Электронный предохранитель для переменного тока. Электронные предохранители с применением герконов Электронный предохранитель на полевом транзисторе

Плавкие предохранители являются одноразовыми и требуют обязательной замены в случае их выхода из строя при скачках напряжения. Каждый из них рассчитан на определенный ток, однако при отсутствии подходящего элемента, ставится наиболее близкий по значению. Подобные действия оказывают негативное влияние на работу аппаратуры и снижают ее надежность. Поэтому в современных схемах используются ограничители тока, представляющие собой электронные предохранители. Эти приборы обеспечивают автоматическую защиту и существенно повышают быстродействие устройств.

Эффективность ограничителей тока

Плавкие предохранители использовались практически во всех схемах в течение длительного времени. Они часто выходили из строя и требовали ручной замены. При их отсутствии практиковалось использование самодельных устройств в виде различных перемычек, очень ненадежных и опасных во всех отношениях.

На смену этим простейшим элементам пришли электронные предохранители, исполняющие роль ограничителей тока. По своему действию они разделяются на две основные категории. Первая группа осуществляет восстановление питающей цепи после того как устранены причины аварии. Работа приборов второй группы происходит только с участием специалистов. Кроме того, существуют устройства пассивной защиты, сигнализирующие с помощью звука или света о возникновении опасной ситуации.

В радиоэлектронных устройствах защита от токовых перегрузок осуществляется с использованием резистивных или полупроводниковых датчиков тока, последовательно включаемых в цепь. Если напряжение падает ниже нормативного уровня, происходит срабатывание защитного устройства, отключающего аппаратуру от питающей сети. Данный способ защиты предполагает возможность изменения величины тока, при котором наступает срабатывание защиты.

Хорошую и эффективную защиту обеспечивает ограниченная величина предельного тока, проходящего через нагрузку. Заданный уровень не может быть превышен даже при наличии в цепи короткого замыкания. Ограничение предельного тока выполняется с помощью специальных устройств - генераторов стабильного тока.

Схемы электронных предохранителей

На представленных схемах отображаются наиболее простые автоматические защитные средства от токовых перегрузок. В основе устройства этих приборов лежат , обладающие начальным током, который не может быть превышен. Необходимая величина тока задается путем подбора определенного транзистора.

На схеме 1 используется элемент марки КП302А, указывающий на максимальное значение тока 30-50 мА. Для того чтобы повысить это значение, необходимо включить параллельно сразу несколько транзисторов.

Схема 2 работает с использованием обычных биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом передачи тока 80-100. Путь входного напряжения начинается в резисторе R1, далее проходит через транзистор VT1, открывая его. Режим насыщения транзистора способствует уходу большей части напряжения к выходу. Если ток не превышает пороговое значение, в этом случае транзистор VT2 остается закрытым и светодиод HL1 светиться не будет. В схеме 2 резистор R3 является датчиком тока.

В случае падения напряжения транзистор VT1 закроется, ограничивая, таким образом, прохождение тока через нагрузку. Элемент VT2, наоборот, будет открыт, с одновременным включением светодиода. Номиналы элементов, указанных на схеме 2, соответствуют току короткого замыкания с напряжением 0,7 вольт, сопротивлением 3,6 Ом и силой тока 0,2 - 0,23 ампера.

На схеме 3 в электронном предохранителе в качестве ключа используется полевой транзистор VT1 повышенной мощности. Срабатывание защиты происходит при токе, зависящем от соотношения резистивных элементов. Важную роль играет величина сопротивления датчика тока, последовательно включаемого в цепь вместе с полевым транзистором. После того как защита сработала, повторное подключение нагрузки происходит путем нажатия кнопки SA1.

Ограничители тока - стабилизаторы

Стабилизаторы считаются одними из наиболее эффективных ограничителей тока. Например, с помощью устройства на схеме 1 возможно получение на выходе стабильного напряжения, с возможностью регулировки в пределах от 0 до 17 вольт.

От коротких замыканий и превышения тока применяются специальные элементы в виде тиристора VS1 и датчика тока на резисторе R2. Когда в нагрузке увеличивается ток, происходит включение тиристора с одновременным шунтированием цепи управленияVT1. После этого значение выходного напряжения становится равным нулю. Срабатывание защиты подтверждается включением светодиода.

После устранения неисправности повторный запуск стабилизатора происходит путем нажатия на кнопку SB1 и последующей разблокировки тиристора. Существуют ограничители тока, оборудованные защитой и звуковыми индикаторами перегрузок. Для управления генератором звуковой частоты используется специальный ключ на транзисторе.

Было бы преступлением не упомянуть здесь плавкие предохранители. Как и другие типы предохранительных устройств они призваны защищать участок цепи от губительных перепадов питающего тока.

Плавкие предохранители

Отличительная особенность таких предохранителей - их очевидная простота. Устройство представляет собой не что иное, как участок проволоки небольшого диаметра. Последняя легко плавится при превышении силы тока сверх заданного порога.

Конечно, у такого метода защиты есть очевидный недостаток – время реакции (плавление проволоки не происходит мгновенно). То есть от кратковременных, но от этого не менее губительных, импульсов тока он не спасет. Зато он очень эффективен при коротких замыканиях в сети или при превышении допустимой нагрузки.

Принцип работы основывается на тепловой работе, которую совершает ток при прохождении через проводники (и напряжение здесь не имеет особого значения).

Сила тока = Максимально допустимая мощность цепи / Напряжение

То есть максимальная сила тока, которую должен выдерживать плавкий предохранитель в цепи питания 220 В при максимальной нагрузке в 3 кВт – около 15 А.

Ввиду того, что плавкость зависит от множества факторов (диаметр проволоки, теплоотводящая способность окружающей среды, материал, из которого изготовлена проволока, и т.п.), то чаще всего сгоревший элемент меняют согласно готовым расчетам из таблицы ниже (для наиболее популярных металлов).

Таблица 1

Предохранители на реле

Как и было сказано выше, плавкие предохранители имеют серьезный недостаток – время реакции. Кроме того, сгоревший элемент необходимо полностью менять (требуется замена проволоки или всего предохранителя).

В качестве альтернативы можно рассмотреть реле.

Один из примеров реализации такой схемы ниже.

Рис. 1. Схема реле

При коротком замыкании в питаемой цепи резко возрастает ток, вследствие чего составной транзистор (VT1 VT2) запирается и всё напряжение прикладывается к первому реле, которое, в результате срабатывания, размыкает второе реле и ток остается только на закрытом составном транзисторе.

Обозначенный блок рассчитан только на цепи, ток питания которых не превышает 1,6А, что может быть неудобно для разных задач.

Её можно немного переделать так.

Рис. 2. Переделанная схема реле

Номинал R4 не прописан специально, так как он требует расчета в зависимости от параметров питаемой цепи.

В качестве основы можно использовать готовые показатели в таблице ниже.

Таблица 2

Обе приведенные схемы рассчитаны на работу только в цепях питания 12 В.

Электронные предохранители без реле

Если ваша схема питается током до 5 А и напряжением до 25 В, то вам определенно понравится схема ниже. Порог срабатывания может быть настроен подстроечным резистором, а время реакции можно задать с помощью конденсатора.

Рис. 3. Схема предохранителя без реле

Ввиду того, что под постоянной нагрузкой транзистор может греться, его лучше всего разместить на теплоотводе.

В качестве альтернативной реализации, но с тем же принципом.

Рис. 4. Схема предохранителя без реле

Еще более простой электронный предохранитель с минимумом деталей на схеме ниже.

Рис. 5. Схема электронного предохранителя с минимумом деталей

При возникновении короткого замыкания транзистор блокируется на непродолжительное время. Если блокировка будет снята, а короткое замыкание останется, то "предохранитель" снова сработает и так до тех пор, пока в питаемой цепи не будет устранена проблема. То есть такой предохранитель не требует включения или выключения. Единственный его недостаток – постоянное включение прямой нагрузки в цепи в виде резистора R3.

Электронный предохранитель для 220 В

Схемы электронных предохранителей, приведенные выше, могут работать только в цепях с постоянным питанием. Но что, если вам нужен быстродействующий предохранитель для защиты питания в цепях с переменным током 220 В?

Можно использовать схему блока защиты от перегрузок ниже.

Рис. 6. Схема блока защиты от перегрузок

Максимальный ток срабатывания этой схемы, выполненной на стабилизаторе 7906 – 2А.

T1 – транзистор TIC225M, а

T2 - BTA12-600CW (замена не допустима).

В качестве более простых альтернатив для цепей с переменным током могут выступать следующие.

Бытовая автоматика

Это устройство (рис. 7.21) выполняет роль электронного предохранителя- оно отключает нагрузку, если протекающий через нее ток превысит допустимый. Ток, протекающий через нагрузку, подключенную к разъему XI, создает на резисторе R3 падение напряжения. Часть этого напряжения, снимаемого с движка переменного резистора R2, подается в цепь базы транзистора V3. В коллекторной цепи этого транзистора включено электромагнитное реле К1. Если ток нагрузки превысит заданную величину, то реле К1 сработает и своими контактами Kl.l, К1.2 отключит нагрузку от сети и за-блокируется. В таком состоянии прибор остается до тех пор, пока не будет нажата кнопка S1 «Сброс».

Схема устройства

Резистор R1, диод V2, стабилитрон VI и конденсатор С1 образуют стабилизированный источник питания. Диод V4 предохраняет эмиттерный переход транзистора V3 от воздействия на него напряжения обратной полярности. Ток ограничения устанавливают переменным резистором R2. Минимальный ток ограничения определяется сопротивлением резистора R3.

При указанном на схеме номинале он составляет 0,2...0,3 А. Для защиты сети от коротких замыканий в нагрузке используется плавкий предохранитель F1. Контакты Kl.l, К1.2 реле соединены параллельно для увеличения возможного максимального тока нагрузки. Транзистор V3 может быть из серий МП25, МП26 с любым буквенным индексом, диод V4 - серий Д7, Д9, Д311. Стабилитрон Д816Г можно заменить тремя последовательно включенными стабилитронами Д814Д. Реле К1 - РЭС9 (паспорт РС4.524.205). Кнопка S1 -МТ1-1 или П2К. Максимальный ограничиваемый устройством ток нагрузки не должен превышать 1,5 А - иначе могут подгореть контакты реле К1.

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: