Электронный предохранитель на большой ток. Электронный предохранитель для переменного тока

(автор Tonich от 6.08.2013г.) не имеет защиты от перегрузки и тока к.з. В недрах Интернета нашлась простая схема защиты - электронный предохранитель. Это устройство подключается между нагрузкой и источником питания.
Вот электрическая схема ЭП.

Контактами Х1 и Х2 устройство подсоединяется к источнику питания. Нагрузка подключается к контактам Х3, Х4. Устройство представляет собой электронный ключ, выполненный на транзисторах VT1 … VT3. Электронный ключ управляется датчиком тока собранном на резисторах R1, R2 и потенциометре R4.

При превышении тока нагрузки, установленного потенциометром R4, падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 приводит к его открыванию и, как следствие, шунтированию эмиттерного перехода VT1. Напряжение на базе VT1 относительно его эмиттера оказывается настолько мало, что VT1 запирается и ток через него не течёт. Вследствие этого цепь VT1-R5 оказывается разорванной, и напряжение на базе VT2 становится ниже порога его срабатывания, транзистор VT2 оказывается закрытым, а нагрузка обесточена. После устранения к.з. (или перегрузки) процессы, начиная с VT3 , происходят в обратном порядке.
Порог срабатывания ключа на транзисторе VT3 устанавливается потенциометром R4. Тем самым определяется максимально допустимый ток, при котором сработает ЭП.
Мощный резистор R3 служит для ограничения тока через VT2. Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи (микроискрения), возникающие при скольжении ползунка по резистивному слою потенциометра.

Технические характеристики:
Рабочее напряжение - 5…30В.
Диапазон регулировки тока срабатывания - 0,1…3, 5А.

Компоненты:
R3 - 0,5 Ом, мощный 10 Вт, остальные резисторы мощностью 0,25 Вт.
R1 - 470 Ом.
R2, R6 - 1 кОм.
R5-110 Ом.
R4 - резистор подстроечный - 4,7 кОм.
VT1-VT3 транзисторы BC 547B (KT 3102A)
VT2- транзистор КТ 805АМ, КТ 808АМ, КТ 819ГМ, 2N3055 установить на радиатор площадью не менее 100 кв.см с использованием термопасты.

После сборки подключил ЭП к источнику питания. В качестве нагрузки использовал мощный проволочный резистор сопротивлением 3 Ом. Ползунок потенциометра R4 установил на минимальное сопротивление, подал с нуля напряжение на ЭП. На вольтметре, подключённому к источнику питания - 30 В, на нагрузке ток и напряжение по нулям. Установил ползунок R4 на максимальное сопротивление. При токе 3,8А ЭП сработал. Так как хотелось увеличить ток срабатывания, решил уменьшить сопротивление резистора R3 до 0,3 Ом. Ток срабатывания удалось довести до 6 А. Больше не пытался устанавливать, т.к. транзистор КТ805АМ рассчитан на ток 5А. После срабатывания ЭП повторное включение возможно секунд через 15.
Электронный предохранитель можно выполнить и на мощном полевом транзисторе, но об этом в следующей статье.
Печатная плата в программе Layout 6.0

Вам надоело менять предохранители каждый раз, когда они сгорают? Используйте электронный предохранитель постоянного тока, который будет защищать ваши устройства, подключенные к . Этот "предохранитель" может быть восстановлен, просто отключив и снова включив его. Такой предохранитель использует N-канальный FET полевой транзистор как датчик тока. Также транзистор осуществляет отключение линии нагрузки по массе, когда ток превысит максимально допустимое значение.

Схема предохранителя

Печатная плата

Ток отсечки (срабатывания) можно регулировать переменным резистором Р1 от 0 до 5 А. Данная схема может корректно работать с максимальным током нагрузки до 5 ампер. Не перегружайте её, если не хотите сжечь детали. На длительном высоком токе транзистор может становиться горячим, поэтому нужен небольшой радиатор.

Теперь о конденсаторах в базовой цепи - С1 и С2 транзистора Т2. В зависимости от их ёмкости, меняется скорость срабатывания. Например с С1 будет отключаться медленно (пропуская кратковременные пики нагрузки), а С2 мгновенно. При настройке отрегулируйте резистор Р1 до тех пор, пока предохранитель не "перегорит".

Сброс предохранителя прост: отключите его питание, и при повторной подаче напряжения схема готова защитить ваши приборы снова. Устройство подходит как приставка для любого источника питания постоянного тока (с переменным схема не заработает) на напряжение выхода до 25 В. При более высоком напряжении потребуется изменить номиналы некоторых резисторов и поставить транзисторы по мощнее. А для защиты самого БП можно сделать вот .

Принципиальная схема микроконтроллерного дозиметра с LCD, на базе счётчика Гейгера СБМ-20 и PIC16F684.

В источниках питания любого типа важна защита цепей питания от перегрузок по току и напряжению, а также безопасное подключение источников питания к нагрузке. Среди предлагаемых компанией решений для безопасной коммутации и мониторинга цепей питания есть как изделия для работы с внешними транзисторами, так и изделия нового поколения – электронные предохранители eFuse, содержащие встроенный силовой ключ.

Схема цепи питания электронного устройства состоит из источника питания и подключаемой нагрузки. Для безопасной и надежной работы устройства источник питания должен обеспечивать номинальный режим по току и напряжению в цепи. При аварийных ситуациях в цепи питания могут происходить как кратковременная, так и долговременная перегрузки по току, перенапряжение либо подача недостаточного для корректной работы напряжения питания, а также ошибочная смена полярности напряжения в результате неправильного подключения источника питания к нагрузке. Все эти события могут вызвать выход из строя питаемого устройства (нагрузки), а также силовых цепей источника питания, привести к локальному перегреву и даже возгоранию устройств. Международные стандарты регламентируют обязательное использование в цепях питания электронных устройств предохранительных приборов, обеспечивающих гарантированное отключение устройства от цепи питания при перегрузках для предотвращения возгорания в процессе эксплуатации.

Перегрузки по току и по напряжению в основном возникают в процессе подключения или отключения источника питания от нагрузки. Основная причина токовой перегрузки при подключении питания – повышенный пусковой ток (inrush current), значение которого может на порядок превышать номинальный ток. Типичный пример: момент подключения сетевого AC/DC-адаптера к электронному блоку, емкость входных цепей питания которого может составлять несколько тысяч микрофарад. Высокий пусковой неконтролируемый ток способен сжечь предохранитель в цепи питания (лучший вариант с позиции безопасности), вывести из строя входные цепи питаемого электронного блока, а также привести к выходу из строя выходных силовых транзисторов источника питания. Высокие пусковые токи могут возникать и в цепях питания мощных электроприводов. Проблема защиты питания от перегрузок особенно актуальна для следующих классов электронных устройств:

• электронные приборы с питанием от внешних сетевых AC/DC-адаптеров;
• электронные системы с «горячим» (hotswap) подключением сменных модулей (например, телекоммуникационное стоечное оборудование);
• периферийные компьютерные устройства, подключаемые к шине USB (например, внешние накопители на жестком диске);
• системы и приборы с резервными или альтернативными источниками питания (литиевый аккумулятор, сетевой адаптер, бортовая сеть автомобиля);
• источники бесперебойного питания, системы с его резервированием.

Во всех этих устройствах при работе возможно возникновение опасных переходных процессов в цепях питания.

Пассивные элементы защиты на дискретных элементах

Пассивные защитные элементы в цепях питания электронной аппаратуры используются уже несколько десятков лет и продолжают активно использоваться в настоящее время. К ним относятся:

• плавкие предохранители (защита по току);
• восстанавливаемые предохранители (защита по току);
• стабилитроны (защита от перенапряжения).

Причиной распространенности и популярности пассивных предохранителей является в первую очередь низкая цена и простота применения. Однако эти компоненты обладают определенными недостатками.

Основные недостатки плавких предохранителей

• Непредсказуемый момент срабатывания вследствие влияния многих неопределенных во времени факторов. В первую очередь от температуры окружающей среды, ресурса работы предохранителя и режимов работы. В итоге ток срабатывания может сильно отличаться от номинального, указанного на предохранителе.
• Медленное срабатывание. Есть быстрые (fast) и медленные (slow) плавкие предохранители. Процесс расплавления проводящей проволочки сверхтоком может произойти за время от единиц до десятков миллисекунд для fast и до несколько сот миллисекунд для предохранителей slow. Время срабатывания зависит от уровня токовой перегрузки (см. рисунок 1). Чем больше ток – тем быстрее происходит расплавление проволочки. Для предохранителя с номинальным током 0.5 А время срабатывания равно 1 мс при трехкратном превышении тока.
• Зависимость порога тока от окружающей температуры. Чем больше внешняя температура, тем меньше энергии требуется на расплав проволочки, и тем при меньшем токе сработает защита.
• Требуется замена перемычки после срабатывания.
• Питаемое устройство после срабатывания предохранителя остается без питания.

Основные недостатки самовосстанавливающихся предохранителей

• Значительное сопротивление в штатном режиме при номинальных токах. Работа предохранителя пассивного типа основана на локальном перегреве омической структуры сверхтоками, в результате чего увеличивается сопротивление и происходит ограничение тока. Потери энергии на них в два раза выше, чем на обычных плавких вставках.
• Низкая стойкость к импульсным перенапряжениям и сверхтокам. По мере воздействия таких импульсов на предохранитель PolySwitch, происходит деградация элементов, изменение их важных параметров (сопротивления в открытом состоянии и тока срабатывания) и выход из строя.
• Изменение токового порога срабатывания со временем вследствие неизбежной деградации структуры.
• Значительная зависимость тока срабатывания от температуры окружающей среды (см. рисунок 2). Порог срабатывания одного и того же предохранителя может колебаться в диапазоне от 40 до 140% от номинального тока, в зависимости от температуры (кривая С на рисунке 2).
• Сопротивление предохранителя увеличивается после каждого срабатывания, что приводит к дальнейшему увеличению потерь мощности.

Электронные предохранители e-Fuse

Недостатков, присущих пассивным схемам защиты, полностью лишены активные или, как их еще называют, электронные предохранители серии eFuse производства компании Texas Instruments. По сути, электронный предохранитель представляет собой схему полевого ключа с низким сопротивлением открытого канала, интегрированной схемой управления и цепями мониторинга уровня проходящего тока и входного напряжения. Структурная схема электронного предохранителя eFuse приведена на рисунке 3.

Схема включается в разрыв цепи питания и обеспечивает защиту цепей нагрузки от повышенного пускового тока, тока короткого замыкания, бросков входного напряжения, пониженного напряжения, а также от ошибочной смены полярности напряжения на входе.

Пороги могут устанавливаться внешними цепями (резисторами или резистивным делителем напряжения) или, например, с выходного порта микроконтроллера, осуществляющего мониторинг состояния цепей питания устройства или системы. Срабатывание электронного предохранителя происходит автоматически при обнаружении одного из заданных тревожных событий: превышения заданного уровня тока, снижения уровня входного напряжения ниже нормы, превышения уровня напряжения выше нормы, ошибочной полярности напряжения на входе.

Выпускаются электронные предохранители как со встроенным ключом, обеспечивающим работу в цепях с током до 12 А, так и для применения с внешним силовым транзистором. Предохранитель eFuse с внешним ключом обеспечивает больший уровень коммутируемого тока. Кроме того, в зависимости от заданного типа защиты в предохранителях может быть использован один из сценариев защиты: автоматическое восстановление коммутации после пропадания аварийной ситуации или же защелка аварийного события. Во втором случае для возвращения в нормальный режим работы требуется перезапуск источника питания при участии оператора или под управлением микроконтроллера, производящего мониторинг цепей питания.

Электронные предохранители eFuse со встроенным ключом

Предохранители со встроенным полевым транзистором предназначены для защиты цепей питания в диапазоне от 2.5 до 20 В с током до 12 А. Устройства данного типа можно разделить на три сегмента: с фиксированным рабочим напряжением ( / /), с широким диапазоном рабочих напряжений () и с возможностью измерения протекающего через них тока ( /).

В таблице 1 приведены основные параметры микросхем электронных предохранителей e-Fuse со встроенным MOSFET-транзистором.

Таблица 1. Электронные предохранители со встроенным ключом

Наименование	Макс. ток, А	Рабочее напряжение, В	Установка порогового тока	Мониторинг	Отключение при пониженном напряжении	Защита от перенапряжений	Контроль нарастания вых напр
	5	5; 12	Внешний резистор	нет	Внешняя цепь	Встроенная: 6.1 В; 15 В	Внешний конденсатор
	5	2.9…20	Внешний резистор,	нет	Внутренний компаратор	Внешняя	Внешний конденсатор
	12	2.5…18	Внешний резистор,	Аналоговый выход	Внутренний компаратор	Внутренний компаратор	Внешний конденсатор

На рисунке 4 показана схема применения простого электронного предохранителя TPS2592х.

Уровень порога ограничения тока через транзистор задается резистором Rlim (вход ILIM). Точность установки порога – 15%. Диапазон регулировки порога ограничения тока 2…5 А. Делителем R1/R2 задается порог пониженного напряжения (вход EN/UVLO). Низким уровнем можно блокировать этот тип защиты. Порог перенапряжения задается внутренней схемой в процессе изготовления. Величина порога определяется версией (индексом) микросхемы. Для TPS2592Ax порог перенапряжения составляет 12 В, а для TPS2592Вx – 5 В. Защелкивание, срабатывание защиты, например, для версии 5 В происходит при достижении 6.1 В на входе. Сопротивление открытого ключа проходного транзистора – всего 29 мОм.

Алгоритм работы, а также основные параметры механизма защиты устройств семейства TPS2592 приведены в таблице 2.

Таблица 2. Модификации электронных предохранителей типа TPS2592 с различными сценариями защиты

Усилитель сигнала токового шунта INA225

Микросхема обеспечивает контроль тока в цепи нагрузки. По сути это дифференциальный усилитель сигнала с внешнего резистора (токового шунта) с программируемым коэффициентом усиления. Выходной сигнал, пропорциональный току в цепи нагрузки, аналоговый. Оцифровка производится АЦП внешнего микроконтроллера. На рисунке 14 показана схема включения микросхемы .

Программирование (выбор) четырех коэффициентов усиления (25/50/100/200) производится двумя цифровыми разрядами из микроконтроллера. Микросхема предназначена для мониторинга тока в цепях питания различного оборудования (измерительного, телекоммуникационного, зарядных устройств, источников питания). Корпус микросхемы: MSOP-8. Рабочий температурный диапазон: -40…125°C. Питание производится от напряжения питания 2.5…36 В, т.е. от цепей контролируемого напряжения.

Компаратор токовой защиты INA300

Компаратор обеспечивает пороговый мониторинг тока в заданной цепи. Он имеет один цифровой выход признака превышения сигналом установленного порога. Со стороны микроконтроллера можно задать нужный уровень порога (задается внешним резистором RLIMIT и программируемым сигналом с выхода ЦАП микроконтроллера). Сигналы управления со стороны микроконтроллера: Enable-разрешение, Latch–режим защелки аварийного события. Внешними цепями можно задать уровень быстродействия компаратора – 10/50/100 мкс. На рисунке 15 показана типовая схема включения компаратора.

Заключение

Для защиты устройств от высоких пусковых токов, перенапряжений, а также для мониторинга параметров питания компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкую линейку интегральных микросхем.

Новый класс интеллектуальных устройств защиты электронных приборов по цепям питания обеспечивает:

• повышение уровня надежности и безопасности применения приборов;
• повышение уровня обслуживания и эксплуатации, снижение затрат на обслуживание и ремонт;
• уменьшение потерь электроэнергии;
• повышение уровня интеграции (уменьшение габаритов и массы устройств, сокращение места на печатных платах).

Это устройство предназначено для защиты цепей постоянного тока от перегрузки по току и замыканий цепи нагрузки. Его включают между источником питания и нагрузкой. Предохранитель (рис. 7.18) 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, надежен в работе.

В рабочем режиме тринистор VS1 закрыт, а электронный ключ на транзисторах VT1, VT2 открыт током, протекающим 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 в 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 при 9 В - 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. 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. Транзистор VT2 необходимо установить на небольшой теплоотвод, например, на дюралюминиевую пластину размерами 90x35x2 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. В предохранителе лучше использовать тринисторы КУ103А с напряжением открывания 0,4…0,6 В.

Схемы источников питания

Во время налаживания или ремонта радиоэлектронной аппаратуры, питающейся непосредственно от электросети, из-за различного рода ошибок может возникнуть короткое замыкание. Для предотвращения повреждения аппаратуры этим явлением следует использовать электронный предохранитель. На рисунке ниже представлена принципиальная схема электронного предохранителя с высоким быстродействием, который рассчитан на ток потребления до 10 А.

При наличии тока в цепи более-10 А устройство автоматически срабатывает и нагрузка, подключенная к разъему Х2, обесточивается. При подключении электронного предохранителя к сети 220 В на его узел управления подается питающее напряжение - 12 В. Ток течет через резистор R6 и светоизлучатель оптрона U1, так как транзистор VT1 и тринистор VS2 закрыты.

В этот момент открывается фотодинистор оптрона и ток начинает течь через него и резистор R3. Напряжение, выпрямленное мостом VD1...VD4, подается на управляющий электрод тринистора VS1. После открытия тринистор VS1 замыкает диагональ моста и открывает путь сетевому напряжению к нагрузке. В момент превышения тока нагрузки или коротком замыкании в ее цепях падение напряжения на резисторе R10 приводит к открытию транзистора VT1 и тринистора VS2. Тринистор своим малым сопротивлением шунтирует цепь питания светоизлучающего оптрона, что приводит к закрытию фотодинистора оптрона и тринистора VS2. В результате происходит обесточивание нагрузки, о чем свидетельствует загорание светодиода HL1. Для включения электронного предохранителя служит кнопка SB1. В момент нажатия кнопки SB1, когда ее контакты замыкаются тринистор VS2 закрывается, но электронный предохранитель еще остается невключенным, так как цепь питания светоизлучающего оптрона зашунтирована. И лишь при отпускании кнопки, когда ее контакты размыкаются, сетевое напряжение подается на нагрузку. Такое построение схемы позволяет не допустить выхода из строя устройства, а также в случае попытки его включения при коротком замыкании.

Для необходимости ручного отключения нагрузки в электронном предохранителе имеется кнопка SB2. В устройстве могут быть использованы следующие радиодетали. Резистор R10 представляет отрезок провода ПЭВ-1 00,6 мм длиной 2 м, который намотан ha корпус мощного резистора. Все остальные резисторы типа MJIT, рассчитанные на мощность, указанную на схеме. Конденсатор С1 типа К73-17, а С2 и СЗ - К50-6. Диоды VD1...VD4, кроме указанных на схеме, могут быть серий Д232, Д233, Д247, КД203, КД206 и другие на U06p.max не менее 400 В. Вместо диодов КД209Б (VD5,VD6, VD8) подойдут диоды серии КД102, а стабилитрона Д814Д (VD7) можно применить- Д814Г, Д813, Д811, КС213 и другие с напряжением стабилизации 10...12 В. Тринистор КУ101 (VS2) использовать с любым буквенным индексом, КУ202 (VS1) - с индексами К...Н. Транзистор VT1 из серии КТ361, КТ209, КТ201, КТ502, КТ501, КТ3107 и подобные. Кнопки SB1 и SB2 типа П2К без фиксации. Тринисторы VS1 и диоды VD1...VD4 следует установить на плоских алюминиевых радиаторах размерами 50x80x5 мм. Основная часть деталей устройства монтируется на печатной плате размером 72x52 мм, вырезанной из одностороннего фольгиро-ванного стеклотекстолита. Плата размещается в корпусе, в котором на лицевой его стороне установлены кнопки SB1 и SB2, светодиод HL1 и розетка XI. Собранный правильно из исправных деталей электронный предохранитель в налаживании не нуждается. Для установки требуемого порога срабатывания устройства необходимо подобрать тринистор VS1 и резистор R10 исходя из того, что Ікз < Icp.max При этом сопротивление резистора R10 определяют из формулы.