Схема электронного предохранителя. Электронный предохранитель на полевом транзисторе: принцип работы, схема и применение

Основные элементы схемы:

• VT1 — силовой полевой транзистор
• DA1 — операционный усилитель
• R1, R2 — резистивный делитель для измерения тока

Принцип работы схемы:

1. Ток нагрузки протекает через открытый транзистор VT1 и резистор R1
2. Падение напряжения на R1 пропорционально току
3. Операционный усилитель DA1 сравнивает напряжение на R1 с опорным
4. При превышении порога DA1 выдает сигнал на закрытие VT1
5. Транзистор закрывается и разрывает цепь нагрузки

Настройка электронного предохранителя

Для настройки тока срабатывания электронного предохранителя необходимо:

1. Рассчитать сопротивление R1 исходя из максимального тока
2. Подобрать соотношение R1 и R2 для задания порога срабатывания
3. Настроить опорное напряжение на DA1
4. Проверить срабатывание при заданном токе

Точная настройка позволяет установить порог срабатывания с высокой точностью.

Применение электронных предохранителей

Электронные предохранители на полевых транзисторах находят широкое применение в следующих областях:

• Защита источников питания
• Ограничение тока в зарядных устройствах
• Защита аккумуляторных батарей
• Ограничение пусковых токов двигателей
• Защита светодиодных драйверов
• Защита измерительных приборов

Возможность точной настройки и быстрого срабатывания делает их незаменимыми в современной электронике.

Особенности монтажа электронного предохранителя

При монтаже электронного предохранителя на полевом транзисторе следует учитывать следующие особенности:

• Обеспечить хороший теплоотвод для силового транзистора
• Использовать низкоиндуктивные соединения в силовой цепи
• Экранировать цепи управления от силовых
• Обеспечить надежное соединение общего провода
• Учитывать возможность возникновения паразитных колебаний

Правильный монтаж обеспечит надежную работу электронного предохранителя и всего устройства.

Ограничения электронных предохранителей

Несмотря на многочисленные преимущества, электронные предохранители имеют некоторые ограничения:

• Более высокая стоимость по сравнению с плавкими предохранителями
• Потребление энергии в дежурном режиме
• Возможность ложных срабатываний от помех
• Ограниченная стойкость к перенапряжениям
• Необходимость отдельного источника питания для схемы управления

При проектировании устройств необходимо учитывать эти ограничения и принимать соответствующие меры.

Заключение

Электронные предохранители на полевых транзисторах являются современным и эффективным средством защиты электронных устройств от перегрузок по току. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными плавкими предохранителями и находят широкое применение в различных областях электроники. Правильный выбор схемы, настройка и монтаж позволяют создать надежную защиту для самых различных устройств.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Регулируемый электронный предохранитель

Это устройство предназначено для защиты цепей постоянного тока от перегрузки по току и замыканий цепи нагрузки. Его включают между источником питания и нагрузкой.

Предохранитель выполнен в виде двухполюсника и может работать совместно с блоком питания с регулируемым выходным напряжением в пределах 3…35 В. Максимальное полное падение напряжения на предохранителе не превышает 1,9 В при максимальном токе нагрузки. Ток срабатывания защитного устройства можно плавно регулировать в пределах от 0,1 до 1,5 А независимо от напряжения на нагрузке. Электронный предохранитель обладает хорошими термостабильностью и быстродействием (3. .. 5 мкс), надежен в работе.

Принципиальная электрическая схема электронного предохранителя показана на рис.1. В рабочем режиме тринистор VS1 закрыт, а электронный ключ на транзисторах VT1, VT2 открыт током, протекающим через резистор R1 в базу транзистора VT1. При этом ток нагрузки протекает через электронный ключ, набор резисторов R3- R6, переменный резистор R8 и контакты кнопки SB1.

При перегрузке падение напряжения на цепи резисторов R3-R6, R8 достигает значения, достаточного для открывания тринистора VS1 по цепи управляющего электрода. Открывшийся тринистор замыкает цепь базы транзистора VT1, что приводит к закрыванию электронного ключа. Ток в цепи нагрузки резко уменьшается; остается незначительный остаточный ток, равный Iост=Uпит/R1. При Uпит=9 В Iост=12 мА, а при 35 В — 47 мА.

Для того чтобы восстановить рабочий режим после устранения причины перегрузки, нужно на короткое время нажать на кнопку SB1 и отпустить. При этом тринистор закроется, а транзисторы VT1 и VT2 вновь откроются.
Остаточный ток можно уменьшить, увеличив в 1,5…2,5 раза сопротивление резистора R1 и использовав транзисторы VT1 и VT2 с большим статическим коэффициентом передачи тока. Однако чрезмерное увеличение сопротивления резистора R1 ведет к увеличению падения напряжения на транзисторе VT2, т. е. увеличению падения напряжения на предохранителе в рабочем режиме.

Остаточный ток можно существенно уменьшить (до 2…4 мА) при любом напряжении питания, использовав для смещения транзистора VT1 источник тока на полевом транзисторе КП303А или КП303Б с начальным током стока 1…2,5 мА. При этом резистор R1 исключается. Затвор и исток полевого транзистора нужно соединить вместе и подключить к базе транзистора VT1, а сток — к его коллектору. Следует иметь в виду, что в этом случае устройство работоспособно в цепях с напряжением не более 25 В.

Рис. 1

На рис.2 показана зависимость тока срабатывания предохранителя от сопротивления резистора R8. Вид этой характеристики сильно зависит от напряжения открывания тринистора.
Следует иметь в виду, что при напряжении питания, имеющем значительные пульсации, электронный предохранитель срабатывает на пиках напряжения, поэтому средний ток через нагрузку будет несколько ниже, чем при использовании хорошо сглаженного напряжения.

Ток срабатывания предохранителя можно определить из выражения: I_сраб=U_открVS1/(R_экв+R8), где U_открVS1— напряжение открывания тринистора, а R_экв — эквивалентное сопротивление цепи резисторов R3- R6. Как показывает график на рис.2, регулирование тока срабатывания резистором R8 в зоне предельных значений довольно грубое, поэтому целесообразно либо сократить пределы регулирования уменьшением сопротивления резистора R8 в 1,5…2 раза, либо ввести многоступенчатое регулирование переключателем с набором точно подобранных резисторов.

Предохранитель смонтирован на печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис.3). На плате размещены все детали, кроме транзистора VT2, резистора R8 и кнопки SB1. Транзистор VT2 необходимо установить на небольшой теплоотвод, например, на дюралюминиевую пластину размерами 90х35х2 мм с отогнутыми краями.

В устройстве можно применить транзисторы и в металлическом корпусе, потребуется лишь изменить конструкцию и размеры теплоотвода. Транзистор КТ817Б можно заменить на КТ815Б-КТ815Г, КТ817В, КТ817Г, КТ801А, КТ801Б, а КТ805АМ — на КТ802А, КТ805А, КТ805Б, КТ808А, КТ819Б-КТ819Г. Статический коэффициент передачи тока транзисторов должен быть не менее 45. Постоянные резисторы — МЛТ, МТ и МОН; переменный резистор — любой проволочный; кнопка SB1 — П2К без фиксатора.

В предохранителе лучше использовать тринисторы КУ103А с напряжением открывания 0,4…0,6 В.
Собранный предохранитель налаживания, как правило, не требует. В некоторых случаях требуется подобрать сопротивление Rэкв добавлением еще одного резистора для установки максимального тока срабатывания. На плате предусмотрено место для четырех резисторов R3-R6.

Несложно рассчитать предохранитель и на больший ток срабатывания (до 3. ..5 А). Для этого потребуются более мощные транзисторы.

Рис. 2

Рис. 3

Радио №5, 1988 г., стр.31

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Конструкция и работа цепи

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

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

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

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

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

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

Что означает коммутация в тиристорах (SCR)?

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

Что такое удерживающий ток в тиристоре (SCR)?

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

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

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

Напряжение на резисторе = Ток в цепи x Значение резистора 

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

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

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

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

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

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

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

Электронный предохранитель до 400 В

Я решил разработать электронный предохранитель с током срабатывания примерно 10А и рабочим напряжением до 400В. Как обычно, в инете нашел только «детские» схемы, не ограничивающие dI/dt и работающие с низкими напряжениями, не более 30В. Они хороши как защита от перегрузки, но в условиях короткого замыкания те цепи, вероятно, будут разрушены. Поэтому я сконструировал этот электронный предохранитель.
Цепь электронного предохранителя:
На приведенной ниже диаграмме показана схема цепи электронного предохранителя и различные способы ее подключения между источником питания и нагрузкой. В схеме предохранителя используется интегральная схема UC3843. Из множества его функций используются только УВЛО и датчик тока (вывод 3). Ток измеряется по падению напряжения MOSFET D-S на сопротивлении состояния. Пороговое напряжение контакта 3 равно 1В. На падение напряжения, при котором цепь отключается, влияют резисторы R1 и R2. Вывод 3 имеет определенный ток смещения (2-10мкА) и это надо учитывать при проектировании делителя R1, R2. R1 должен выдерживать полное напряжение питания. Конденсатор 10н 1кВ служит dV / dt ограничивает и, таким образом, защищает MOSFET. Это также способствует ускорению срабатывания электронного предохранителя в случае очень быстрого роста тока. Пороговый ток зависит от выбора MOSFET (сопротивление Rds (on)). Параллельно можно подключить больше полевых МОП-транзисторов. МОП-транзистор должен иметь не менее примерно на 25% выше напряжение D-S, чем рабочее напряжение. Схема, конечно, может быть адаптирована для широкого диапазона токов и напряжений. Схема требует вспомогательного источника питания 12-18В с током около 20мА. MOSFET имеет адекватный теплоотвод.
Соединение:
Автоматические выключатели, конечно, не могут быть просто включены между питанием и нагрузкой, т.к. в случае короткого замыкания не было ограничения крутизны нарастания тока (di/dt). Это должно быть обеспечено добавлением катушки индуктивности L1. Необходимо добавить защиту от перенапряжений, возникающих на L1 и паразитных индуктивностях. Плавкий предохранитель можно использовать в качестве защиты импульсных источников питания. На выходе используйте только небольшую блокирующую способность, чтобы предотвратить повреждение защищаемой цепи. Большая фильтрующая способность размещена на входе предохранителя. На приведенной ниже схеме показаны различные способы подключения предохранителя к цепи. Его можно использовать в отрицательном или положительном рельсе. Есть версии с заблокированным чоком и разблокированным чоком. В большинстве случаев можно использовать вторую версию. Дроссель определяет скорость нарастания тока (di/dt) в случае жесткого короткого замыкания. Он должен быть разработан с учетом максимального рабочее напряжение и ток и задержка цепи электрического предохранителя. Для работы с 320 — 400В индуктивность не менее 160 мкГн кажется лучшей. Он ограничивает dI/dt до 2–2,5 А/мкс, при этом электронный предохранитель обеспечивает безопасное отключение. Дроссель, конечно, должен быть рассчитан на ток с некоторым запасом для предотвращения насыщения даже в условиях короткого замыкания.
Управление:
Предохранитель имеет кнопку сброса, которая включает (сбрасывает) его. Включение необходимо производить до подключения основного питающего напряжения.