Электронный предохранитель на транзисторе схема. Защита от короткого замыкания (электронные предохранители)

Главным недостатком плавких предохранителей при использовании их для защиты электронных схем является инерционность, т.е. большое время срабатывания, в течение которого некоторые элементы схемы успевают выйти из строя. Обеспечить автоматическую защиту устройства и одновременно повысить ее быстродействие можно за счет использования электронных предохранителей. Эти устройства можно разделить на две группы:

С самовосстановлением цепи питания после устранения причин аварии;

С повторным запуском (специальной кнопкой, повторным включением и пр.).

Существуют также устройства пассивной защиты: при аварийном режиме они только индицируют световым или звуковым сигналом наличие опасной ситуации, не отключая нагрузку.Для защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току обычно используют резистивные или полупроводниковые датчики тока, включенные последовательно в цепь нагрузки. Как только падение напряжения на датчике тока превысит заданный уровень, срабатывает защитное устройство, отключающее нагрузку от источника питания. Преимуществом такого способа защиты является то, что величину тока срабатывания защиты можно легко изменять. Другим методом защиты нагрузки является ограничение предельного тока через нее. Даже при наличии в цепи нагрузки короткого замыкания ток не сможет превысить заданный уровень и повредить нагрузку. Для ограничения предельного тока нагрузки используют генераторы стабильного тока. Схема простейшего ограничителя тока представлена на рис.1.

Фактически это - ста­билизатор тока на полевом транзисторе. Ток нагрузки при использовании такого ограничителя не сможет превысить начальный ток стока полевого транзистора. Величину этого тока можно задавать подбором типа транзистора. Для приведенного на схеме транзистора КП302В максимальный ток через нагрузку не превысит 30...50 мА. Увеличить значение этого тока можно параллельным включением нескольких транзисторов. В ограничителе тока нагрузки (рис. 2) используются биполярные транзисторы с коэффициентом передачи по току не менее 80...100.

Входное напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. Транзистор работает в режиме насыщения, поэтому основная часть входного напряжения поступает на выход. При токе, меньшем порогового, транзистор VT2 закрыт, и светодиод HL1 не горит. Резистор R3 выполняет роль датчика тока. Как только падение напряжения на нем превысит порог открывания VT2, он откроется, включится светодиод HL1, а транзистор VT1, напротив, "призакроется", и ток через нагрузку ограничится. Схема еще одного ограничителя тока приведена на рис.За.

В нормальном режиме открыт транзистор VT2 за счет протекания тока базы через резистор R1. При увеличении тока увеличивается напряжение между коллектором и эмиттером VT2 и, когда оно становится примерно 0,6 В, открывается транзистор VT1 и шунтирует цепь база-эмиттер VT2, вызывая его закрывание. Если в нагрузке произошло короткое замыкание, то ток короткого замыкания протекает по цепи: "+" источника питания - короткозамкнутая нагрузка Rн - резистор R2 - переход база-эмиттер VT1 -источника. Поскольку VT2 закрыт, ток короткого замыкания ограничен резистором R2. После устранения короткого замыкания ограничитель самостоятельно не включается. Для этого необходимо на короткое время отключить и снова подключить нагрузку (закоротить между собой выводы базы и эмиттера VT1). В этом случае VT1 закроется, a VT2 откроется, и напряжение поступит на нагрузку. На рис. 3б приведена схема для защиты потребителей от перенапряжения в низковольтных цепях.

При увеличении входного напряжения выше номинального пробивается стабилитрон VD2, открывается транзистор VT1, закрывается VT2 и обеспечивается защита нагрузки от перенапряжения. В качестве устройства защиты источников питания можно использовать электронный предохранитель (рис.4), включаемый между ис­точником и нагрузкой.

Когда ток нагрузки меньше установленного тока срабатывания, транзистор VT2 открыт, и падение напряжения на нем минимально. При росте тока нагрузки увеличивается падение напряжения на VT2, в связи с чем увеличивается напряжение, поступающее через R4 на базу VT1, и VT1 открывается. Процесс происходит лавинообразно благодаря наличию положительной обратной связи через резистор R4. В результате, VT1 шунтирует VT2, последний закрывается и обесточивает нагрузку. Одновременно загорается светодиод VD1, сигнализируя о перегрузке. Приведенные на схеме номиналы резисторов соответствуют напряжению 9 В и току срабатывания 1 А. При необходимости изменить параметры предохранителя необходимо пересчитать сопротивления R3 и R4. Электронный предохранитель (рис.5) состоит из мощного коммутирующего элемента на транзисторах VT3-VT4, токоизмерительного резистора R2, транзисторного аналога динистора VT1-VT2 и шунтирующего транзистора VT5.

При включении питания током, протекающим через резистор R1 и эмиттерный переход VT4, открывается составной транзистор VT4-VT3. Остальные транзисторы остаются закрытыми. К нагрузке поступает номинальное напряжение. При возникновении перегрузки падение напряжения на R2 становится достаточным для открывания аналога динистора. Вслед за ним открывается транзистор VT5 и шунтирует эмиттерный переход VT4. В результате, транзисторы VT3 и VT4 закрываются, отключая нагрузку от источника питания. Ток нагрузки резко уменьшается, но аналог динистора остается открытым. В этом состоянии предохрани­тель может находиться неограниченно долго. Через нагрузку протекает остаточный ток, определяемый сопротивлением R1, т.е. в десятки раз меньше номинального. Падение напряжения на закрытом транзисторе VT3 включает светодиод HL1 "Авария". Чтобы возобновить работу устройства в номинальном режиме после устранения перегрузки, необходимо на короткое время выключить источник питания либо отключить нагрузку. Предохранитель собран на печатной плате, чертеж которой приведен на рис.6.

При указанных на схеме номиналах деталей предохранитель имеет следующие характеристики:

Номинальное напряжение питания-12В;

Номинальный ток нагрузки - 1 А;

Ток срабатывания - 1,2 А;

Остаточное напряжение на нагрузке - 1,2 В;

Падение напряжения на предохранителе - 0,75 В.

Электронный предохранитель (рис.7) содержит мощный транзистор VT2, который включен в минусовый провод питания, два стабилизатора тока на полевых транзисторах (регулируемый на VT1 и нерегулируемый на VT3) и пороговый элемент - тиристор VS1.

Управляющее напряжение на тиристор поступает через резистор R2 с датчика тока, в роли которого выступает резистор R1 весьма малого сопротивления (0,1 Ом). Данный тип тиристора включается при напряжении на управляющем электроде (относительно катода) 0,5...0,6 В.В исходном состоянии через транзистор VT3 протекает ток примерно 8...15 мА, который остается стабильным при изменении выходного напряжения блока питания. Этот ток протекает через светодиод HL2, сигнализирующий о работе устройства, в цепь базы транзистора VT2. Поскольку статический коэффициент передачи тока VT2 составляет несколько тысяч, он открывается и способен пропустить в нагрузку ток в несколько ампер. При этом падение напряжения на транзисторе не превышает 1 В. Ток нагрузки создает падение напряжения на резисторе R1, которое для тиристора является открывающим. Кроме того, ток, протекающий через транзистор VT1 (его можно изменять переменным резистором R3), создает падение напряжения на резисторе R2, которое также служит открывающим для VS1. Когда сумма этих напряжений достигает определенного значения, тиристор открывается. Ток УТЗ протекает через тиристор и светодиод HL1. Напряжение на светодиоде HL2 уменьшается, он гаснет, а транзистор VT2 закрывается, и нагрузка отключается от блока питания. Горящий HL1 сигнализирует об аварии. Ток нагрузки, при котором будет срабатывать предохранитель, можно устанавливать переменным резистором R3 в пределах от нескольких десятков миллиампер до 5 А. После устранения неисправности в нагрузке предохранитель приводится в исходное состояние кнопкой SB1, которая при замыкании контактов обесточивает тиристор, он закрывается, a VT2 открывается, и ток поступает в нагрузку.В устройстве можно использовать постоянные резисторы-МЛТ, С2-33, переменный - СПО, СП, СП4. Резистор R1 изготавливают из отрезка высокоомного провода. Светодиоды - любые маломощные (АЛ307, АЛ341). HL1 лучше взять красного цвета, HL2 - зеленого. Полевые транзисторы - КП303 или аналогичные с начальным током стока 10...15 мА и максимально допустимым напряжением не менее выходного напряжения блока питания. Транзистор VT2-КТ829, КТ827. При токе нагрузки более 1 А транзистор необходимо установить на радиатор. Тиристор -2У107. Налаживание устройства сводится к установке максимального тока срабатывания подбором сопротивления R1 при отключенном от плюса питания стока VT1. Минимальный" ток срабатывания подбирают подключением резистора R3 другого номинала. При этом допускается включение последовательно с ним или параллельно постоянного резистора. Если при срабатывании предохранителя через транзистор VT2 все-таки протекает остаточный ток (транзистор не закрывается), рекомендуется применить светодиод HL2 с большим рабочим напряжением или включить последовательно с ним диод КД102Б, КД103Б, КД105Б, КД522Б. Если в блоке питания есть стабилизатор напряжения, предохранитель следует включать перед ним, а не на выходе блока.Стабилизатор напряжения с встроенной защитой (рис.8) позволяет получить на выходе напряжение, регулируемое в пределах от 0 до 17 В.

Для защиты стабилизатора от превышения тока в нагрузке использован тиристор VS1 с датчиком тока на резисторе R2. При увеличении тока нагрузки тиристор включается и шунтирует цепь управления транзистора VT1, в результате чего напряжение на выходе падает до нуля. Светодиод HL1 индицирует срабатывание защиты. Для повторного запуска стабилизатора после устранения причин перегрузки следует нажать кнопку SB1 и отключить тиристор. Ток защиты в зависимости от R сопротивления R2 можно установить от 20 мА до 1...2 А. Например, при R2=36 Ом ток срабатывания - 30 мА, при R2=4 Ом - 0,5 А. В качестве транзистора VT1 можно использовать КТ815, КТ801, КТ807 и др., VT2 - П702, КТ802...КТ805 (с радиатором). Электронный предохранитель и одновременно стабилизатор напряжения показан на рис.9.

На транзисторах VT1 и VT2 собран стабилизатор напряжения по традиционной схеме, однако параллельно стабилитрону VD1 включен релейный каскад на транзисторах VT3.. .VT5 сдатчиком тока на резисторе Rx. При увеличении тока нагрузки этот каскад, срабатывает и шунтирует стабилитрон. Напряжение на выходе стабилизатора падает до незначительной величины. Для разблокировки схемы защиты достаточно кратковременно нажать кнопку SB1. Для повышения коэффициента стабилизации вместо стабилитрона VD1 можно включить интегральный стабилизатор напряжения (трехвыводной). Электронные предохранители можно выполнить с использованием мощного полевого транзистора в качестве ключа (рис.10).

Ток срабатывания защиты определяется соотношением резистивных элементов и зависит, в первую очередь, от величины сопротивления датчика тока Rs, включенного последовательно с полевым транзистором VT1. Схема устройства на основе полевого транзистора серии IRL показана на рис.11.

Предохранитель включают между источником питания (выключателем) и нагрузкой. Он работает при напряжении от 5 до 20 В и токе нагрузки до 40 А. Полевой транзистор VT1 выполняет одновременно функции электронного ключа и датчика тока. На микросхеме DA1 построен компаратор напряжения, на микросхеме DA2 - источник образцового напряжения (2,5 В). Для запуска устройства служит кнопка SB1, при кратковременном замыкании которой напряжение питания через диод VD2 и резистор R4 поступает на затвор транзистора, он открывается и подключает нагрузку к источнику питания. Выходное напряжение ОУ зависит от соотношения напряжений на его входах. Если ток нагрузки меньше тока срабатывания предохранителя, напряжение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем, поэтому на выходе ОУ - напряжение, меньшее напряжения питания примерно на 1,5 В. Транзистор VT1 остается открытым, на неинверти­рующем входе ОУ - стабильное напряжение с резистивного делителя R2-R1. Основные параметры примененного транзистора: сопротивление канала - 0,027 Ом, максимальный ток стока - 41 А, предельное напряжение сток-исток-55 В, а максимальная рассеиваемая мощность-110 Вт. Сопротивление канала открытого транзистора зависит от напряжения на его выводах и температуры корпуса. При напряжении питания более 5...6 В оно изменяется в пределах 20...30%, что вполне допустимо для таких устройств. С увеличением потребляемого тока растет падение напряжения на транзисторе VT1. Когда оно превысит напряжение на резисторе R1, на выходе ОУ напряжение уменьшится, транзистор начнет закрываться, а напряжение на нем расти, что приведет к дальнейшему снижению на­пряжения на выходе ОУ и закрыванию транзистора. Следовательно, когда ток нагрузки достигает определенного значения, устройство скачком закрывает транзистор и обесточивает нагрузку. Светодиод HL1 сигнализирует о том, что устройство выключено. Ток, потребляемый предохранителем в этом состоянии (без учета тока через светодиод), равен" нескольким миллиамперам. Для включения нагрузки необходимо снова кратковременно нажать на кнопку SB1. Ток срабатывания предохранителя устанавливают подстроечным резистором R1. Если напряжение питания стабильно, микросхему DA2 и резистор R3 можно исключить, заменив последний проволочной перемычкой. Для устойчивого отключения нагрузки при малом токе срабатывания (менее 1 ...1,5 А) следует увеличить сопротивление датчика тока, включив резистор сопротивлением около 0,1 Ом в цепь стока транзистора VT1 (в разрыв цепи в точке А).В устройстве можно применить любой ОУ (DA1), работоспособный при нулевом напряжении на обоих входах в условиях однополярного питания. В частности, подойдут оте­чественные аналоги микросхемы LM358 - КР1040УД1А, К1464УД1Р в корпусе DIP-8 и К1464УД1Т в корпусе SO-8. DA2 - любая микросхема из серии TL431. Подстроечный резистор - СПЗ-19а, СПЗ-28 или аналогичные импортные. Постоянные резисторы - МЛТ, С2-33, Р1-4, Р1-12. Конденсатор С1 - К10-17В. Кнопка SB1 -любая малогабаритная с самовозвратом. При использовании деталей для поверхностного монтажа: DA1 - LM358AM, DA2 - TL431CD (рис.12а), резисторов Р1-12 и пр, устройство размещается на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 20x25 мм (рис.12.б).

Налаживание устройства сводится к установке тока срабатывания подстроечным резистором R1 (рис.11). Интервал изменения этого тока можно установить подбором сопротивления R2.В источниках питания, способных кратковременно выдерживать перегрузку по току (короткое замыкание выхода), применяются устройства пассивной защиты. При аварийном режиме они оповещают о нем световой или звуковой сигнализацией, не отключая самостоятельно нагрузку.На рис.13 представлена схема сигнализатора на светодиоде (VD2).

При перегрузке стабилизатору резко увеличивается падение напряжения на нем. При достижении напряжения пробоя стабилитрона VD1 он открывается, и зажигается светодиод VD2. Напряжение стабилизации VD1 должно быть меньше минимального входного напряжения стабилизатора и больше максимального падения напряжения на стабилизаторе в рабочем режиме. Резистор R1 ограничивает ток через светодиод на уровне максимально допустимого. Схема сигнализатора перегрузки на миниатюрной лампочке накаливания показана на рис.14.

Если ток нагрузки не превышает максимально допустимого, падение напряжения на стабилизаторе невелико, поэтому транзистор VT1 закрыт и лампочка HL1 не горит. При увеличении нагрузки падение напряжения на нем увеличивается, транзистор открывается и загорается лампочка, сигнализирующая о перегрузке. Лампочку HL1 выбирают в соответствии с допустимыми током стабилитрона VD1 и транзистора VT1. Звуковой сигнализатор превышения потребляемого тока показан на рис.15.

Выпрямитель на диодах VD1... VD4 питается от трансформатора, вторичная обмотка которогорассчитана на напряжение и ток, необходимые для работы стабилизатора напряжения. Сигнализатор представляет собой генератор звуковой частоты НА1 с подключенным к нему акустическим излучателем (динамической головкой) ВА1. Управляет работой генератора ключ на транзисторе VT1. При работе стабилизатора ток нагрузки проходит через датчик тока R1, создавая на нем падение напряжения. Пока ток небольшой (при указанном на схеме сопротивления R1 - менее 0,3 А), транзистор VT1 закрыт. По мере роста тока увеличивается напряжение на резисторе. Когда оно достигнет 0,7 В, VT1 открывается, и выпрямленное напряжение поступает на сигнализатор. Схемы защиты радиоэлектронно­го оборудования, работающие на переменном токе, обычно более сложны и получили меньшее распространение. Это обусловлено тем, что надежность работы полупроводниковых приборов при повышенных напряжениях сетевого уровня меньше, поскольку случайный бросок напряжения сети, например, при переходных процессах, может легко пробить переход даже самого высоковольтного полупроводникового прибора. Полупроводниковый предохранитель (рис.16) способен защитить подключенную электронную схему (Rн) от перегрузки по току.

Предохранитель можно использовать и в цепях постоянного тока, а также для защиты выходных каскадов транзисторных усилителей. Для уменьшения остаточного тока в отключенном состоянии в схеме использован позистор R3. Когда ток нагрузки меньше допустимого, транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт и находится в состоянии насыщения. Падение напряжения на транзисторе VT2 мало, и практически все напряжение сети приходится на Rн. Ток через нагрузку не ограничен. При перегрузке напряжение на VT2 заметно возрастает, что вызывает открывание транзистора VT1 и увеличение его коллекторного тока. При этом транзистор VT2 закрывается, а ток через предохранитель уменьшается. К позистору R3 прикладывается значительно большее напряжение, в связи, с чем он ра­зогревается. Сопротивление позистора резко увеличивается, VT2 закрывается еще больше, и остаточный ток через предохранитель существенно снижается.Конденсатор С2 уменьшает чувствительность устройства к импульсным перегрузкам малой длительности. Диоды VD5 и VD6 защищают транзистор VT2 от импульсов тока большой величины при работе устройства на переменном токе. Схема стабилизатора-ограничителя переменного тока представлена на рис.17.

Ток нагрузки можно плавно регулировать потенциометром R2 в пределах от нескольких миллиампер до 8 А. Максимальный ток нагрузки при необходимости можно значительно увеличить, установив транзистор VT1 на радиатор, снабдив его вентилятором и нарастив количество параллельно включенных полевых транзисторов. Ограничитель тока сетевой нагрузки показан на рис.18.

Его мощностные характеристики определяются только типом используемого полевого транзистора. Основа схемы - источник тока на VT2, VT3, R3 и R4. Резистор R3 обеспечивает открывание полевого транзистора VT3, R4- токозадающий. Когда падение напряжения на нем превышает 0,55 В, открывается транзистор VT2 и шунтирует затвор полевого транзистора, заставляя последний закрыться. Применение в качестве силового регулирующего элемента полевого транзистора позволило увеличить сопротивление резистора R3 до 1 МОм. Это уменьшило ток управления (не превышает 0,4 мА) и, соответственно, потери мощности на резисторе R3 (не более 0,16 Вт). У стабилизатора тока на полевом транзисторе есть существенный недостаток: повышенное падение напряжения на открытом транзисторе. Это вызвано высоким пороговым напряжением открывания полевого транзистора. Обычно оно лежит в пределах 2...4 В. К этому напряжению добавляется падение на токозадающем резисторе - 0,5 В. В результате, при токах ниже уровня ограничения на схеме ограничителя падает примерно 6 В. При постоянном токе 1 А, на транзисторе выделяется мощность до 6 Вт, что требует применения радиатора. При значительном снижении сопротивления нагрузки ток через нее будет ограничен заданным безопасным уровнем, а напряжение будет значительно меньше напряжения питания. В результате, падение напряжения на транзисторе VT3 увеличится, как и выделяемая на нем мощность. В пределе (при коротком замыкании в нагрузке) она составит более 300 Вт, что недопустимо. Поэтому в схему добавлен узел на элементах VT1, VD1, R1, R2, С1, превращающий источник тока в предохранитель. Его уровень срабатывания определяется делителем R1-R2 и напряжением стабилизации стабилитрона VD1 (примерно 25 В). Стабилитрон обеспечивает ключевой режим включения транзистора VT3, а конденсатор С1 - задержку времени срабатывания, делая схему нечувствительной к помехам и броскам тока при включении питания или помехах со стороны запитываемого устройства. От емкости конденсатора зависит время срабатывания предохранителя. Пока напряжение на схеме не превышает 25 В, она работает как источник тока. Затем открывается транзистор VT1 и шунтирует затвор полевого транзистора. В результате, тот закрывается, и нагрузка обесточивается. Ток нагрузки ограничивается резисторами R1, R3 и током утечки VT3 и в худшем случае не превышает 1 мА. В таком состоянии схема может находиться сколь угодно долго. На самой схеме рассеивается мощность не более 0,4 Вт. Устройство, изображенное на рис.19, предназначено для быстрого отключения потребителей энергии от сети, если ток в цепи превысит допустимую величину.

По сравнению с плавкими и электромеханическими предохранителями, электронный имеет значительно большее быстродействие. Кроме того, данное устройство можно легко и точно настроить на срабатывание при любом токе в диапазоне 0,1 ...10 А. Питается устройство защиты непосредственно от сети по бестран­сформаторной схеме на элементах R7...R9, СЗ, С4, VD3...VD5. Коммутацию нагрузки выполняет электронный ключ - симистор VS1. Для его открывания на управляющий электрод через трансформатор Т2 поступают короткие импульсы. Эти импульсы формируются автогенератором на однопереходном транзисторе VT1. Для открывания симистора необходим ток через управляющий электрод до 100 мА. Этот ток обеспечивается в импульсном режиме. Конденсатор С2 заряжается от источника питания через резистор R2. Как только напряжение на нем достигает порога открывания транзистора VT1, конденсатор С2 разряжается по цепи переход эмиттер-база 1 VT1 - обмотка 1 Т2. Процесс этот повторяется с частотой, определяемой номиналами R2 и С2 (примерно 1,5... 2 кГц). Так как частота следования импульсов автогенератора значительно больше, чем сетевая (50 Гц), то симистор открывается практически в начале каждого полупериода сетевого напряжения. Датчиком тока в цепи нагрузки является трансформатор тока Т1. При протекании тока нагрузки R н проходит и через первичную обмот­ку Т1. Во вторичной обмотке (3-4) выделяется повышенное напряжение, пропорциональное току нагрузки. Это напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 и поступает через резистор R5 на управляющий электрод тиристора VS2. Если данное напряжение достигает порога срабатывания VS2, он открывается и через диод VD2 закорачивает С2, так что автогенератор перестает работать. Когда импульсы, управляющие VS1, пропадают, нагрузка отключается. При этом светится индикатор HL1. Чувствительность срабатывания схемы можно плавно регулировать резистором R3. Конденсатор С1 предохраняет от срабатывания защиты при кратковременных помехах в сети.В отключенном состоянии схема может находиться долгое время, и чтобы вернуть ее в исходное, необходимо нажать кнопку SB1. А с помощью кнопки SB2 при необходимости нагрузку можно отключить вручную. Трансформатор тока Т1 - самодельный. Для намотки удобно ис­пользовать каркас и магнитопровод от любого трансформатора, приме­няемого в старых отечественных те­лефонах. Подойдет магнитопровод из железа или феррита М2000НМ типоразмера Ш5х5. Обмотка 3-4 выполняется проводом ПЭЛ Ø 0,08 мм и содержит 3000...3400 витков. Последней наматывается обмотка 1-2 проводом ПЭЛ-2 Ø 0,82...1,0 мм - 30...46 витков. Импульсный трансформатор Т2 . выполнен внутри броневого магнитопровода типоразмера Б14 из феррита с магнитной проницаемостью M2000HM. В центре сердечника необходимо обеспечить зазор 0,1...0,2 мм, что исключит его намагничивание в процессе работы. Обмотка 1 содержит 80 витков, 2 - 40 витков провода ПЭЛШО Ø 0,1...0,12 мм. В схеме использованы конденсаторы С1 и СЗ типа К50-35 на 25 В, С2 и С4 - К73-17 на рабочее напряжение не менее 63 В и 400 В соответственно, подстроечный резистор R3 - типа СПЗ-19а, остальные резисторы - любого типа. Кнопки SB1, SB2 и светодиод HL1 подойдут любые миниатюрные. Настройку схемы начинают с проверки работы автогенератора на транзисторе VT1. Для этого удобно питание подавать не от сети, а использовать внешний источник постоянного напряжения 15...20 В, подключив его в точки а и б. При работе автогенератора на конденсаторе С2 должно быть напряжение, форма которого показана на рис.20.

Если таких импульсов нет, то может потребоваться подбор сопротивления R2. Срабатывание тиристора VS2 при нажатии на кнопку SB2 должно фиксироваться. Если светодиод HL1 не светится после отпускания кнопки, следует уменьшить сопротивление R4 для увеличения тока, необходимого, чтобы удерживать VS2 в открытом состоянии. Проверить работу устройства р целом можно, подключив к гнездам XS1 лампу и стрелочный вольтметр. Прежде всего, необходимо убедиться в том, что симистор VS1 полностью открывается (измерив напряжение на лампе). Если это не так, нужно поменять местами выводы любой из обмоток трансформатора Т2. Схему электронного предохранителя можно упростить, убрав трансформатор тока Т1 и включив вместо его обмотки 1-2 резистор сопро­тивлением 0,2...0,3 Ом и диод. Сопротивление этого резистора подбирается под нужный ток защиты. Но в этом случае схема защиты будет работать на одной полуволне сетевого напряжения, что снизит ее быстродействие при отключении нагрузки.При использовании схемы следует учитывать, что некоторые потре­бители, например, лампы, импульсные источники питания, электромоторы и пр. в момент включения дают бросок тока. В этом случае порог срабатывания защиты надо увеличить или, что значительно лучше, принять меры по уменьшению этого броска.

Радиомир №3,4,5 2012г

В статье рассматривается схема электронного предохранителя на большой ток нагрузки, до 30 ампер. В статье была рассмотрена схема амперметра постоянного тока на основе модуля с микросхемой ACS712, в данной статье этот модуль будет использован в качестве датчика тока нагрузки для электронного предохранителя. Принципиальная схема электронного предохранителя показана на рисунке 1.

На схеме показан модуль, рассчитанный на ток нагрузки до пяти ампер. На AliExpress можно так же приобрести модули на ток 20 ампер и 30 ампер и использовать их в данной схеме. Но тогда транзистор VT1 IRL2505 следует заменить двумя такими же транзисторами. Хотя можно использовать и другие MOSFET. Напряжение питание данной схемы ограничено лишь максимальным напряжением питания микросхемы стабилизатора питания LM7805 – 35 вольт.

Работа схемы

После подачи напряжения на вход схемы появляется напряжение пять вольт на выходе стабилизатора напряжения питания микросхемы DA3 и модуля датчика тока DA2. На схеме нарисована микросхема одноименного модуля, а не сам модуль. Модуль имеет три вывода и конденсатор С2 находится на его плате. Появляется напряжение на выходе 7 микросхемы DA2 (Вывод Out модуля) примерно 2,5 В. Это напряжение подается на вход 2 компаратора, реализованного на операционном усилителе LM358N. На его инвертирующий вход, вывод 3 микросхемы DA3, подается опорное напряжение с резистивного регулируемого делителя R3 и R4. С помощью резистора R3 устанавливается порог срабатывания схемы по току. Это напряжение выставляется больше напряжения с выхода ACS712. Значит, при таком уровне напряжений на входах ОУ на его выходе будет присутствовать напряжение близкое к его напряжению питания. Это напряжение будет приложено к цепи светодиода оптрона U1. Вывод 1 DA3 — > вывод 1 U1 — > вывод 2 U1 — > гасящий резистор R2 — > общий провод. Светодиод оптрона засветится, что приведет к появлению открывающего для транзистора VT1 напряжения на его выходе в районе восьми вольт. Транзистор VT1 откроется и через модуль входное напряжение схемы практически полностью будет подано на ее выход. Диод VD1 будет закрыт положительным напряжением на его катоде, и ни какого влияния, в данном случае, оказывать на работу схемы компаратора не будет. В качестве этого диода можно использовать любой маломощный диод.

Модули датчиков тока, реализованных на микросхеме ACS712 и предназначенные для разных токов нагрузки в 5, 20 и тридцать ампер, имеют разные коэффициенты передачи преобразования ток – напряжение. Соответствующие коэффициенты составляют 185 мВ/А, 100 мВ/А и 66 мВ/A. Для пятиамперного датчика, указанного на схеме, выходное напряжение относительно 2,5 вольта, при токе 5А увеличится на 5 х 185 = 925мВ = 0,925 В. То есть общее выходное напряжение с датчика будет примерно 2,5 + 0,925 = 3,425 В. Пишу: примерно, потому, что у разных датчиков выходное напряжение при отсутствии тока нагрузки разное и не равно точно 2,5 вольта. И так, далее, когда напряжение на выходе датчика превысит установленное опорное напряжение на входе 3 микросхемы DA3, сработает компаратор и напряжение на его выходе будет практически равно нулю. Катод диода VD1 через внутренний выходной транзистор операционного усилителя будет подключен к общему проводу и зашунтирует собой на общий провод и опорное напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Через открытый диод возникает положительная обратная связь. Возникает эффект «защелки». В таком положении компаратор может находиться сколь угодно долго. После снятия напряжения со светодиода оптрона пропадет и открывающее напряжение на затворе ключевого транзистора VT1. Транзистор закроется и обесточит нагрузку. Для восстановления работоспособности схемы необходимо снять с нее напряжение с последующей подачей.

Ключевые MOSFET транзисторы IRL2505 имеют очень маленькое сопротивление открытого канала, оно равно 0,008 Ом. Исходя из этого, при токе стока, равного десяти амперам, на кристалле транзистора выделится тепловая мощность, равная: P = I² R = 100 0,008 = 0,8 Вт. Это говорит о том, что транзистор при данном токе может работать без дополнительного теплоотвода. Но я всегда советую ставить хоть небольшой теплоотвод в виде алюминиевой пластинки. Это убережет транзистор от теплового пробоя при аварийной ситуации.

О. СИДОРОВИЧ, г. Львов, Украина

В статье автор предлагает ряд оригинальных электронных предохранителей для низковольтных цепей, выполненных с использованием реле или реле и тиристоров. Возврат предохранителей в исходное состояние осуществляется кнопкой.

Как известно, геркон (герметичный контакт) представляет собой баллон из стекла, в который впаяны контакты из сплава с большой магнитной проницаемостью. Если геркон поместить в магнитное поле, то возникающая в зазоре магнитная сила притягивает контакты, которые замкнутся после того, как эта сила превысит механические силы упругости контактов . Если катушку, намотанную на корпусе геркона, подсоединить в разрыв цепи, ток через которую необходимо контролировать, то геркон можно использовать в качестве элемента электронного предохранителя, объединяющего в себе датчик тока (катушка) и устройство отключения цепи (контакты). Рассмотрим электронные предохранители на базе геркона КЭМ-3, имеющего такие параметры: время срабатывания - 1,5 мс; время отпускания - 2 мс; максимальный коммутируемый постоянный ток - 1 А; максимальное сопротивление контактов - 0,15 Ом; наработка на отказ - 10 в 6 степени циклов.

Отсюда видно, что быстродействие геркона выше, чем у обычного реле и уж тем более выше, чем у плавких вставок. У плавкой вставки ВП1-1, например, по техническим условиям оно равно 0,1 с при четырехкратной перегрузке. Для описываемых ниже электронных предохранителей необходимо герконовое реле, которое легко изготовить самостоятельно.

На рис. 1 показана конструкция самодельного герконового реле.

Стеклянный корпус геркона 1 служит каркасом для обмотки 2 катушки реле. Щечки 3 катушки, представляющие собой текстолитовые шайбы с вырезами для выводов, приклеивают по краям геркона КЭМ-3 эпоксидным клеем 4. Чертеж щечки дан на рис. 2.

Обмотка катушки содержит 60 витков провода ПЭВ диаметром 0,3 мм (для тока срабатывания 1 А). Сопротивление обмотки настолько мало, что им можно пренебречь.

На рис. 3 представлена схема простого электронного предохранителя, выполненного на таком реле (К2).

Кроме того, в его состав входит герконовое реле заводского изготовления РЭС55А (К1). В нормальном режиме ток нагрузки проходит по цепи: входная клемма ("+" источника питания), замкнутые контакты кнопки SB1, обмотка реле К2, нормально-замкнутые контакты К1.1 реле К1, нормально-замкнутые контакты К2.1 реле К2. При возникновении токовой перегрузки резко возрастает ток через обмотку реле К2, что вызывает срабатывание его контактов К2.1, которые размыкают цепь тока. К реле К1 подводится почти все напряжение питания, реле срабатывает и размыкает цепь обмотки реле К2 контактами К1.1. Таким образом, разрывается цепь тока перегрузки, и через аварийную нагрузку протекает ток, ограниченный параллельным соединением сопротивлений обмотки реле К1 и цепи индикации, состоящей из светодиода HL1 и резистора R1. Свечение светодиода HL1 говорит об отключении предохранителя. Для запуска предохранителя необходимо кратковременно нажать на кнопку SB1.

Ток срабатывания предохранителя выбирают не более 1 А исходя из максимально допустимого тока для герконов КЭМ-3. Чертеж печатной платы предохранителя показан на рис. 4.

На рис. 5 представлена схема еще одного варианта электронного предохранителя.

В его состав, кроме герконового реле К1, выполненного в соответствии с рис. 1, входит тринистор VS1. Устройство запускается кратковременным нажатием кнопки SB1. При этом открывается тринистор VS1 и по цепи: плюс источника питания, тринистор VS1, обмотка реле К1, нормально замкнутые контакты К1.1, нагрузка - протекает ток. При уменьшении сопротивления нагрузки, т. е. при возникновении токовой перегрузки или короткого замыкания, увеличивается ток через обмотку реле К1, контакты К1.1 которого размыкаются, размыкая цепь тринистора VS1. Тринистор VS1 закрывается, отключая тем самым источник питания от нагрузки. При этом загорается светодиод HL1, свидетельствуя об отключении предохранителя. Для его повторного запуска необходимо кратковременно нажать кнопку SB1. Падение напряжения на предохранителе определяется в основном падением напряжения на тринисторе VS1 (около 1,5 В при токе 1 А). Чертеж печатной платы предохранителя дан на рис. 6.

В таблице указано число витков обмотки самодельного герконового реле для разного тока срабатывания предохранителей, выполненных по схемам рис. 3 и 5.

Провод обмотки во всех случаях выбран диаметром 0,3 мм.

На рис. 7 представлена схема третьего варианта электронного предохранителя, содержащего тринистор VS1 и два герконовых реле К1, К2 типа РЭС55А.

В качестве порогового элемента используется одно из реле - К2 (паспорт РС4.569.610П2). Оно имеет напряжение срабатывания 1,46 В и подключено своей обмоткой параллельно к последовательно соединенным тринистору VS1 и резистору R3, падение напряжения на которых является измеряемой величиной. Для тока нагрузки 1 А (ток предохранителя) сопротивление резистора R3 равно 0,2 Ом. Увеличивая сопротивление резистора R3, можно изменять (в сторону уменьшения) ток срабатывания предохранителя. Напряжение срабатывания реле К1 (РЭС55А паспорт РС4.569.602П2) равно 7,3 В.

Для приведения предохранителя в рабочее состояние необходимо кратковременно нажать на сдвоенную кнопку SB1. При этом включается тринистор VS1 и обесточиваются реле К1 и К2. Ток от плюса источника питания проходит по цепи: тринистор VS1, резистор R3, нормально-замкнутые контакты К2.1, нагрузка. Этот ток увеличивается при перегрузке или коротком замыкании. Соответственно увеличивается и падение напряжения на предохранителе. Когда оно достигнет порогового значения, срабатывает реле К2, контакты К2.1 которого размыкаются, отключая нагрузку от источника питания. При этом к предохранителю прикладывается напряжение, почти равное напряжению источника питания. Реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 размыкаются, реле К2 обесточивается, его контакты К2.1 замыкаются, но ток по ним не проходит, так как вследствие их предыдущего размыкания закрыт тринистор VS1. Загорается светодиодный индикатор HL1. Реле К1 необходимо для того, чтобы отключить реле К2, к которому при размыкании его контактов К2.1 прикладывается напряжение, значительно превышающее номинальное напряжение этого реле. Благодаря наличию реле К1 время приложения этого напряжения к обмотке реле К2 равно времени включения реле К1 - примерно 1 мс. После срабатывания предохранителя от источника к нагрузке будет протекать незначительный ток через сопротивление параллельно соединенных обмотки реле К1 и цепи: резистор R1, светодиод HL1. После устранения перегрузки необходимо кратковременно нажать на кнопку SB1 для приведения предохранителя в рабочее состояние.

Чертеж печатной платы этого устройства показан на рис. 8.

В двух последних устройствах (см. рис. 5 и 7) тринистор установлен на кронштейне, чертеж которого приведен на рис. 9.

Все описанные электронные предохранители испытаны при напряжении источника питания 12 В. Это, однако, не исключает возможности их использования и при другом напряжении.

ЛИТЕРАТУРА
1. Коммутационные устройства радиоэлектронной аппаратуры. Под редакцией Рыбина Г. Я. - М.: Радио и связь, 1985.
2. Терещук Р. М. и др. Справочник радиолюбителя. - Киев: Наукова думка, 1982. Радио №12 2005

[email protected]

Схема электронного предохранителя (ЭП) на полевом транзисторе:

В качестве датчика тока используется малое сопротивление открытого канала полевого транзистора (27 мОм). В этой схеме ПТ выполняет две функции: электронного ключа и датчика тока. Микросхема LM358 используется как компаратор напряжения. Источник образцового напряжения 2,5 В собран на микросхеме TL431.
Кнопкой SB1 осуществляется запуск ЭП, при кратковременном нажатии которой напряжение питания через диод VD2 и резистор R4 поступает на затвор ПТ, вследствие чего он откроется и подключит нагрузку к источнику питания.
Когда ток нагрузки достигнет определённого значения (устанавливается резистором R1), устройство скачком закрывает транзистор и обесточивает нагрузку. Светодиод HL1 сигнализирует о том, что нагрузка отключена.
Для включения нагрузки необходимо снова кратковременно нажать на кнопку SB1.

Компоненты:
В электронном предохранителе можно применить любой операционный усилитель (ОУ), работоспособный при нулевом напряжении на обоих входах, при условии однополярного питания (LM358, KP1040УД1A, K1464УД1P) в корпусе DIP8.
TL431 - любой из этой серии. Полевой транзистор любой N- канальный (IRLR2905, IRL1404, IRF1010N, IRLZ44, IRF840). Указанный на схеме ПТ – в корпусе D-Pak.
Остальные детали ЭП:
Резисторы:
R1 - 10кОм типа СП3-19а, СП3-28 или аналогичные;
R2 - 200 кОм;
R3 – 3 кОм;
R4-R5-1 кОм - 0,125 Вт.
Диоды:
VD1,VD2-1N4148, КД522Б
Конденсатор: С1 - 0,1 мкФ - К10-17В
Светодиод: АЛ307.

Печатная плата:

Фото готового устройства:

Настройка:
Итак, устройство собрали. Подключаем его к источнику питания, подсоединяем нагрузку. Повышаем напряжение источника питания (резистор R1 установил в положение максимального сопротивления).
При 2,5 В начинает светиться HL1. Поднял напряжение до 10В. На нагрузке ноль вольт. Нажимаем кнопку SB1, гаснет светодиод и на нагрузке появляется напряжение источника питания.
Ток на амперметре - 4,5 А. Повышаем напряжение до 20 В. При токе 9 А засветился светодиод, сигнализируя о том, что нагрузка отключена. Минимальный ток срабатывания, который удалось выставить – 3 А.
Интервал изменения тока срабатывания можно установить подбором сопротивления резистора R2. Для уменьшения тока срабатывания необходимо в разрыв цепи стока ПТ (на схеме отмечено звёздочкой) установить мощный резистор сопротивлением около 0,1 Ом.

Электронный предохранитель работоспособен при напряжении от 5 В до 20 В и токе нагрузки до 40 А. Для источника питания с напряжением до 40 В необходимо внести изменения в схему:
1) применить ОУ, рассчитанный на соответствующее однополярное плюсовое напряжение, их не так много, надо искать. У LM358 предельное напряжение однополярного питания 32 В.
2) Резистор R4 увеличить до 47 кОм. Между истоком и затвором ПТ установить резистор 47 кОм (на плате это резистор R6), поскольку у IRLR2905 допустимое напряжение сток-исток 20 В.
Резисторы R3, R5 увеличить до 10 кОм, а мощность резистора R5 увеличить до 0,25 Вт.

Скачать печатную плату:

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.

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.

Рис. 2

Рис. 3

Радио №5, 1988 г., стр.31

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ817Б	1			В блокнот
VT2	Биполярный транзистор	КТ805АМ	1			В блокнот
VS1	Тиристор & Симистор	КУ103А.Б	1			В блокнот
R1	Резистор	750 Ом	1	2 Вт		В блокнот
R2	Резистор	2.4 кОм	1			В блокнот
R3-R6	Резистор