Самовосстанавливающийся электронный предохранитель

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Защита аппаратуры от аварийных режимов работы сети

 Комментарии к статье

Предлагаемый электронный предохранитель отслеживает сопротивление нагрузки. Он не только отключает ее в случае перегрузки, но и сам восстанавливается в исходный режим, когда сопротивление нагрузки возвращается к норме.

Быстродействующий электронный предохранитель, описанный в статье [1], в момент включения питания автоматически подключает нагрузку при отсутствии в ней замыкания или перегрузки. В случае перегрузки предохранитель отключает нагрузку. Для ее повторного включения необходимо нажать на кнопку "Пуск" предохранителя или выключить и снова включить питание, что не всегда удобно.

Предлагаемое устройство, разработанное на основе предыдущего, полностью автоматическое. Оно не имеет никаких органов управления. Устройство определяет исправность нагрузки по ее сопротивлению. Если оно больше допустимого предела, нагрузка автоматически подключается к источнику питания. В противном случае устройство отключает нагрузку в соответствии со своей функцией предохранителя. На короткое время (около 10 мкс) нагрузка периодически подключается к источнику питания через токоограничительные резисторы. За это время электронный предохранитель измеряет сопротивление нагрузки и, если оно вернулось к допустимому пределу, сам восстанавливается из состояния аварийного отключения нагрузки в нормальное.

Электронный предохранитель включают между блоком питания и нагрузкой. Устройство работоспособно при напряжении от 12 до 30 В и токе нагрузки до 20 А. Разработаны два варианта устройства: с коммутацией минусового или плюсового провода питания нагрузки. Схема первого варианта показана на рис. 1, второго - на рис. 2. Компоненты, выполняющие одну и ту же функцию, обозначены одинаково.

Рис. 1

В устройстве (см. рис. 1) реализованы два контура контроля нагрузки: предварительный (на компараторе DA3) и основной (на компараторе DA4). Измерение сопротивления нагрузки происходит при ее подключении транзистором VT1 через резисторы R2 и R3. Если сопротивление нагрузки больше порога срабатывания, устанавливаемого подстроечным резистором R7, открывается основной коммутирующий транзистор VT2, который подключает нагрузку к источнику питания.

Ток нагрузки в нормальном режиме отслеживает основной контур на компараторе DA4. Если он превысит порог срабатывания, устанавливаемый подстроечным резистором R14, основной коммутирующий транзистор VT2 закроется. Вступает в работу предварительный контур на основе компаратора DA3, который разрешит вновь открыть основной коммутирующий полевой транзистор VT2, когда сопротивление нагрузки вернется к допустимому пределу.

Для управления транзистором VT2, как и в предыдущем устройстве [1], использован RS-триггер на элементах DD1.2 и DD1.3. Преимущество такого триггера в том, что он допускает логически одновременное присутствие активных управляющих сигналов на обоих входах управления. Доминирует управляющий сигнал, непосредственно воздействующий на используемый выход [2]. В нашем случае на используемом прямом выходе RS-триггера (вывод 3 DD1) доминирует активный сигнал высокого уровня по установочному входу S (вывод 1 DD1). Для RS-триггера, выполненного на элементах ИЛИ-НЕ, активный уровень выходного прямого сигнала низкий, поэтому для управления транзистором VT2 применен инвертор на элементе DD1.4. Вход R RS-триггера (вывод 8 DD1) соединен с выходом компаратора DA4 (вывод 9 - открытый коллектор).

В момент включения питания и на время переходных процессов транзистор VT2 закрыт, поскольку цепь R1C2 обеспечивает подачу напряжения питания через стабилизатор DA1 на микросхемы DD1 и DA2 позже, чем на компараторы DA3 и DA4. Напряжение на неин-вертирующем входе (вывод 3) компаратора DA4 больше напряжения на его инвертирующем входе (вывод 4), поэтому выходной транзистор компаратора (выводы 2 и 9) закрыт. Как только на микросхему DD1 поступит питание, высокий уровень с выхода DA4 (вывод 9) установит RS-триггер в состояние с высоким уровнем на выводе 3 DD1. На выходе инвертора DD1.4 и на затворе транзистора VT2 - низкий уровень, поэтому он закрыт. В таком состоянии транзистор VT2 будет находиться до тех пор, пока на верхний по схеме вход элемента DD1.2 не поступит запускающий короткий импульс высокого уровня. Он вырабатывается на выходе элемента DD1.1 при появлении одновременно на его входах импульсов низкого уровня. На верхний по схеме вход элемента DD1.1 поступают запускающие импульсы - короткие импульсы низкого уровня большой скважности, которые вырабатывает генератор на таймере DA2, резисторах R4, R5 и конденсаторе С4. Длительность импульсов равна R5C4ln2 ~ 25 мкс, а период их повторения - (R4+2R5)C4ln2 = 2 мс [3].

После подачи питания на таймер DA2 первый импульс на его выходе 3 появляется с задержкой (R4+R5)C4ln2 = 2 мс на время переходных процессов первоначальной установки RS-триггера DD1.2, DD1.3. Каждый запускающий импульс с выхода 3 таймера DA2 поступает на верхний по схеме вход элемента DD1.1 и, одновременно, через инвертор на транзисторе VT3 уже в виде короткого импульса высокого уровня - на затвор транзистора VT1, который, открываясь, подключает нагрузку к источнику питания через резисторы R2 и R3. Они не только ограничивают ток нагрузки, но и образуют цепь для измерения ее сопротивления: точка соединения этих резисторов подключена к неинвертирующему входу (вывод 3) компаратора DA3. К инвертирующему входу (вывод 4) этого компаратора подключена цепь R6-R8. Положение движка подстроечного резистора R7 определяет сопротивление нагрузки, при котором переключается компаратор DA3.

После включения питания транзистор VT1 закрыт, поэтому напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA3 будет всегда больше напряжения на его инвертирующем входе, поэтому выходной транзистор компаратора (выводы 2 и 9) закрыт. Единичный сигнал на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 обеспечивает наличие низкого уровня на его выходе и, соответственно, на входе S RS-триггера, который таким образом сохранит свое исходное состояние.

Если при открытом транзисторе VT1 сопротивление нагрузки меньше допустимого предела, то напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA3 будет больше напряжения на его инвертирующем входе. На выходе (вывод 9) компаратора DA3 сохранится тоже состояние, которое было при закрытом транзисторе VT1. Высокий уровень с выхода компаратора DA3, поступая на нижний вход элемента DD1.1, блокирует прохождение запускающих импульсов с выхода таймера DA2 до тех пор, пока не исчезнет перегрузка выхода электронного предохранителя.

Если при открытом транзисторе VT1 сопротивление нагрузки больше допустимого предела, то напряжение на инвертирующем входе компаратора DA3 будет больше напряжения на его неинвертирующем входе. Выходной транзистор компаратора DA3 (выводы 2 и 9) открыт. На входах элемента DD1.1 будут перекрывающиеся (с небольшим сдвигом) по времени короткие импульсы низкого уровня. На выходе этого элемента сформируется короткий импульс высокого уровня, который переключит по входу S RS-триггер в состояние с низким уровнем на выходе. К этому моменту на входе R уже присутствует высокий уровень с компаратора DA4. Но сигнал по входу S имеет более высокий приоритет, поэтому на выходе триггера - низкий уровень. В результате единичный сигнал с выхода инвертора DD1.4 откроет транзистор VT2.

Если ток нагрузки меньше предела срабатывания защиты, компаратор DA4 перейдет в устойчивое состояние с низким уровнем на выходе. Открытый транзистор VT2 задает малое (доли вольта) напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA3 независимо от состояния транзистора VT1. Напряжение на инвертирующем входе DA3 близко примерно к половине входного напряжения. Поскольку на выводе 9 компаратора DA3 устойчивый низкий уровень, то запускающие импульсы с выхода таймера DA2 через элемент DD1.1 сохраняют текущее состояние RS-триггера.

Если ток нагрузки превысит допустимый предел, компаратор DA4 переключается так, что его выходной транзистор закрывается. Единичный сигнал установит высокий уровень на выходе триггера и, соответственно, низкий уровень на выходе инвертора DD1.4, в результате чего транзистор VT2 закроется и отключит нагрузку.

Рис. 2

Аналогично функционирует электронный предохранитель с коммутацией плюсового провода (рис. 2). Он отличается применением р канальных транзисторов VT1 и VT2. Поскольку управляющие сигналы должны быть поданы на затворы транзисторов относительно их истоков, соединенных с плюсовым проводом питания, они инвертированы. Поэтому инверторы на элементе DD1.4 и транзисторе VT3 не использованы.

Конструкция и детали. Электронный предохранитель выполнен методом поверхностного монтажа на печатной плате размерами 35x70 мм из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Чертежи плат показаны на рис. 3 (для коммутации минусового провода по схеме на рис. 1) и на рис. 4 (для коммутации плюсового провода по схеме на рис. 2). Все детали, кроме транзистора VT2, смонтированы на одной стороне платы, фольга другой стороны использована как теплоотвод для установленного на ней транзистора VT2.

Рис. 3

Интегральный таймер КР1006ВИ1 (DA2) можно заменить зарубежным аналогом NE555N. Светодиод HL1 - любой маломощный. Транзистор КТ361А (VT3) можно заменить на КТ361Б-КТ361Е. Рекомендации по выбору остальных компонентов те же, что и в предыдущей статье [1].

Рис. 4

Налаживание устройства сводится к установке порогов переключения компараторов DA3 и DA4 подстроечными резисторами R7 и R14. К входу подключают лабораторный блок питания, к выходу - последовательно соединенные амперметр и реостат, установленный в положение максимального сопротивления. К выходу компаратора DA3 (вывод 9) относительно вывода 2 подключают осциллограф, гальванически развязанный по питанию. Движок подстроенного резистора R7 устанавливают в верхнее по схеме на рис. 1 положение, движок R14 - в нижнее и включают питание. Предохранитель должен подключить нагрузку, что определяют по свечению индикатора HL1 и показаниям амперметра. Осциллограф - показать наличие коротких импульсов амплитудой около 9 В. Уменьшают сопротивление реостата до тех пор, пока амперметр не покажет ток срабатывания защиты. После этого перемещают движок подстроенного резистора R14 вверх по схеме на рис. 1 до отключения нагрузки. Светодиод HL1 должен погаснуть. Затем перемещают движок подстроечного резистора R7 вниз по схеме (см. рис. 1) до исчезновения импульсов на выходе компаратора DA3. Увеличивая сопротивление нагрузки, проверяют, что устройство автоматически подключает ее к источнику питания. Уменьшение сопротивления нагрузки, в том числе до короткого замыкания, должно вызвать ее отключение за время около 10 мкс. При перегрузке в момент включения питания электронный предохранитель не должен подключать нагрузку.

Электронный предохранитель, собранный по схеме на рис. 2, налаживают аналогично, с той лишь разницей, что движок подстроечного резистора R7 предварительно устанавливают в нижнее по схеме положение и перемещают вверх, а движок подстроечного резистора R14 - в верхнее по схеме положение и перемещают вниз.

Параметры запускающих импульсов можно изменять подбором резисторов R4 и R5. Если нет необходимости контролировать сопротивление отключенной нагрузки каждые 2 мс, то можно увеличить сопротивление резистора R4 вплоть до 2 МОм. При этом пропорционально возрастет период запускающих импульсов. Снижением сопротивления резистора R5 желательно уменьшить длительность импульсов до минимально достаточного значения, при котором устройство надежно подключает нагрузку во всем интервале напряжения питания. Желательно измерить время открытого состояния транзистора VT2 в режиме короткого замыкания выхода при максимальном напряжении питания и рассчитать рассеиваемую энергию импульса тока, как это описано в предыдущей статье [1]. Если она превышает допустимый предел, уменьшают сопротивление резистора R5, а если устройство перестает запускаться, то снижают максимально допустимое напряжение питания или выбирают более мощный транзистор VT2 [4, 5].

Возможна такая настройка электронного предохранителя, что компараторы DA3 и DA4 будут переключаться при разных сопротивлениях нагрузки. Необходимость в этом может возникнуть при подключении нагрузки с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Литература

1. Лунев А. Быстродействующий электронный предохранитель. - Радио, 2007, № 12, с. 28-30.
2. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1989.
3. Пухальский Г. И., Новосельцеве Т. Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. - М Радио и связь, 1990.
4. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. - Радио, 2001, № 5, с. 45.
5. Нефедов А. Новые полупроводниковые приборы. Мощные полевые транзисторы. - Радио, 2006, № 3, с. 45-50.

Автор: А. Лунаев, г. Курск; Публикация: radioradar.net

Смотрите другие статьи раздела Защита аппаратуры от аварийных режимов работы сети.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Умный медицинский бандаж 24.06.2025

Исследователи из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) предложили инновационное решение - медицинский бандаж из полимерных нановолокон, созданный методом электропрядения. В основе технологии лежит способность материала равномерно распределять антимикробный препарат - метронидазол - и постепенно высвобождать его непосредственно в зоне повреждения. Это особенно важно при лечении инфекций, вызванных анаэробными бактериями, которые активно размножаются в условиях низкого содержания кислорода. Такие микроорганизмы представляют серьезную угрозу, особенно при глубоких ранениях или закрытых повреждениях, поскольку стандартная терапия требует системного применения препарата, что может оказывать побочные эффекты на организм в целом. Новое перевязочное средство прошло стадию лабораторных испытаний in vitro. Хотя до широкого внедрения технологии в клиническую практику еще предстоит пройти долгий путь, уже сейчас очевиден ее потенциал в улучшении качества лечения ран. Уник ...>>

Безлопастные ветряные турбины нового поколения 24.06.2025

Переход к устойчивым источникам энергии требует не только повышения эффективности, но и переосмысления самих принципов их работы. Одной из инновационных разработок в этой области стала безлопастная ветряная турбина (BWT), которую представили инженеры Университета Глазго. Это устройство способно вырабатывать электроэнергию без использования традиционных вращающихся лопастей, предлагая более компактную, бесшумную и безопасную альтернативу классическим ветрякам. В основе новой технологии лежит принцип вихревой вибрации. Вместо лопастей конструкция включает вертикальные цилиндрические мачты, которые начинают колебаться под действием потоков воздуха. Эти механические колебания затем преобразуются в электричество. Отсутствие подвижных крыльев не только уменьшает шум, но и существенно снижает риск для птиц, которые часто становятся жертвами традиционных турбин. С помощью компьютерного моделирования исследователи установили, что оптимальная конфигурация включает мачту высотой 80 сантимет ...>>

Полеты в космос вредят зубам 23.06.2025

Освоение дальнего космоса открывает человечеству уникальные перспективы, но одновременно ставит под угрозу физическое здоровье будущих исследователей. Уже давно известно, что длительное пребывание в невесомости приводит к потере костной массы, мышечной атрофии и нарушениям в работе внутренних органов. Однако новое исследование американских ученых выявило еще одну, ранее не изученную опасность - разрушение зубов и тканей ротовой полости. Команда исследователей сосредоточила свое внимание на связи между микрогравитацией и развитием пародонтита - воспалительного заболевания, поражающего десны и костную ткань, удерживающую зубы. Это заболевание способно со временем привести к полной потере зубов. Поскольку предстоящие миссии на Луну и Марс предполагают многомесячное пребывание в условиях низкой гравитации, становится особенно важно оценить риски для здоровья ротовой полости. Чтобы изучить влияние микрогравитации, ученые провели эксперимент на мышах. Одна группа животных содержалась в ...>>

Случайная новость из Архива Электроэнергия и данные по воздуху 24.06.2022 Исследователи из Tokyo Tech разработали систему, позволяющую одновременно передавать сигнал 5G и питание по беспроводному соединению на устройства категории Интернет вещей (IoT). С увеличением проникновения и качества 5G по всему миру ожидается появление огромного количества IoT-устройств. Однако создатели таких устройств обычно сталкиваются с проблемами, связанными с вопросами подключения и подачи питания. Иными словами питание по беспроводному подключению можно подавать с небольшого расстояния и определенного направления. Группа исследователей сообщает о разработке передатчика-приемника с беспроводным питанием для сетей 5G, который решает обе эти проблемы. Доктор Ацуши Ширане, руководившая проектом, комментирует: "Система беспроводной передачи энергии, работающая в миллиметровом диапазоне, является многообещающим решением для масштабного развития Интернета вещей, чему пока мешают технические проблемы. Таким образом, создав приемопередатчик 5G с высокой эффективностью на больших углах и расстояниях, мы смогли совершить настоящий прорыв". Передатчик-приемник, созданный командой, имеет два режима работы: режим приема и режим передачи. При работе в режиме приема устройство принимает сигнал 5G и сигнал питания в миллиметровом диапазоне. Сигнал питания активирует устройство и обеспечивает его питанием. Затем устройство переходит в режим передачи и отправляет сигнал 5G обратно в том же направлении, откуда оно изначально его получило. Это позволяет устройствам без проблем обмениваться данными, не требуя при этом наличия отдельной точки подключения, в отличие от большинства современных внутренних IoT-устройств. Устройство может генерировать энергию в широком диапазоне углов и расстояний, в отличие от других беспроводных устройств питания, разработанных в прошлом.

Другие интересные новости:

▪ Жесткие диски Toshiba MG10F

▪ Опасность исчезновения шоколада

▪ Грустные глаза коровы

▪ Честная награда усиливает память

▪ NASA отправит космонавтов на Венеру

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Прошивки. Подборка статей

▪ статья Строительный миксер. Советы домашнему мастеру

▪ статья Кто нашел украденный трофей для чемпионата мира по футболу 1966 года? Подробный ответ

▪ статья Алессандро Вольта. Биография ученого

▪ статья Подключение трехфазного асинхронного электродвигателя в однофазную сеть через конденсатор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Акварельные краски. Химический опыт

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025