Protecție la scurtcircuit. Cum funcționează și funcționează protecția la scurtcircuit Circuitele de alimentare cu protecție

Cred că fiecare radioamator care proiectează în mod regulat dispozitive electronice are o sursă de alimentare reglementată acasă. Lucrul este cu adevărat convenabil și util, fără de care, odată ce îl încerci în acțiune, devine greu să faci fără. Într-adevăr, dacă trebuie să verificăm, de exemplu, un LED, va trebui să-i setăm cu precizie tensiunea de funcționare, deoarece dacă tensiunea furnizată LED-ului este depășită semnificativ, acesta din urmă se poate arde pur și simplu. De asemenea, cu circuite digitale, setăm tensiunea de ieșire pe multimetru la 5 volți sau orice altă tensiune de care avem nevoie și mergem mai departe.

Mulți radioamatori începători asamblează mai întâi o sursă de alimentare reglată simplă, fără a regla curentul de ieșire și fără protecție la scurtcircuit. Așa a fost și cu mine, acum vreo 5 ani am asamblat o sursă de alimentare simplă cu doar tensiune de ieșire reglabilă de la 0,6 la 11 volți. Diagrama acestuia este prezentată în figura de mai jos:

Dar acum câteva luni am decis să actualizez această sursă de alimentare și să adaug un mic circuit de protecție la scurtcircuit circuitului său. Am găsit această diagramă într-unul din numerele revistei Radio. La o examinare mai atentă, s-a dovedit că circuitul amintește în multe privințe de schema circuitului de mai sus a sursei de alimentare pe care am asamblat-o mai devreme. Dacă există un scurtcircuit în circuitul alimentat, LED-ul de scurtcircuit se stinge, semnalând acest lucru, iar curentul de ieșire devine egal cu 30 de miliamperi. S-a decis să iau parte din această schemă și să o completez cu a mea, ceea ce am făcut. Diagrama originală din revista Radio, care include o completare, este prezentată în figura de mai jos:

Următoarea imagine arată partea acestui circuit care va trebui asamblată.

Valoarea unor piese, în special a rezistențelor R1 și R2, trebuie recalculată în sus. Dacă cineva mai are întrebări despre unde să conecteze firele de ieșire din acest circuit, voi oferi următoarea figură:

Mai adaug ca in circuitul asamblat, indiferent daca este primul circuit sau circuitul din revista Radio, trebuie sa plasezi la iesire o rezistenta de 1 kOhm, intre plus si minus. În diagrama din revista Radio acesta este rezistența R6. Tot ce rămâne este să gravați placa și să asamblați totul împreună în carcasa de alimentare. Plăci de oglindă în program Aspect Sprint nu este nevoie. Desenul plăcii de circuite de protecție la scurtcircuit:

Acum aproximativ o lună am dat peste o diagramă a unui atașament pentru regulatorul de curent de ieșire care ar putea fi utilizat împreună cu această sursă de alimentare. Am luat diagrama de pe acest site. Apoi am asamblat acest set-top box într-o carcasă separată și am decis să îl conectez după cum este necesar pentru a încărca bateriile și acțiuni similare în care monitorizarea curentului de ieșire este importantă. Iată schema set-top box-ului, tranzistorul KT3107 din el a fost înlocuit cu KT361.

Dar mai târziu mi-a venit ideea să combin, pentru comoditate, toate acestea într-o singură clădire. Am deschis carcasa sursei de alimentare și m-am uitat, nu mai era suficient spațiu, rezistența variabilă nu se potrivea. Circuitul regulator de curent folosește un rezistor variabil puternic, care are dimensiuni destul de mari. Iată cum arată:

Apoi am decis să conectez pur și simplu ambele carcase cu șuruburi, făcând legătura între plăci cu fire. De asemenea, am setat comutatorul basculant pe două poziții: ieșire cu curent reglabil și nereglat. În primul caz, ieșirea de pe placa principală a sursei de alimentare a fost conectată la intrarea regulatorului de curent, iar ieșirea regulatorului de curent a mers la clemele de pe carcasa sursei de alimentare, iar în al doilea caz, clemele au fost conectate direct la ieșirea de pe placa principală a sursei de alimentare. Toate acestea au fost comutate cu un comutator cu șase pini în 2 poziții. Iată un desen al plăcii de circuit imprimat a regulatorului de curent:

În figura plăcii de circuit imprimat, R3.1 și R3.3 indică primul și al treilea terminal al rezistenței variabile, numărând de la stânga. Dacă cineva dorește să o repete, iată o diagramă pentru conectarea unui comutator de comutare:

Plăcile cu circuite imprimate ale sursei de alimentare, circuitele de protecție și circuitele de control al curentului sunt atașate în arhivă. Material pregătit de AKV.

Cea mai simplă protecție la scurtcircuit este relevantă atât pentru radioamatorii experimentați, cât și pentru cei începători, deoarece nimeni nu este imun la erori. Acest articol oferă o diagramă simplă, dar foarte originală, care vă va ajuta să vă protejați dispozitivul de defecțiuni nedorite. Siguranța cu resetare automată dezactivează circuitul, iar LED-urile semnalează o urgență, rapid, fiabil și simplu.

Circuit de protecție la scurtcircuit:

Circuitul prezentat în Figura 1 este o protecție foarte ușor de configurat pentru o sursă de alimentare radio amator sau orice alt circuit.

Figura nr. 1 – Circuit de protecţie la scurtcircuit.

Funcționarea circuitului de protecție la scurtcircuit:

Schema este foarte simplă și de înțeles. Deoarece curentul curge pe calea cu cea mai mică rezistență în timp ce siguranța FU1 este intactă, sarcina de ieșire Rn (Figura nr. 2) este conectată și curentul curge prin ea. În acest caz, LED-ul VD4 este aprins constant (de preferință verde).

Figura nr. 2 - Funcționarea circuitului cu o siguranță plină

Dacă curentul de sarcină depășește curentul maxim admisibil pentru siguranță, aceasta se declanșează, întrerupând astfel (ocolind) circuitul de sarcină, Figura nr. 3. În acest caz, LED-ul VD3 se aprinde (roșu) și VD4 se stinge. În acest caz, nici sarcina dvs. și nici circuitul nu au de suferit (desigur, cu condiția ca siguranța să se declanșeze în timp util).

Figura nr. 3 – Siguranța sa declanșat

Diodele VD1, VD5 și dioda zener VD2 protejează LED-urile de curenții inversi. Rezistoarele R1, R2 limitează curentul din circuitul de protecție. Pentru siguranța FU1, recomand să folosiți o siguranță cu resetare automată. Și selectați valorile tuturor elementelor circuitului în funcție de nevoile dvs.

Circuitele radio amator prezentate mai jos pentru protejarea surselor de alimentare sau încărcătoarelor pot funcționa împreună cu aproape orice sursă - rețea, impuls și baterii reîncărcabile. Implementarea circuitelor acestor modele este relativ simplă și poate fi repetată chiar și de un radioamator începător.

Partea de putere este realizată dintr-un tranzistor puternic cu efect de câmp. Nu se supraîncălzește în timpul funcționării, deci nu este nevoie să folosiți un radiator. Dispozitivul oferă în același timp o protecție excelentă împotriva supratensiunii, suprasarcinii și scurtcircuitului în circuitul de ieșire, curentul de funcționare poate fi selectat prin selectarea unui rezistor șunt, în cazul nostru este de 8 Amperi, 6 rezistențe conectate în paralel cu o putere de Se folosesc 5 wați 0,1 Ohm. Un șunt poate fi realizat și dintr-o rezistență cu o putere de 1-3 wați.

Protecția poate fi ajustată mai precis prin ajustarea rezistenței rezistenței de tăiere. În cazul unui scurtcircuit și suprasarcină la ieșire, protecția va funcționa aproape imediat, oprind sursa de alimentare. LED-ul va indica faptul că protecția a fost declanșată. Chiar și atunci când ieșirea este închisă timp de 30-40 de secunde, lucrătorul de câmp rămâne aproape rece. Tipul său nu este critic; aproape orice întrerupătoare de alimentare cu un curent de 15-20 Amperi și o tensiune de funcționare de 20-60 Volți. Tranzistoarele din seria IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 sau mai puternice sunt perfecte.

Această versiune a circuitului va fi utilă pasionaților de mașini ca protecție pentru încărcătorul pentru bateriile cu plumb dacă inversați brusc polaritatea conexiunii, atunci nu se va întâmpla nimic rău cu încărcătorul.

Datorită răspunsului rapid al protecției, poate fi utilizată perfect pentru circuitele cu impulsuri în cazul unui scurtcircuit, protecția va funcționa mult mai rapid decât se vor arde întrerupătoarele de alimentare cu comutație; Designul este potrivit și pentru invertoarele cu impulsuri, ca protecție de curent.

Protecție la scurtcircuit MOSFET

Dacă sursele de alimentare și încărcătoarele dvs. utilizează un tranzistor cu efect de câmp (MOSFET) pentru a comuta sarcina, atunci puteți adăuga cu ușurință protecție la scurtcircuit sau suprasarcină unui astfel de circuit. În acest exemplu, vom folosi o rezistență internă RSD, care produce o cădere de tensiune proporțională cu curentul care trece prin MOSFET.

Tensiunea care urmează prin rezistorul intern poate fi detectată folosind un comparator sau chiar un tranzistor care comută la un nivel de tensiune de 0,5 V, adică puteți renunța la utilizarea unei rezistențe de detectare a curentului (shunt), care de obicei produce exces de tensiune. Comparatorul poate fi monitorizat folosind un microcontroler. În caz de scurtcircuit sau suprasarcină, puteți porni programatic controlul PWM, alarma, oprirea de urgență). De asemenea, este posibil să conectați ieșirea comparatorului la poarta tranzistorului cu efect de câmp, dacă, atunci când are loc un scurtcircuit, trebuie să opriți imediat tranzistorul cu efect de câmp.

Sursa de alimentare cu sistem de protectie la scurtcircuit

Termenul „scurtcircuit” în inginerie electrică se referă la funcționarea de urgență a surselor de tensiune. Apare atunci când procesele tehnologice de transmitere a energiei electrice sunt întrerupte, când bornele de ieșire ale unui generator de funcționare sau ale unui element chimic sunt scurtcircuitate (scurtcircuitat).

În acest caz, întreaga putere a sursei este aplicată instantaneu la scurtcircuit. Prin el curg curenți uriași, care pot arde echipamentele și pot provoca răni electrice persoanelor din apropiere. Pentru a opri dezvoltarea unor astfel de accidente, se folosesc protecții speciale.

Care sunt tipurile de scurtcircuite?

Anomalii electrice naturale

Ele apar în timpul descărcărilor de fulgere însoțite de.

Sursele formării lor sunt potențialele ridicate de electricitate statică de diferite semne și valori acumulate de nori atunci când sunt deplasați de vânt pe distanțe mari. Ca urmare a răcirii naturale la ridicarea la altitudine, vaporii de umezeală din interiorul norului se condensează, formând ploaie.

Un mediu umed are o rezistență electrică scăzută, ceea ce creează o defecțiune a izolației aerului pentru trecerea curentului sub formă de fulger.

O descărcare electrică sare între două obiecte cu potențiale diferite:

• la apropierea norilor;

• între un nor de tunet și pământ.

Primul tip de fulger este periculos pentru aeronave, iar o descărcare în sol poate distruge copacii, clădirile, instalațiile industriale și liniile electrice aeriene. Pentru a se proteja împotriva acesteia, sunt instalate paratrăsnet, care îndeplinesc în mod constant următoarele funcții:

1. primirea, atragerea potențialului de fulger către un prindetor special;

2. trecerea curentului rezultat prin conductorul de curent către bucla de împământare a clădirii;

3. descărcarea descărcării de înaltă tensiune cu acest circuit la potenţialul de masă.

Scurtcircuite în circuitele DC

Sursele de tensiune galvanică sau redresoarele creează o diferență de potențiale pozitive și negative la contactele de ieșire, care în condiții normale asigură funcționarea circuitului, de exemplu, strălucirea unui bec de la o baterie, așa cum se arată în figura de mai jos.

Procesele electrice care au loc în acest caz sunt descrise printr-o expresie matematică.

Forța electromotoare a sursei este distribuită pentru a crea o sarcină în circuitele interne și externe prin depășirea rezistențelor „R” și „r”.

În modul de urgență, apare un scurtcircuit cu rezistență electrică foarte scăzută între bornele bateriei „+” și „-”, care practic elimină fluxul de curent în circuitul extern, făcând această parte a circuitului inoperabilă. Prin urmare, în raport cu modul nominal, putem presupune că R=0.

Tot curentul circulă numai în circuitul intern, care are rezistență scăzută, și este determinat de formula I=E/r.

Deoarece mărimea forței electromotoare nu s-a schimbat, valoarea curentului crește foarte brusc. Un astfel de scurtcircuit trece prin conductorul scurtcircuitat și circuitul intern, provocând o generare enormă de căldură în interiorul acestora și o defecțiune structurală ulterioară.

Scurtcircuite în circuitele de curent alternativ

Toate procesele electrice de aici sunt, de asemenea, descrise de legea lui Ohm și au loc conform unui principiu similar. Caracteristicile trecerii lor sunt impuse:

utilizarea diagramelor de rețea monofazate sau trifazate de diferite configurații;

prezența unei bucle de masă.

Tipuri de scurtcircuite în circuitele de tensiune alternativă

Curenții de scurtcircuit pot apărea între:

faza si masa;

două faze diferite;

două faze și pământ diferite;

trei faze;

trei faze și pământ.

Pentru a transmite energie electrică prin linii electrice aeriene, sistemele de alimentare cu energie electrică pot utiliza diferite scheme de conectare la neutru:

1. izolat;

2. solid împământat.

În fiecare dintre aceste cazuri, curenții de scurtcircuit își vor forma propria cale și au magnitudini diferite. Prin urmare, toate opțiunile enumerate pentru asamblarea unui circuit electric și posibilitatea de apariție a curenților de scurtcircuit în ele sunt luate în considerare atunci când se creează o configurație de protecție a curentului pentru ele.

Un scurtcircuit poate apărea și în interiorul consumatorilor electrici, cum ar fi un motor electric. În structurile monofazate, potențialul de fază poate străpunge stratul de izolație până la carcasă sau conductorul neutru. În echipamentele electrice trifazate, poate apărea în plus o defecțiune între două sau trei faze sau între combinațiile acestora cu cadrul/masa.

În toate aceste cazuri, ca și în cazul unui scurtcircuit în circuitele DC, un curent de scurtcircuit foarte mare va curge prin scurtcircuitul rezultat și întregul circuit conectat la acesta până la generator, provocând un mod de urgență.

Pentru a o preveni, se folosește o protecție care elimină automat tensiunea din echipamentele expuse la curenți mari.

Cum să alegeți limitele de funcționare ale protecției la scurtcircuit

Toate aparatele electrice sunt proiectate să consume o anumită cantitate de energie electrică în clasa lor de tensiune. Se obișnuiește să se evalueze volumul de muncă nu după putere, ci după curent. Este mai ușor de măsurat, controlat și de a crea protecție pe acesta.

Imaginea prezintă grafice ale curenților care pot apărea în diferite moduri de funcționare ale echipamentului. Pentru ei sunt selectați parametrii pentru configurarea și reglarea dispozitivelor de protecție.

Graficul în maro arată unda sinusoidală a modului nominal, care este selectată ca cea inițială la proiectarea unui circuit electric, ținând cont de puterea cablajului electric și selectând dispozitivele de protecție curente.

Frecvența sinusoidei industriale în acest mod este întotdeauna stabilă, iar perioada unei oscilații complete are loc în 0,02 secunde.

Unda sinusoidală a modului de funcționare din imagine este afișată cu albastru. Este de obicei mai mică decât armonica nominală. Oamenii folosesc rareori pe deplin toate rezervele de putere care le sunt alocate. De exemplu, dacă un candelabru cu cinci brațe atârnă într-o cameră, atunci pentru iluminare se aprind adesea un grup de becuri: două sau trei, și nu toate cele cinci.

Pentru ca aparatele electrice să funcționeze în mod fiabil la sarcina nominală, se creează o mică rezervă de curent pentru instalarea protecțiilor. Cantitatea de curent la care sunt setate să se oprească se numește setare. Când este atins, întrerupătoarele elimină tensiunea din echipament.

În intervalul de amplitudini sinusoidale dintre modul nominal și punctul de referință, circuitul electric funcționează într-un mod de suprasarcină ușoară.

Caracteristica de timp posibilă a curentului de defect este prezentată cu negru pe grafic. Amplitudinea sa depășește setarea de protecție, iar frecvența de oscilație s-a schimbat brusc. De obicei, este de natură aperiodică. Fiecare jumătate de undă variază în mărime și frecvență.

Orice protecție la scurtcircuit include trei etape principale de funcționare:

1. monitorizarea constantă a stării sinusoidei curentului controlat și determinarea momentului în care apare o defecțiune;

2. analiza situaţiei actuale şi emiterea unei comenzi de către partea logică către organul executiv;

3. Eliberați tensiunea din echipament folosind dispozitive de comutare.

Multe dispozitive folosesc un alt element - introducerea unei întârzieri pentru funcționare. Este folosit pentru a asigura principiul selectivității în circuite complexe, ramificate.

Întrucât sinusoidul își atinge amplitudinea în 0,005 secunde, cel puțin această perioadă este necesară pentru măsurarea sa prin protecții. Următoarele două etape de lucru, de asemenea, nu au loc instantaneu.

Din aceste motive, timpul total de funcționare al celor mai rapide protecții de curent este puțin mai mic decât perioada unei oscilații armonice de 0,02 secunde.

Caracteristici de proiectare ale protecției la scurtcircuit

Curentul electric care trece prin orice conductor provoacă:

încălzirea termică a conductorului;

inducerea câmpului magnetic.

Aceste două acțiuni sunt luate ca bază pentru proiectarea dispozitivelor de protecție.

Protecție bazată pe principiul influenței termice a curentului

Efectul termic al curentului, descris de oamenii de știință Joule și Lenz, este folosit pentru protecție prin siguranțe.

Protectie cu siguranta

Se bazează pe instalarea unei siguranțe în interiorul căii de curent, care rezistă în mod optim la sarcina nominală, dar se arde atunci când este depășită, întrerupând circuitul.

Cu cât este mai mare magnitudinea curentului de urgență, cu atât se creează mai rapid o întrerupere a circuitului - eliberarea tensiunii. Dacă curentul este ușor depășit, poate apărea oprirea după o perioadă lungă de timp.

Siguranțele funcționează cu succes în dispozitive electronice, echipamente electrice ale automobile, aparate de uz casnic și dispozitive industriale de până la 1000 de volți. Unele dintre modelele lor sunt utilizate în circuitele echipamentelor de înaltă tensiune.

Protecție bazată pe principiul influenței electromagnetice a curentului

Principiul inducerii unui câmp magnetic în jurul unui conductor purtător de curent a făcut posibilă crearea unei clase uriașe de relee electromagnetice și întrerupătoare care utilizează o bobină de declanșare.

Înfășurarea sa este situată pe un miez - un circuit magnetic, în care se adună fluxurile magnetice de la fiecare tură. Contactul mobil este conectat mecanic la armătură, care este partea oscilantă a miezului. Este presat pe un contact permanent fixat prin forța arcului.

Un curent nominal care trece prin spirele bobinei de declanșare creează un flux magnetic care nu poate depăși forța arcului. Prin urmare, contactele sunt în mod constant în stare închisă.

Când apar curenți de urgență, armătura este atrasă de partea staționară a circuitului magnetic și întrerupe circuitul creat de contacte.

Unul dintre tipurile de întrerupătoare care funcționează pe baza eliminării tensiunii electromagnetice din circuitul protejat este prezentat în imagine.

Se foloseste:

oprirea automată a modurilor de urgență;

sistem de stingere a arcului electric;

activare manuală sau automată.

Protecție digitală la scurtcircuit

Toate protecțiile discutate mai sus funcționează cu valori analogice. Pe lângă acestea, tehnologiile digitale bazate pe funcționarea releelor ​​statice au început recent să fie introduse activ în industrie și mai ales în sectorul energetic. Aceleași dispozitive cu funcții simplificate sunt produse pentru uz casnic.

Mărimea și direcția curentului care trece prin circuitul protejat este măsurată de un transformator de curent coborâtor încorporat de o clasă de înaltă precizie. Semnalul măsurat de acesta este digitizat prin suprapunere folosind principiul modulării în amplitudine.

Apoi trece la partea logică a protecției microprocesorului, care funcționează conform unui algoritm specific, preconfigurat. Când apar situații de urgență, logica dispozitivului emite o comandă către mecanismul de oprire de acționare pentru a elimina tensiunea din rețea.

Pentru operarea protecției se folosește o sursă de alimentare care preia tensiune din rețea sau surse autonome.

Protecția digitală la scurtcircuit are un număr mare de funcții, setări și capacități, inclusiv înregistrarea stării de pre-urgență a rețelei și modul de oprire.

Implementarea unui circuit de protecție nu este dificilă, mai ales că este foarte important să vă protejați toate dispozitivele de scurtcircuite și suprasarcini. Dacă apare un scurtcircuit în dispozitiv din orice motiv, acest lucru poate duce la consecințe ireparabile pentru acesta. Pentru a vă proteja de costurile inutile și dispozitivul de epuizare, este suficient să faceți o mică modificare conform diagramei de mai jos.

Este important de reținut că întregul circuit este construit pe o pereche complementară de tranzistori. Pentru a înțelege, să descifrăm sensul frazei. Tranzistoarele cu aceiași parametri, dar direcții diferite ale joncțiunilor p-n se numesc pereche complementară.

Aceste. toți parametrii de tensiune, curent, putere și alți tranzistori sunt absolut la fel. Diferența apare doar în tipul de tranzistor p-n-p sau n-p-n. De asemenea, vom oferi exemple de perechi complementare pentru a vă ușura achiziția. Din nomenclatura rusă: KT361/KT315, KT3107/KT3102, KT814/KT815, KT816/KT817, KT818/KT819. BD139/BD140 sunt perfecte pentru cele importate. Releul trebuie selectat pentru o tensiune de funcționare de cel puțin 12 V, 10-20 A.

Principiul de funcționare:

Când se depășește un anumit prag (pragul este stabilit de un rezistor variabil, experimental), comutatoarele perechii complementare de tranzistoare sunt închise. Tensiunea de la ieșirea dispozitivului dispare și LED-ul se aprinde, indicând faptul că sistemul de protecție al dispozitivului s-a activat.

Butonul dintre tranzistor vă permite să resetați protecția (în stare staționară este închis, adică funcționează pentru a deschide). Puteți reseta protecția într-un alt mod, pur și simplu opriți și porniți unitatea. Protecția este relevantă pentru sursele de alimentare sau încărcările bateriilor.