Главная » Питание
Призовой фонд
на октябрь 2021 г.
1. Рюкзак Mean Well
Компэл
2. Инвертор авто Mean Well 150 Ватт
Компэл
3. Термос MeanWell
Компэл
4. 100 руб.
От пользователей

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.

Схема электронной защиты с регулируемым порогом тока отключения

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.

Электронная защита с регулируемым порогом тока отключения

Электронная защита с регулируемым порогом тока отключения

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

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
C1, C2 Конденсатор0.1 мк2 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C3, C5 Электролитический конденсатор10 мк2 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
C4 Электролитический конденсатор220 мк1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
DA1 ИС источника опорного напряжения
TL431
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
DA2 Операционный усилитель
LM358
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
K1 Реле12В1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R1 Резистор
8.2 кОм
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R2 Резистор
2.4 кОм
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R3 Резистор
9.1 кОм
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R4 Резистор
82 кОм
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R5 Подстроечный резистор3.3 кОм1 3296WПоиск в магазине ОтронВ блокнот
R6, R10, R11 Резистор
10 кОм
3 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R7 Переменный резистор50 кОм1 16T1Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R8 Резистор
1 кОм
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R9 Резистор
20 Ом
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R12 Резистор
100 кОм
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R13 Резистор
3.6 кОм
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R14 Резистор
680 Ом
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
SB1, SB2 КнопкаКМ1-12 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
VD1...VD5 Выпрямительный диод
1N4148
5 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
VD6 Выпрямительный диод
FR103
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
VT1 Биполярный транзистор
C945
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
VT2 Биполярный транзистор
BD139
1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Теги:

Опубликована: 0 0
Я собрал 0 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 4.9 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (14) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
+1
_abk_ #
Как бы помягше сказать... Сделано с любовью. А еще устройство содержит в себе большой потенциал для его совершенствования/переделки. И это не электронная защита, а электромеханическая, и не защита. Аргументы в пользу реле несостоятельны ни в одном пункте. На переменном токе устройство работать не будет, "большой диапазон" напряжений и токов реле не потянет, а "мощный источник питания" скорее погибнет от КЗ, чем дождется срабатывания реле. Кроме того, попробуйте "доступным" автомобильным реле скоммутировать большой ток при 30-40 вольтах, - будете удивлены его "способностью к перегрузкам". Про AD822 как аналог LM358 тоже повеселило. Наверное, стоит вместо реле взять MOSFET и тиснуть еще одну статейку.
Ответить
+1

[Автор]
Grenik #
В статье же написано - "Ну а тип реле K1 зависит от тока и напряжения на нагрузке". Это такой намёк на то, что надо соображать, какой тип реле применить. При чём тут 30-40В для автомобильного реле? Не надо передёргивать.
А это Ваше утверждение - "большой диапазон" напряжений и токов реле не потянет" - вообще несостоятельно. Приведите пример реле и мосфета, при равных допустимых токах и напряжениях преимущество останется за последним.
Ну и что касается мощных источников питания - у выпрямителей типа ВСА-6К и ему подобных, вся защита - вообще обычный предохранитель. Как долго он будет сгорать при превышении номинального тока процентов на 10-20%? Да хоть при КЗ на выходе.
Отредактирован 18.05.2021 14:50
Ответить
+1
_abk_ #
1.) А кто писал про доступность реле и приводил в пример автомобильное? :)) Я что ли?
2.) Коммутация больших токов на постоянном напряжении - это не так просто, как вам кажется. Почитайте про контакторы, их устройство и стоимость.
3.) Выпрямителю ВСА-6К и подобным не нужна никакая другая защита, кроме предохранителя.
4.) Пример мосфета? Выбирайте любой: https://www.compel.ru/lib/65023 Про быстродействие вообще говорить нечего. Реле? Ну да, ну да...
Ответить
+1

[Автор]
Grenik #
1. Я не писал, что автомобильное реле 12В можно использовать на 30-40В. Хотя и можно, при определённых обстоятельствах.
2. Я не писал, что это просто, тем более про то, что мне может показаться . Почитайте внимательно про MOSFET, как им "легче переключать" и про их стоимость и устройство.
3. Защита скорее может потребоваться нагрузке, а не выпрямителю. А главное - регулировку тока отключения предохранитель обеспечить не может.
4. Это не ответ, Вам даже лень сравнить реальные характеристики. Быстродействие нужно далеко не всегда. Вы поинтересуйтесь, какие бывают автоматические выключатели, а главное - почему. До сих пор реле успешно применяются и в варочных панелях, и в стиральных машинах, и в кондиционерах, да практически повсюду. Наверное, производители техники не слышали Ваших советов...
Ответить
0
_abk_ #
Вы думаете, я тратил свое время, чтобы вас поддеть или спорить с вами? Нет. Если мои замечания прошли мимо, значит, для вас они бесполезны. Значит, вы сделали совершенное устройство, в котором улучшить уже просто нечего. Это отличный результат.
Ответить
+1
Shida #
Сделано классно! Особенно хорошо смотрятся резисторы МЛТ. Жаль что автор не выложил оборотную сторону печатной платы.
Ответить
0
nikolsum #
Чёт с потонцеометром не понял. Он двойной ?
Ответить
0

[Автор]
Grenik #
Да, это для жёсткости крепления с платой. Но можно один, собственно, только один и нужен. В статье писал об этом.
Ответить
0
nikolsum #
Лучше разъём. ВЕДЬ положение регулятора определяется вместе с компоновкой всего оборудования. Или возможны проблемы с наводками ?
Отредактирован 18.05.2021 19:40
Ответить
0

[Автор]
Grenik #
Можно и разъём. Просто не хочется лишних проводов. А так вся плата переменником крепится к лицевой панели, мне так всегда казалось удобнее. И да, в зависимости от компоновки эту сигнальную цепь имеет смысл делать покороче.
Ответить
0
u37 #
Токовая защита без "выдержки"? Т.е. подключение нагрузки с встроенной емкостью наверняка приведет к отключению БП.
Довольно давно, потребовался блок питания для работы. Т.к. дело было не на воем участке, то пришлось использовать имеющееся в наличии на том месте. Увы, свободного ничего небыло, и обратились в группу выдачи измерительного оборудования. Там дали красивый, очень удобный и функциональный БП (не помню марку). Он устраивал по всем характеристикам и сразу возник вопрос - а чтож его не забрали то? ...
Пошли на стенд, начали разбираться с устройством и ... и последовал "хрясь" - БП выключился. Ладно, бывает, повтор - опять отключение. Намучались мы тогда с ним изрядно и стало понятно, почему "это" никто не взял. Ибо хлам. Нормальный (лабораторный) БП должен иметь мягкую защиту (ограничение тока) и, по возможности, жесткую с существенной выдержкой. Иначе и будут следовать "хрясь" в самый подходящий момент, или постоянно.
В обзоре предлагается добавить именно такую "защиту" в свой БП. Знаете, я точно не буду делать.
Ответить
+1

[Автор]
Grenik #
"Токовая защита без "выдержки"?" - элементы R1, C2*. Это во-первых. А во-вторых, в статье не предлагается использовать устройство для защиты лабораторных БП. Оно может быть полезным для уже имеющихся источников, у которых кроме предохранителя нет защиты вообще.
Отредактирован 20.05.2021 13:58
Ответить
+2
Smelter2 #
В своё время спалил кучу электроники по КЗ из-за разных типов "защиты" на ультрабыстродействующих, ультрасиловых... полупроводниках! У силовых полупроводников есть две плохие особенности: первая – на токах КЗ они могут "забыть" про то, что ими управляют и не закрываются ни при каких обстоятельствах. Вторая – характеристики конкретно силовых полупроводников сильно подверженны деградации со временем. И мегамосфет на 120А хорошо, если на 80А остановится через пару лет, чего не скажешь о контактах реле (площадь контактов не уменьшается и диффундировать металлу некуда, в отличии от кремния и "прочих излишеств нехороших" :-) Что касается быстродействия: все полупроводники нормируются многократным превышением по току в течении 8-10 мс. как ни странно, это время срабатывания большинства реле. Ну, например, диод 1N4007, по документам без ущерба для своей жизни выдерживает ток 30А в течении 8.3мс! По коммутации реле больших токов при большом напряжении: искро/дугогасящие цепи на контактах творят чудеса, не поверите. И из личного опыта: никакая полупроводниковая защита по КЗ не работала так же эффективно и стабильно, как самое обычное реле, которое железобетонно вырубалось по падению напряжения.
Отредактирован 09.06.2021 22:04
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется электрическая мощность?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Конструктор регулируемого преобразователя напряжения LM317
Конструктор регулируемого преобразователя напряжения LM317
Сатфайндер AVR-программатор USB ASP
вверх