощностью, работающей с аналогичным напряжением сток-исток. Вы можете улучшить имеющиеся в настоящее время PMOS-транзисторы с напряжением затвора 5 В или даже 3 В.
Если напряжение батареи вашей схемы составляет не менее 10 В, вы можете подключить затвор PMOS FET непосредственно к возврату батареи (рис. 5). Как и прежде, вы должны подключить транзистор в обратном направлении (относительно обычной практики), чтобы сориентировать его корпус диода в направлении нормального протекания тока. Это соединение подает напряжение батареи между затвором и стоком, но напряжение между затвором и истоком управляет сопротивлением канала. Однако внутренний диод создает напряжение истока на одно падение ниже напряжения стока, когда вы впервые прикладываете V _БАТТ . В результате получается жесткое напряжение затвор-исток, равное -(V _BATT -V _DIODE ), которое быстро усиливает полевой транзистор, сводя падение VDS к желаемому минимуму.
Рис. 5. Этот переключатель на полевом транзисторе с PMOS на стороне высокого напряжения предлагает простую защиту от обратного тока в обмен на более высокое сопротивление в открытом состоянии и более высокую стоимость.
Проблема низкого заряда батареи
Для напряжения батареи ниже 10 В, но выше 2,7 В вы можете использовать низковольтный полевой МОП-транзистор, такой как Siliconix Si9. 433DY или Si9435DY. С другой стороны, обеспечение защиты от переполюсовки батареи при напряжении ниже 2,7 В может быть проблемой. Одним из решений является использование биполярного транзистора, что влечет за собой потери тока базы. Другим является использование низкопорогового полевого транзистора PMOS с зарядовым насосом для управления напряжением затвора под землей (рис. 6). Эта схема может работать с выходным напряжением 5 В или 3,3 В. Несмотря на то, что схема предназначена для работы с двумя элементами, схема обычно запускается при входном напряжении всего 1,5 В.
Рис. 6. Использование переключателя PMOS FET верхнего плеча с низким напряжением батареи требует подкачки заряда (D ₁ , D ₂ и C ₁ ) для управления напряжением затвора ниже уровня земли.
Один или два элемента батареи не обязательно производят достаточное напряжение затвор-исток для полного включения полевого транзистора. Тем не менее, коммутационный узел повышающего DC/DC преобразователя IC1 приводит в действие простой подкачивающий насос, состоящий из C ₁ , D ₁ и D ₂ , который генерирует более чем достаточно для этой цели. Для В _IN = 2В, привод затвора примерно -(V _IN +V _OUT ) = -7В.
Инверсия батареи делает КМОП-преобразователь постоянного тока похожим на диод с прямым смещением; преобразователь отключает ключ, подтягивая напряжение затвора как минимум на одно падение диода выше истока. Подтягивающий резистор на 100 кОм разряжает емкость затвора в течение 140 мс, но слегка нагружает зарядовый насос и не мешает усилению MOSFET. Опять же, схема подключает МОП-транзистор в обратном направлении, чтобы предотвратить прямое смещение внутреннего диода полевого транзистора во время реверсирования батареи.
Вы также можете использовать переключатель нижнего плеча NMOS для защиты, используя выход DC/DC преобразователя для повышения напряжения затвора (рис. 7). При нормальном регулировании преобразователь (IC1) притягивает затвор MOSFET выше его истока. Если вы установите батарею задом наперед, сопротивление нагрузки разряжает конденсатор выходного фильтра, который отключает полевой МОП-транзистор, удерживая затвор и исток при одном и том же потенциале.