Электронная защита с регулируемым порогом тока отключения

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять защиту мощных источников питания от превышения допустимого тока в нагрузке или короткого замыкания. Кроме того, имеется возможность произвольного отключения/включения нагрузки вручную. В качестве датчика тока можно использовать стандартные шунты на 75 или 60 мВ, либо самодельные, а в качестве выключателя нагрузки - электромагнитное реле. Несмотря на кажущийся анахронизм последнего, у реле перед полупроводниками есть некоторые преимущества, а именно - работа в широком диапазоне токов и напряжений, постоянных и переменных, высокая перегрузочная способность, при необходимости - коммутация нескольких каналов одновременно. Ну и их широкая доступность, взять хотя бы обычное автомобильное реле на 12В 30А. Схема электронной защиты представлена на рис. 1.

Сигнал с измерительного шунта через входную цепь R1, C2, VD1, VD2 поступает на вход неинвертирующего ОУ DA2.1. Диоды VD1, VD2 защищают вход ОУ от возможной перегрузки по входному напряжению, элементы R1, C2 подавляют помехи и амплитуду коротких импульсов при возникновении пиковых токов в нагрузке для исключения ложного срабатывания защиты. По схеме R1 C2 вносят задержку около 4,1 мс. Если этого недостаточно, необходимо увеличить номинал конденсатора C2. Элементы R3, R4 устанавливают коэффициент усиления ОУ равным 10, а элементы VD3, R6 убирают постоянную составляющую на выходе DA2.1 в отсутствие входного сигнала. ОУ работает от однополярного источника питания, и его выходной каскад при таком включении не в состоянии обеспечить нулевое напряжение на выходе. Поскольку диод VD3 охвачен ООС, на погрешность усиления он никак не влияет. ОУ DA2.2 работает в режиме компаратора, сравнивая опорное напряжение, поступающее с переменного резистора R7, с напряжением от усилителя DA2.1. В случае, когда напряжение на выв. 5 DA 2.2 становится больше опорного, на выв. 6, с выхода 7 через развязывающий диод VD4 на триггер шмитта поступает высокий уровень. Триггер состоит из транзисторов VT1, VT2. При подаче высокого уровня на транзистор VT1 он открывается, закрывая тем самым транзистор VT2, что приводит к отключению реле K1. В этот момент времени через элементы K1, VD5, R11 в базу VT1 начинает протекать ток, окончательно фиксируя его в открытом состоянии, таким образом, реле К1 будет гарантированно отключено. Для включения реле служат элементы R12, C5, SB2. В момент нажатия кнопки SB2 конденсатор C5 находится в разряженном состоянии, его сопротивление практически равно нулю, что приводит к закорачиванию базы транзистора VT1 на "землю" и его закрытию. До того, как конденсатор C5 успеет полностью зарядиться, ток, протекающий через резистор R14, откроет транзистор VT2, и реле снова окажется во включённом состоянии. При этом диод VD5, осуществляющий положительную обратную связь для фиксации состояния триггера шмитта, окажется закрыт, резисторы R10, R11 закроют транзистор VT1, что приведёт к устойчивому состоянию триггера до тех пор, пока не будет нажата кнопка SB1, или не поступит высокий уровень от компаратора DA2.2. Резистор R12 необходим для разряда ёмкости C5 при отжатии кнопки SB2. Сам конденсатор необходим для исключения периодического включения и отключения (дребезга) реле K1 в случае, когда причина срабатывания защиты не устранена, кнопка SB2 всё ещё нажата, и при включении реле K1 через токовый шунт будет вновь протекать ток больше установленного резистором R7. В этом случае частично заряженный конденсатор C5 уже не сможет закрыть транзистор VT1, и при всё ещё нажатой кнопке SB2 напряжение на нём просто достигнет уровня база - эмиттер транзистора VT1, что не позволит перейти ему в закрытое состояние и открыть транзистор VT2, включив реле К1. Ниже представлено фото собранного устройства.

После сборки устройства необходимо настроить диапазон регулирования тока срабатывания. Для начала нужно определиться, какой будет использоваться шунт. Со стандартными шунтами на 60/75 мВ проще, независимо от того, каким будет максимальный ток, измеряемое напряжение на входе компаратора DA2.2 будет всегда 600 или 750 мВ соответственно. Если самодельный - тогда считать по закону Ома.

Далее на разъём XS1 от внешнего источника подаётся необходимое напряжение, соответствующее току ограничения, которое падает на измерительном шунте. Измеряем напряжение после усилителя DA2.1 на выв.5 DA2.2 - в идеальном случае оно должно было бы быть в 10 раз больше. Но на практике оно будет наверняка другим из-за погрешности номиналов резисторов R3, R4, но главным образом - из-за напряжения смещения ОУ LM358, которое может достигать 7 мВ. А поскольку усиление равно 10, в худшем случае можно получить прибавку к выходному напряжению уже 70 мВ. Переменный резистор R7 устанавливается в крайне левое по схеме положение, а сопротивление подстроечного R5 выставляется максимальным. Далее, контролируя напряжение на выв.7 DA2.2 и постепенно уменьшая сопротивление резистора R5, необходимо добиться перехода выходного напряжения компаратора с высокого уровня на низкий. После этого клеммы разъёма XS1 замыкаются накоротко, положение движка резистора R7 крайне правое по схеме. Вольтметром на выв.5 DA2.2 измеряется напряжение, которое не должно быть больше 70 мВ. Это самый плохой вариант, свойственный ОУ, произведённым много лет назад, современные ОУ LM358 имеют напряжение смещения существенно ниже, в данном случае оно оказалось около 1 мВ. Измеренное напряжение сравнивается с напряжением на резисторе R9. Если оно больше, увеличиваем номинал R9 до значения, при котором падение напряжения на нём станет немного больше, чем на выв.5 DA2.2, в этом случае на выв.7 должен установиться низкий уровень. При такой настройке угол поворота оси переменного резистора R7 (диапазон устанавливаемого тока отключения) будет использован на 100%.

О замене элементов

ОУ LM358 можно заменить на функциональные аналоги, например AD822, AD823. В этом случае проблем с напряжением смещения не возникнет, и усиление можно сделать более чем в 10 раз. При всей доступности LM358 без коррекции нуля на выходе, а при однополярном питании это невозможно, хорошие результаты получить затруднительно. Более дорогие ОУ тут смогут помочь. Применение именно сдвоенного переменного резистора совершенно не обязательно, его выбор обусловлен жёсткой связью с платой за счёт двухрядной пайки, всю конструкцию можно прикрутить к лицевой панели только гайкой переменного резистора. Номиналы резисторов R5, R8, R7, R9 тоже могут иметь иные значения, в зависимости от того, какой номинал резистора R7 окажется под рукой. В этом случае суммарное сопротивление делителя необходимо подобрать большим, чем номинал R2. Диоды VD1...VD5 любые маломощные, например КД521/522, VD6 - 1N4004 и подобные, на ток от одного ампера и более - автомобильные реле потребляют от 150 мА, обратный ток при отключении не мал. Транзисторы VT1, VT2 - схожие по параметрам и цоколёвке. Вариантов масса. Ну а тип реле K1 зависит от тока и напряжения на нагрузке. Тут уже всё зависит от конкретных требований к коммутируемой нагрузке.

Все необходимые для сборки чертежи находятся в архиве.

И напоследок совет. Питание устройства проще всего осуществлять от переделанного "зарядника" для сотового телефона (смартфона) на 5В, если нет возможности запитать его от свободной обмотки трансформатора. Почти всегда на контроле выходного напряжения стоит стабилизатор на TL431, достаточно изменить номинал одного из сопротивлений делителя, и вместо 5В будет 12В. Ток потребления защиты небольшой, 27 мА в ждущем режиме, а если реле включено, +170 мА максимум. В штатном режиме "зарядник" может работать от 100В переменного тока сети, так что его вполне хватает для работы на 12В выходного напряжения.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Защита КЗ