Меню

Схема защиты от сквозных токов

Простые схемы электронных предохранителей для блоков питания.

Эффективные средства защиты источников питания от КЗ и перегрузки по току на
мощных полевых переключающих МОП-транзисторах.
Плавный пуск (Soft Start) — нужен ли он блоку питания с быстродействующей защитой.

На странице (ссылка на страницу) мы познакомились с несколькими простыми схемами электронных предохранителей, предназначенных для работы в составе блоков питания. Главное назначение этих устройств — защита как самих БП, так и подключаемых к ним узлов от короткого замыкания (КЗ) или превышения тока, которое может возникнуть в них в силу той или иной причины.

Основными преимуществами таких устройств защиты (по сравнению с плавкими предохранителями) являются возможность введения регулировки тока срабатывания и высокое быстродействие, позволяющее в большинстве случаев предотвратить выход из строя электронного оборудования.
Основной недостаток, как не странно, тот же самый — высокое быстродействие, приводящее к ложным срабатываниям в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке значительной ёмкостной составляющей (например, могучих электролитов, часто являющихся обязательным атрибутом многих усилителей мощности).
Перемещение этих электролитов с выхода на вход электронного предохранителя во многих случаях приводит к положительному результату, однако, если мы хотим поиметь универсальный блок питания с возможностью работы с различными устройствами, в том числе и с электролитами на борту, приходится озадачиваться и таким прибамбасом, как плавный пуск (или Soft Start по буржуйски).

Давайте более подробно рассмотрим две, на мой взгляд, наиболее удачные схемы электронных предохранителей, бегло описанных на странице по ссылке.
Схема, приведённая на Рис.1, относится к устройствам с резистивным датчиком тока, позволяющим заранее произвести точный расчёт номиналов элементов, а также ввести плавную (посредством переменного резистора) или ступенчатую (посредством переключателя) регулировку тока срабатывания.

Рис.1 Схема электронного предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки по току

На элементах Т1 и Т2 выполнен транзисторный аналог тиристора со стабильным напряжением срабатывания

0,6В. Ток срабатывания этого тиристора, а соответственно и всего предохранителя зависит от номинала резистора R4, который рассчитывается по формуле: R4 (Ом) ≈ 0,6/Iср (А) .
При желании ввести в электронный предохранитель плавную регулировку тока срабатывания, R4 следует заменить на цепочку из последовательно соединённых: постоянного резистора, рассчитанного на максимальный ток, и проволочного переменного номиналом, рассчитанным под минимальный ток срабатывания.
Суммарная мощность, рассеиваемая на этих резисторах при максимальном токе, равна Р(Вт) ≈ 0,6 * Iср (А) .

При включении блока питания и условии отсутствия в нагрузке недопустимых токов предохранитель автоматически устанавливается в рабочее (открытое) состояние. При превышении тока напряжение на R4 достигает уровня открывания Т1 и транзисторный эквивалент тиристора (Т1, Т2) срабатывает и притягивает уровень напряжения на затворе Т3 к напряжению на его истоке, что приводит к закрыванию полевика.
Для возврата электронного предохранителя в рабочее (открытое) состояние необходимо: либо выключить и снова включить источник питания, дождавшись, когда напряжение на его выходе упадёт до нуля, либо нажать кнопку сброса S1.

Если входное напряжение, подаваемое на предохранитель, не превышает 20В, то цепочку R1 D1 допустимо исключить, а нижний вывод R3 подключить к минусу.

Применение источника тока на полевом транзисторе Т4 обусловлено желанием обеспечить ток через светодиод Led1 (индикатор наличия выходного напряжения) на постоянном уровне, независимо от приложенного к предохранителю напряжения. Если электронный предохранитель предполагается использовать при фиксированном напряжении питания, то для простоты этот транзистор можно заменить резистором.

Посредством несложных манипуляций в приведённое выше устройство можно добавить функцию плавный пуск (Soft Start), позволяющую электронному предохранителю избегать ложных срабатываний в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке электролитических конденсаторов значительной ёмкости. Рассмотрим получившуюся схему на Рис.2.

Рис.2 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (положительная полярность)

В начальный момент включения источника питания конденсатор С3 замыкает цепь затвора полевого транзистора Т3 на его исток, заставляя его находиться в закрытом состоянии. По мере заряда конденсатора напряжение на нём (а соответственно и разница потенциалов между истоком и затвором) плавно растёт, что приводит к постепенному открыванию полевика. Длительность данного переходного процесса (от полного закрытия до полного открывания) составляет 15. 20 миллисекунд, чего вполне достаточно для значительного снижения стартовых токов заряда даже очень ёмких электролитов, расположенных в нагрузке.

Для того чтобы после срабатывания защиты вернуть предохранитель в рабочее состояние и сохранить функцию плавного пуска, необходимо не только сбросить транзисторный аналог тиристора, но и дождаться полного разряда конденсатора С3. В связи с этим кнопка сброса перенесена в цепь питания и выполняет функцию обесточивания всего устройства, а дополнительный резистор R7 ускоряет разряд С3 до комфортных 0,3. 0,4 секунд.

Диод D3 выполняет функцию устранения выбросов отрицательной полярности, возникающих на конденсаторе С3 при размыкании S1, а D2 — функцию отсечения этого конденсатора от цепи затвора при срабатывании защиты, что позволяет обойтись без потери быстродействия предохранителя. Диоды могут быть любыми с допустимыми напряжениями, превышающими величину напряжения питания.

Включение датчика тока и коммутирующего транзистора в цепь питания (в нашем случае — в положительную цепь), а не земляную шину позволяет с лёгкостью осуществить релизацию защитного устройства для двуполярных источников. Приведём схему предохранителя и для отрицательной шины двуполяного блока питания.

Читайте также:  Машина для выработки электрического тока кроссворд

Рис.3 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (отрицательная полярность)

Всем хороши эти устройства защиты с резистивными датчиками, особенно для цепей с умеренными токами (до 10А). Однако если возникает необходимость предохранять устройства, для которых рабочими являются токи в несколько десятков, а то и сотен ампер, то мощность, рассеиваемая на резистивном датчике, может оказаться чрезмерно высокой. Так, при максимальном токе в нагрузке равном 20А, на резисторе рассеется около 12Вт, а при токе 100А — 60Вт.
Уменьшать уровень срабатывания электронного предохранителя (скажем до 100мВ) посредством введения в схему чувствительного элемента ОУ или компаратора — не самая хорошая затея, ввиду того, что помехи, гуляющие по шинам земли и питания, в сильноточных цепях могут превышать эти пресловутые 100мВ. В таких ситуациях приходится искать другие решения.
Датчик магнитного поля — геркон и несколько сантиметров толстого провода могут стать выходом из положения в источниках питания с максимальными токами вплоть до десятков и сотен ампер.

Датчик тока на герконе

Рис.4 Датчик тока на герконе

При прохождении тока через обмотку, намотанную поверх датчика (Рис.4), внутри неё возникает магнитное поле, которое приводит к замыканию контактов геркона.
Намотав обмотку из десяти (или любого другого количества) витков и измерив ток срабатывания геркона, можно масштабировать это значение на любой интересующий нас ток.
Так например, если геркон КЭМ-1 при десяти витках замыкается при токе через обмотку около 15А, то, намотав 2 витка, мы увеличим ток срабатывания в 5 раз, т. е. до 75 А, а перемещая геркон внутри катушки, сможем регулировать это ток в некоторых пределах вплоть до 85. 90 А.
К достоинствам герконов также можно отнести и относительно высокое быстродействие. Время срабатывания у них, как правило, не превышает 1. 2 миллисекунд.
Всё, что теперь остаётся — это нарисовать триггерную схему мощного транзисторного ключа, управляемого герконовым токовым датчиком.

Рис.5 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки с датчиком тока на герконе

Схема, приведённая на Рис.4, довольно универсальна и позволяет осуществлять защиту устройств от перегрузки в широком диапазоне входных напряжений (9. 80 вольт) без изменения номиналов элементов.
Устройство состоит из транзисторной защёлки, выполненной на элементах Т1 и Т2, и находится в устойчивом состоянии до момента подачи на базу транзистора Т2 короткого положительного или отрицательного импульса.
Для того, чтобы включить электронный предохранитель необходимо нажать на нефиксируемый включатель S1, подав на базу Т2 импульс положительной полярности.
Срабатывает защита от импульса отрицательной полярности, который формируют контакты геркона SF1.
Мощный P-канальный полевой транзистор Т1 следует выбирать с некоторым запасом, исходя из тока срабатывания электронного предохранителя. Если транзистор не удовлетворяет токовым и мощностным характеристикам — допустимо использовать параллельное включение нескольких полупроводников.
Цепочка D1 R6 защищает полевик от недопустимых уровней Uзи при входных напряжениях свыше 20В. Если предохранитель предполагается использовать с меньшими подаваемыми напряжениями, то эту цепочку вполне допустимо исключить.

Источник

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Аварийные «экстратоки» и «экстранапряжения» не идут на пользу ни одному электронному устройству. Необходимо вводить защитные цепи с автоматическим ограничением, снижением, отключением питания или, в крайнем случае, с визуальной/звуковой индикацией аварийного состояния.

Простейшим элементом защиты служит плавкий предохранитель. При его выборе надо ориентироваться на стандартные номинальные токи срабатывания:

• SМD-предохранители — 62; 125; 250; 375; 500; 750 мА, 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0; 3.5; 4.0; 5.0 А;

• обычные «стеклянные» предохранители — 50; 60; 80; 100; 160; 200; 250; 315; 500; 630; 800 мА, 1.0; 1.25; 1.6; 2.0; 3.15; 3.5; 4.0 А.

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Время срабатывания предохранителя зависит от величины протекающего тока. Судя по Табл. 6.9, ориентироваться на номинальный ток ПЛАВ нельзя, необходимо его многократное превышение, например, 4/ПЛАВ. На практике считается, что плавкая вставка с надписью «1А» гарантированно «сгорает» при токе 2.5 А.

Радиолюбители за неимением времени иногда изготавливают кустарные проволочные предохранители, называемые в обиходе «жучками». Если используется медный провод, то можно взять данные из Табл. 6.10. Разумеется, «жучки» после проведения эксперимента надо заменить нормальными предохранителями.

Следует отличать плавкие предохранители (fuse) от предохранительных резисторов (fusible resistor). Последние по конструкции напоминают обычные резисторы, но при перегорании не оставляют вокруг себя чёрного пятна металлизированной сажи, которая может закоротить другие цепи на печатной плате.

Ещё один важный элемент защиты — это варисторы (Табл. 6.11). В отличие от предохранителей, они устанавливаются не последовательно, а параллельно, т.е. защита осуществляется по напряжению, а не по току.

Если напряжение меньше порогового, то сопротивление варистора большое, и он практически не оказывают влияние на защищаемую цепь. Если порог достигнут, то сопротивление варистора быстро снижается. Это позволяет эффективно защищать аппаратуру от кратковременных импульсных помех.

На Рис. 6.20, а. к показаны схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий.

Читайте также:  Постоянно бью током кошку

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Рис. 6.20. Схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий (начало):

а) защита от повышенного входного напряжения с порогом, определяемым стабилитроном VD1. Оптореле VU1 имеет нормально замкнутые контакты с током нагрузки не более 250 мА;

б) электронное отключение питания при пробое мощного регулирующего транзистора, находящегося внутри стабилизатора напряжения А1. Быстродействие определяется параметрами оптотиристора VU1. Излучатель HL1 красным цветом индицирует аварийное состояние. Резистор R3 устанавливает напряжение перехода транзистора VT1 в закрытое состояние;

в) «параллельная» защита цепи +5 В. При всплесках напряжения открывается тиристор VS1 и перегорает плавкая вставка FU1 (или самовосстанавливающийся предохранитель). Конденсатор C1устраняет ложные срабатывания тиристора. Мощный проволочный резистор R3защищает тиристор VS1 от «экстратоков». Пороговое напряжение стабилитрона VDI имеет разброс 3.1. 3.5 В, поэтому его точное значение устанавливается подстройкой резистора R1.

г) аналогично Рис. 6.20, в, но с заменой тиристорного ключа мощным параллельным стабилизатором напряжения на элементах VDI, VTI, R1. R3 и дополнительной защитой по входу при помощи варистора RV1. Порог срабатывания устанавливается резистором R1 на уровне примерно на 0.2. 0.4 В выше, чем напряжение питания +3. +5 В;

Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Рис. 6.20. Схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий (окончание):

д) HL1 — это индикатор снижения напряжения питания с +5 до +4 В, что может свидетельствовать о предаварийном состоянии. Точный порог устанавливается резистором R3. Схема служит только для индикации неполадок. Устранение аварии производится оператором вручную;

е) защита от помех и перенапряжений в бортовой сети автомобиля (элементы R1, C1). Мигающий светодиод HL1 служит индикатором неверной полярности подачи питания;

ж) красный цвет светодиода HL1 индицирует обрыв предохранителя FU1, зелёный — нормальную работу. При оранжевом или жёлтом цвете следует выбрать другой тип диода VD1

з) защита от превышения тока в «минусовом» проводе. Резистором R3 добиваются триггер-ного режима работы. Резистором R1 устанавливают ток защиты в пределах 10. 600 мА. Для ориентира, если R2= 10 Ом, то ток срабатывания равен 85. 111 мА;

и) варисторная защита устройств, подключённых к телефонной линии. При большой амплитуде или случайной подаче сетевого напряжения 220 В перегорает плавкая вставка FU1;

к) стабилитрон VD2 защищает от всплесков входного напряжения. Ток ограничивается резистором R1, короткие импульсные помехи сглаживаются конденсатором C1.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Источник



Как работает дифференциальная защита? Схемы, принцип действия, реле

dif1

Дифференциальная защита — одна из самых быстродействующих. Для нее не требуется выдержки по времени, так как при возникновении прецедента для срабатывания уже точно известно, что короткое замыкание находится в контролируемой зоне. Дифференциальная защита имеет абсолютную селективность и действует на отключение без выдержки времени.

  1. Дифференциальная защита используется
  2. Принцип работы дифференциальной защиты
  3. Дифференциальная защита на реле РНТ
  4. Дифференциальная защита на реле ДЗТ
  5. Микропроцессорные терминалы диф защиты

Дифференциальная защита используется

  1. силовых трансформаторов (о диф защите трансформаторов можно почитать тут);
  2. генераторов;
  3. сборных шин;
  4. кабельных линий;
  5. воздушных линий.

Из-за надежности и быстродействия она является одной из основных для вышеперечисленных устройств.

Интересное видео о работе дифференциальной защиты трансформатора смотрите в видео ниже:

Принцип работы дифференциальной защиты

Основа принципа действия любой дифзащиты – контроль токов в начале и конце защищаемого участка электрической цепи. Для этого используются трансформаторы тока. При их расположении в пределах одного распределительного устройства они подключаются к устройству защиты напрямую с помощью кабелей. Если границы защищаемого участка расположены на большом удалении друг от друга, что характерно для кабельных или воздушных линий, используется два полукомплекта защиты, соединенные между собой вспомогательной кабельной линией.

Если эти токи в начале и конце защищаемого участка равны между собой и направлены в одну сторону, срабатывания не происходит. Так получается при протекании номинальных токов нагрузки или при коротком замыкании вне защищаемой зоны (токов внешнего КЗ).

Но если повреждение произошло в зоне, контролируемой защитой, мощность электрической сети протекает в точку КЗ. При одностороннем питании (для трансформаторов или генераторов) от источника в сторону защищаемого электроаппарата протекает больший ток, чем отдается им потребителю. При двухстороннем (на кабельной или воздушной линии, соединяющей между собой сети с независимыми источниками питания) токи на обоих концах линии сориентированы на точку повреждения.

Создается повод для работы защиты, которая дает команду на отключение объекта одновременно со всех сторон.

В зависимости от особенностей защищаемого объекта для реализации устройств выбираются соответствующие дифференциальные реле. Рассмотрим их особенности.

Подробно о принципе действия диф. защиты смотрите в видео:

Дифференциальная защита на реле РНТ

Реле состоит из двух элементов, объединенных в один корпус. Это быстронасыщающийся трансформатор, имеющий три стержня с обмотками, и выходное токовое реле, являющееся исполнительным органом.

dif4

Реле подключено к выводам вторичной обмотки, расположенной на крайнем стержне трансформатора. Две, а иногда и три первичные обмотки, располагаются на среднем стержне и связаны с трансформаторами тока. Имеются еще и дополнительные короткозамкнутые обмотки, предназначенные для гашения апериодической составляющей.

Настройка реле осуществляется переключением количества витков первичных обмоток, чтобы добиться равенства магнитных потоков в магнитопроводе. Также изменением сопротивлений резисторов в выходной и компенсирующей цепях выставляются требуемое торможение при переходных процессах, а также ток срабатывания выходного реле.

РНТ используется в основном для работы в составе РЗА силовых трансформаторов. В первый момент включения в сеть в их сердечнике возникают мощные намагничивающие токи. Они быстро затухают, но при этом создается прецедент для работы защиты: ведь мощность на намагничивание потребляется от источника и остается в трансформаторе.

Устройство РНТ позволяет отстроиться от намагничивающих токов. При резком броске тока сердечник трансформатора быстро намагничивается и реле перестает реагировать на подобное возмущение.

Но при этом при мощных сквозных КЗ реле может ложно сработать из-за токов небаланса. Этого недостатка лишено реле ДЗТ.

Полезное учебное пособие о расчету дифференциальной защиты для трансформаторов можно посмотреть и скачать по ссылке. (размер — 5.5Мб). Автор М.А. Александров — Санкт-Петербург, ПЭИПК.

Дифференциальная защита на реле ДЗТ

dif5

Внешне реле ДЗТ почти не отличается от РНТ. Но состав обмоток и их назначение меняется. Магнитопровод также имеет три стержня. Первичные обмотки находятся, как и у РНТ, на среднем стержне. А вот вторичная обмотка размещена одновременно на двух крайних, там же находится еще одна, выполняющая функцию тормозной.

Читайте также:  Мощность поглощаемая в цепи переменного тока

Если КЗ произошло в зоне защиты, тока в тормозной обмотке реле нет, происходит его срабатывание. Если повреждение находится вне защищаемого участка, через трансформаторы протекает большой сквозной ток. Часть его поступает в тормозную обмотку, компенсируя в магнитопроводе потоки от обмоток на среднем его стержне.

В итоге во вторичной обмотке результирующий ток равен нулю. Защита не срабатывает.

Реле с успехом используется для защиты на линиях электропередач, но для силовых трансформаторов его использовать нежелательно. Имея лучшую отстройку от сквозных токов короткого замыкания, оно хуже отстраивается от токов намагничивания.

Ещё одно интересное видео о принципе работы диф. защиты шин:

dif6Микропроцессорные терминалы диф защиты

Все рассмотренные выше реле относятся к электромеханическим. Их производство начато давно. Несмотря на высокую надежность, они уже морально устарели. А знаниями и навыками, необходимыми для их наладки и проверки обладают далеко не все релейщики.

Перспектива развития дифференциальной защиты подразумевает замену электромеханической техники на микропроцессорные терминалы защит, выпускаемые ведущими электротехническими фирмами: АВВ, Schneider Electric, Siprotec и другими.

Источник

3.4.2 Защита от сквозных токов.

Основной вклад в длительность закрывания транзисторного ключа вносит время рассасывания избыточного базового заряда. Определим время рассасывания для транзисторов мощного каскада:

, (3.4.2.1)

Так как , то:

Определим время рассасывания для транзисторов предмощного каскада:

, (3.4.2.2)

Так как , то:

.

Учитывая время задержки оптопары tопт=4 мкс получим, что сигнал на закрывание транзистора необходимо задержать на время:

, (3.4.2.3)

.

Рассчитаем элементы схемы защиты. Конденсатор С1 заряжается через резистор R1 по экспоненциальному закону до величины Uвх. Так как Uвх является выходным напряжением цифровой микросхемы с ТТЛ логикой, примем Uвх=5 В. За время tзакр конденсатор от Uнач=0 В зарядится до величины Uкон=0,6·Uвх=3В. Напряжение на конденсаторе при t=∞, составит U=Uвх=5 В. Выберем конденсатор С1 марки K10-23 1нФ. Определим величину сопротивления резистора R1:

, (3.4.2.4)

.

Резистор R1 выберем типа МЛТ-0,125 4,7 кОм . Компаратор DA1 выбираем типа 521СА2, у которого средний входной ток Iвх ср=75 мкА. Определим сопротивления резисторов делителя. Зададимся током делителя Iдел=Iвх ср=75·10 -6 А. Зададимся диапазоном регулирования напряжения ΔU=1 В (определяет разность между напряжениями на входе компаратора при крайнем левом и крайнем правом положении движка резистора R4). Зададимся величиной E1=5В. Определим сопротивление резистора R4:

(3.4.2.5)

Выберем резистор R4 марки СП3-19 15 кОм. Определим сопротивление резистора R5:

, (3.4.2.6)

.

Выберем резистор R5 марки МЛТ-0,125 33 кОм. Определим сопротивление резистора R3:

, (3.4.2.7)

.

Выберем резистор R3 марки МЛТ-0,125 15 кОм.

3.5 Модулятор

Электрическая принципиальная схема модулятора ШИМ, реализующего симметричный закон управления приведена на рисунке 3.5.1.

Микросхемы DA1, DA2, DA3 выбираем типа 140УД9 . Резистор R2 выберем марки МЛТ 0,125 470 кОм. Зададимся величиной:

, (3.5.1)

где ­– максимальное выходное напряжение операционного усилителя (ОУ).

По справочнику находим . Найдем величину сопротивления резистораR1:

, (3.5.2)

.

Выбираем резистор R1 марки МЛТ 0,125 330 кОм. Период импульсов можно определить как:

, (3.5.3)

T – период ШИМ, Т=10 -5 с.

Конденсатор С1=С выберем марки K10-23 1 нФ . Определим сопротивление резистора R3:

, (3.5.4)

.

Выбираем резисторы R3=R6 марки МЛТ 0,125 27 кОм. Определим напряжение на выходе модулятора:

, (3.5.5)

.

Напряжение управления поступает на модулятор с выхода ограничителя сигнала рассогласования и равно Uу max=4,6 В. Амплитуду треугольных импульсов примем на 20% больше величины управляющего напряжения Uтр=5,52 В. Это сделано для того, чтобы исключить появление 100% модуляции.

Величина сопротивления резистора R8 должна быть на два порядка больше величины сопротивления резистора R7. Выберем резистор R7 марки МЛТ-0,125 3,0 кОм. Тогда резистор R8 выберем марки МЛТ-0,125 300 кОм. Сопротивление резистора R5 найдем из формулы:

, (3.5.6)

,

.

Выберем резистор R5 марки МЛТ-0,125 3,6 кОм.

Источник