Электронный предохранитель: схемы, рекомендации, рассчет параметров
Электронные предохранители - надежный способ защиты электрических цепей от перегрузок и аварийных режимов. В отличие от традиционных плавких, они могут многократно срабатывать, не требуя замены элемента. Рассмотрим устройство и применение таких предохранителей для использования в радиолюбительских конструкциях.
Принцип работы электронных предохранителей
Электронные предохранители предназначены для быстрого отключения нагрузки при возникновении в цепи опасно высоких токов. Это позволяет избежать перегрева и выхода из строя источника питания или другого оборудования.
В отличие от одноразовых плавких предохранителей, где используется эффект плавления проволоки, электронные предохранители реализуют принудительное отключение цепи с помощью управляемых ключей – транзисторов, тиристоров, реле.
Основные преимущества электронных предохранителей:
- Высокая скорость срабатывания – до нескольких микросекунд
- Возможность многократного использования без замены элементов
- Не нуждаются в периодической замене, как плавкие предохранители
- Позволяют реализовать дополнительные функции защиты и индикации
При разработке электронного предохранителя нужно определить его основные параметры:
- Максимальный ток нагрузки
- Напряжение питания цепи
- Ток или напряжение срабатывания
- Время отключения при перегрузке
- Наличие гальванической развязки цепей
При превышении заданного тока срабатывания электронный ключ размыкает цепь нагрузки. Это приводит к резкому уменьшению тока и предотвращает выход оборудования из строя.
Предохранители на электромагнитных реле
Один из распространенных вариантов - использование электромагнитного реле для коммутации цепи нагрузки. Пример такой схемы приведен на рисунке ниже.
При нормальном токе нагрузки транзистор VT1 открыт, и реле K1 находится под напряжением. Его контакты замкнуты, и нагрузка Рн включена.
При перегрузке по току на резисторе R2 возникает падение напряжения, достаточное для открывания транзистора VT2. Он шунтирует VT1, транзистор закрывается. Реле обесточивается и размыкает контакты, отключая нагрузку.
Преимущества такой схемы – простота и надежность. К недостаткам можно отнести более высокое падение напряжения и меньшую скорость срабатывания по сравнению с бесконтактными схемами.
Расчет предохранителя на реле сводится к следующим этапам:
- Выбор реле с допустимым током и напряжением
- Расчет резистора R2 по формуле: R2 = (Упит - 0,7) / Исраб
- Подбор транзисторов VT1, VT2 по максимальному току
- Проверка срабатывания реле при заданном токе
Например, для защиты цепи 12В от тока более 2А можно использовать следующие компоненты:
- Реле на ток до 5А
- R2 = (12 - 0,7) / 2 = 5,6 Ом
- Транзисторы KT815, КТ819
После сборки необходимо убедиться, что реле срабатывает при токе через R2 около 2А.
Электронные предохранители без контактов
Бесконтактные предохранители на транзисторах и тиристорах обладают более высоким быстродействием и меньшим падением напряжения. Рассмотрим несколько вариантов таких схем.
Предохранитель на МДП транзисторе
Здесь в качестве основного элемента используется МДП транзистор VT1. При превышении тока через резистор R1 он закрывается и размыкает цепь нагрузки. Достоинства схемы – простота и надежность. К недостаткам можно отнести наличие напряжения на нагрузке в выключенном состоянии, порядка 1 В.
Схема предохранителя на дарлингтоновской паре
Для уменьшения напряжения на отключенной нагрузке можно применить дарлингтоновскую пару из двух транзисторов. Резисторы R2, R3 обеспечивают надежное выключение транзисторов при срабатывании.
Преимущество такой схемы – практически полное отключение нагрузки (десятки мВ). К недостаткам относятся более сложная схема и выделение тепла на транзисторах.
При выборе транзисторов следует ориентироваться на максимальный ток коллектора в режиме насыщения. Резистор R1 рассчитывается по формуле:
R1 = (Упит - 0,7) / Исраб
Например, для предохранителя на 5А при напряжении 12В:
R1 = (12 В - 0,7 В) / 5 А = 2,26 Ом
Рекомендуется устанавливать транзисторы на радиаторы для отвода тепла.
Предохранители для сетевого напряжения 220В
Для применения в сети переменного тока 220В обычно используют предохранители на тиристорах или оптоэлектронных реле. Рассмотрим пример схемы.
Здесь в нормальном режиме открыт тиристор VS1, через который напряжение питания подается на нагрузку. При перегрузке срабатывает оптосимистор VS2, шунтируя цепь управления VS1. Тиристор закрывается и обесточивает нагрузку.
При выборе элементов следует ориентироваться на допустимые ток и напряжение. Например, для нагрузки до 5А достаточно тиристора КУ202Е с оптосимистором MOC3041.
Для защиты мощного силового оборудования могут потребоваться тиристоры с водяным охлаждением.
Важный момент при монтаже - качественная электрическая изоляция цепи управления оптоэлемента от сетевого напряжения.
Регулируемые электронные предохранители
Часто возникает необходимость в настройке тока срабатывания предохранителя под конкретную нагрузку. Для этого используют регулируемые предохранители.
Предохранитель с регулировкой переменным резистором
Простой вариант - добавление в схему переменного резистора для настройки уровня срабатывания, как показано ниже:
Изменяя сопротивление резистора R1, можно плавно менять ток срабатывания предохранителя. Это позволяет точно настроить его для конкретной нагрузки.
Цифровая регулировка тока отсечки
Современные микроконтроллеры дают возможность реализовать удобную цифровую регулировку параметров предохранителя. Например, с помощью кнопок и дисплея, как показано ниже:
Здесь микроконтроллер управляет сопротивлением в цепи датчика тока с помощью ЦАП. Это позволяет быстро и точно выставить нужный ток срабатывания.
Применение регулируемых предохранителей
Гибкая настройка тока отсечки нужна в следующих случаях:
- При изменении параметров нагрузки в процессе работы
- Для точной защиты дорогостоящего оборудования
- При использовании одного блока питания для разных устройств
- Для исследования предельных режимов нагрузки
Например, при подключении к одному источнику постоянного тока сначала маломощной нагрузки, а затем более мощного устройства.
Конструкция и монтаж
При разработке электронного предохранителя важны правильный выбор элементов и качественный монтаж.
Радиаторы и теплоотвод
Мощные транзисторы и тиристоры требуют эффективного отвода тепла, поэтому их необходимо устанавливать на радиаторы.
Защита от электромагнитных помех
Для предотвращения ложных срабатываний цепь датчика тока следует тщательно экранировать и фильтровать.
Корпус устройства
Корпус должен обеспечивать безопасность и удобство монтажа. Часто применяют пластиковые коробки с DIN-рейкой.
Проверка и диагностика неисправностей
После сборки необходимо провести проверку предохранителя и отладить его работу.
Возможные неисправности:
- Ложные срабатывания из-за помех
- Отсутствие срабатывания при перегрузке
- Повышенное падение напряжения во включенном состоянии
Для диагностики следует использовать осциллограф и измеритель тока в цепи нагрузки.