Kit_AVT-2617_Elektroniczny Bezpiecznik.pdf

Elekt roniczny

bezpiecznik

Do czego to służy?

Do czego służy bezpiecznik, wie każdy − ma

on przerwać obwód, jeśli prąd przekroczy

dopuszczalną wartość. Popularne bezpieczni−

ki topikowe mają swoje zalety, ale też liczne

wady. Większość bezpieczników wcale nie

chroni układu elektronicznego przed uszko−

dzeniem, a jedynie zapobiega zwarciu i poża−

rowi w przypadku, gdy chroniony układ

elektroniczny ulega awarii. Niekorzystne

właściwości bezpieczników topikowych są

przyczyną, że są one rzadko stosowane po

stronie wtórnej transformatora sieciowego.

Są umieszczane jedynie w obwodzie sieci

energetycznej, gdzie chronią nie tyle trans−

formator i układ, co przewody i inne bez−

pieczniki w obwodach sieci.

Wydawałoby się, że po stronie wtórnej

transformatora można zastosować układy

elektroniczne, które będą pełnić funkcje bez−

pieczników. Jednak zaprojektowanie i wyko−

nanie dobrego bezpiecznika elektronicznego

nie jest wcale łatwe, o czym przekonało się

już wielu elektroników. Trzeba bowiem po−

godzić różne, częściowo wzajemnie sprzecz−

ne, wymagania na przykład:

− niewielki spadek napięcia,

− szybkość dostosowaną do potrzeb

− regulowany próg zadziałania

2 6 1 7

pomiarowego nie ma. Pomiar zrealizowano

w niecodzienny sposób. Idea przedstawiona

jest w uproszczeniu na rysunku 1 . Podczas

normalnej pracy MOSFET jest w pełni

otwarty, to znaczy, że na jego bramce napię−

cie, że jest rzędu 8V lub więcej. Otwarty

MOSFET przedstawia sobą niewielką rezy−

stancję. Wartość tej rezystancji to oczywiście

podawany w katalogach parametr R DSon .

Właśnie rezystancja otwartego MO−

SFET−a pełni rolę rezystora pomiarowego.

Prąd płynący przez tę rezystancję wywołuje

niewielki spadek napięcia, rzędu setek lub

dziesiątek miliwoltów. Napięcie to jest dopro−

wadzone przez rezystor Rb do wejścia

wzmacniacza operacyjnego, który tu pełni ro−

lę komparatora. Komparator porównuje ten

spadek napięcia z niewielkim napięciem z po−

tencjometru P. Nadmierny prąd spowoduje

wystąpienie na rezystancji MOSFET−a spad−

ku napięcia większego niż napięcie z poten−

cjometru, a to spowoduje reakcję komparato−

ra i wyłączenie MOSFET−a. Napięcie na wej−

ściu odwracajacym komparatora wzrośnie je−

szcze bardziej i układ się zatrzaśnie. Tranzy−

stor zostanie na trwałe odcięty, a powrót do

normalnej pracy może nastąpić dopiero wsku−

tek świadomej ingerencji człowieka.

Przedstawiona idea została zrealizowana.

Powstał i został starannie przebadany model,

pokazany na fotografii 1 . Układ pracował

w różnych warunkach, przy czym zależnie od

warunków i potrzeb był w istotny sposób

modyfikowany. Wyniki pomiarów okazały

się więcej niż obiecujące i okazało się, iż war−

to zaprojektować dwa oddzielne układy: „do−

datni“ i „ujemny”. Ich działanie jest w sumie

jednakowe, a różnica polega na tym, która

szyna zasilania jest przerywana. Sposób włą−

czenia i uproszczony schemat wewnętrzny

obu wersji jest pokazany na rysunku 2 .

Pełny schemat ideowy wersji „ujemnej”

jest pokazany na rysunku 3 . Stabilizator U1

zasila układ sterujący napięciem stabilizowa−

nym o wartości 9V. Kondensatory C1, C2 są

potrzebne, by wyeliminować jakiekolwiek

ryzyko samowzbudzenia stabilizatora, co

mogłoby nastąpić w niesprzyjających warun−

Jak to działa?

W bezpiecznikach elektronicznych z reguły

sprawdza się spadek napięcia na rezystorze

pomiarowym o niewielkiej wartości. W pre−

zentowanych rozwiązaniach takiego rezystora

Fot. 1

Rys. 2 Wykorzystanie

Rys. 1 Zasada działania

Luty 2002

Elektronika dla Wszystkich

kach pracy. Dzięki stabilizatorowi U1 układ

bezpiecznika może poprawnie pracować przy

napięciu wejściowym 10...35V.

Należy zwrócić uwagę, że do poprawnej

pracy układu konieczne jest napięcie, które

w pełni otworzy MOSFET−a. Do pełnego

otwarcia typowego MOSFET−a mocy wyma−

gane jest napięcie co najmniej 8V. Właśnie dla−

tego w układzie zastosowano stabilizator 9−

woltowy. Tylko tak zwane logiczne MOSFET−

y mocy, zwykle mające w oznaczeniu literkę

L, mające obniżone napięcie progowe, oraz

MOSFET−y małej mocy, otworzą się w pełni

przy napięciu bramka−źródło równym 4,5...5V.

żeby niezawodnie „ściągnąć do dołu” napięcie

na wejściu odwracającym w sytuacji, gdy na

przykład obciążenie nie jest podłączone. War−

tość R9 nie jest krytyczna. Warto zauważyć,

że przy podanych na schemacie wartościach

R9, R10, na wejście przekazywane jest prawie

całe napięcie z tranzystora T2. Wbrew pozo−

rom, w czasie normalnej pracy dioda LED D1

i brzęczyk piezo Y1 nie wpływają na działanie

układu, bowiem spadek napięcia na tranzysto−

rze T2 podczas pracy nie przekracza 400mV,

a przy takich napięciach ani dioda LED, ani

brzęczyk praktycznie nie przewodzą prądu.

Oba te elementy pełnią w układzie ważną

rolę. Brzęczyk sygnalizuje dźwiękiem fakt

niezrównoważenia za pomocą potencjometru

PR2 (do czego potrzebny jest dzielnik R7, R8).

Bardzo ważną rolę odgrywają w układzie

kondensator C4 i obwód jego rozładowania

z tranzystorem T1. Od stałej czasowej R6C4

zależy szybkość zadziałania bezpiecznika

w przypadku gwałtownego wzrostu prądu.

Czas zadziałania w większości przypadków

nie powinien być bliski zeru. W proponowa−

nej wersji czas zadziałania wynosi kilkadzie−

siąt milisekund lub mniej, zależnie od warto−

ści prądu udarowego.

Kondensator C4 zapobiega też zadziała−

niu bezpiecznika przy włączeniu napięcia za−

silającego oraz po dołączeniu obciążenia −

rozładowany kondensator C4 przez krótki

czas utrzymuje na wejściu odwracającym na−

pięcie niższe, niż na wejściu nieodwracają−

cym, przez co wymusza „stan wysoki” na

wyjściu wzmacniacza, a tym samym zapew−

nia niezawodne otwarcie tranzystora T2.

Obwód z tranzystorem T1 i przyciskiem

S1 jest potrzebny, by ręcznie „wyzerować”

układ po zadziałaniu bezpiecznika, gdy tran−

zystor T2 zostanie zatkany. Tranzystor T1

szybko rozładuje kondensator C4 i zwierając

nóżkę 2 wzmacniacza U2 do masy wymusi

na jego wyjściu stan wysoki, który otworzy

tranzystor. Na pierwszy rzut oka wydaje się,

że przycisk S1 mógłby być włączony za−

miast tranzystora T1. Należy jednak pamię−

tać, że w tym czasie, gdy przewodzi tranzy−

stor T1, wymuszone jest otwarcie także tran−

zystora T2 nawet wtedy, gdy przez obciąże−

nie płynie nadmiernie duży prąd. Jeśli więc

przycisk S1 byłby włączony zamiast tranzy−

stora T1, bezpiecznik zupełnie nie pełniłby

swojej roli przy ciągłym naciskaniu przyci−

sku. Żeby wyeliminować ryzyko uszkodze−

nia obciążenia, zastosowano obwód z kon−

densatorem C3. Stała czasowa R4C3 okre−

śla, na jak długo zostaną włączone tranzysto−

ry T1 i T2 przy dowolnie długim naciśnięciu

przycisku S1.

Pełny schemat wersji „dodatniej” pokaza−

ny jest na rysunku 4 . Jest to niemal identycz−

ny układ, tylko w pewnym sensie odwrotny,

co wynika z konieczności zastosowania tu

tranzystora MOSFET z kanałem P. Dlatego

zastosowano stabilizator 79L09 i wzmac−

niacz operacyjny TL081. Z łatwością można

zidentyfikować poszczególne obwody, zwła−

szcza że numeracja elementów jest analo−

giczna jak w wersji „ujemnej”. Różnica pole−

ga na uproszczonym obwodzie korekcji na−

pięcia niezrównoważenia − suwak PR2 jest

dołączony wprost do szyny zasilania i nie ma

rezystorów R7, R8. Dodatkowo przewidzia−

no też możliwość zastąpienia stabilizatora

79L09 „programowaną dioda Zenera”, czyli

układem TLC431, co wymaga dodatkowych

rezystorów R11...R13. W wersji podstawo−

wej wykorzystany będzie stabilizator 79L09,

a wspominane opcjonalne elementy nie będą

stosowane.

Rys. 3 Schemat ideowy wersji „ujemnej”

Rys. 4 Schemat ideowy wersji „dodatniej“

zadziałania bezpiecznika, co pozwoli unik−

nąć niepotrzebnego szukania przyczyny bra−

ku reakcji zasilanego układu. Dioda LED też

może pełnić funkcje sygnalizatora świetlne−

go, jednak jej główne zadanie jest inne. Nie−

zależnie od wartości napięcia zasilającego

układ, nie dopuszcza do niekontrolowanego

wzrostu napięcia na wejściu wzmacniacza

operacyjnego, co pozwala uniknąć trwałego

zatrzaśnięcia lub innych kłopotów, np. z tzw.

inwersją.

W układzie pracuje wzmacniacz operacyj−

ny TLC271 w trybie high bias , co uzyskuje

się dołączając nóżkę 8 do ujemnej szyny za−

silania. Właśnie ten tryb pracy jest w tym

wypadku optymalny, ale nie ze względu na

szerokie pasmo przenoszenia i dużą szybkość

zmian napięcia wyjściowego (slew rate), tyl−

ko z uwagi na korzystne parametry wejścia

i możliwość pełnej korekcji napięcia

Oznacza to, że układ będzie pracował pra−

widłowo przy napięciach zasilania wynoszą−

cych co najmniej 10V. Jeśli konieczna byłaby

praca przy napięciu niższym, obwód stabili−

zatora należy zasilać z oddzielnego źródła

napięciem większym niż 10V.

Kluczową rolę w układzie pełni wzmac−

niacz operacyjny U2, który porównuje napię−

cia na obu swych wejściach. Napięcie na wej−

ściu nieodwracającym pochodzi z suwaka po−

tencjometru PR1 i może być regulowane

w granicach mniej więcej 3,6mV...360mV (co

teoretycznie daje zakres regulacji „prądu za−

działania” w granicach 0,1A...10A). Napięcie

to jest porównywane z napięciem na rezystan−

cji otwartego MOSFET−a, które jest podawane

na wejście odwracające przez sieć rezystorów

R10, R9, R6. Rezystor R9 jest potrzebny,

Elektronika dla Wszystkich

Luty 2002

Montaż i uruchomienie

Wersję „ujemną” można zmontować na płytce

pokazanej na rysunku 5 . Montaż nie sprawi

trudności. Układ scalony należy włożyć do

podstawki na końcu, po zmontowaniu wszyst−

kich elementów. W układzie podstawowym

nie trzeba montować rezystorów R7, R8 i po−

tencjometru PR2. Są one potrzebne, jeśli uży−

ty egzemplarz wzmacniacza operacyjnego ma

znaczne napięcie niezrównoważenia, a układ

ma działać także przy małych prądach.

Wersję „dodatnią” można zmontować na

płytce pokazanej na rysunku 6. Elementy

R11, R12, R13 i U3 nie będą montowane.

W układzie podstawowym nie trzeba też

montować potencjometru PR2.

Układy zmontowane prawidłowo ze spraw−

nych elementów będą pracować od razu. Trze−

ba tylko za pomocą P1 ustawić pożądany prąd

zadziałania. W przypadku wersji „ujemnej

z tranzystorem BUZ11 zakres regulacji powi−

nien wynosić mniej więcej 0,1...10A. W wersji

„dodatniej” z tranzystorem IRF9540 zakres re−

gulacji wyniesie mniej więcej 30mA...3A.

Wartości te będą różne, zależnie od rezystancji

danego egzemplarza tranzystora i od napięcia

niezrównoważenia egzemplarza wzmacniacza

operacyjnego. Jeśliby okazało się, że nie moż−

na uzyskać małych prądów zadziałania nawet

w skrajnej pozycji suwaka PR1, należy wluto−

wać elementy do korekcji napięcia niezrówno−

ważenia (potencjometr PR2, R7, R8).

Jeśli bezpiecznik będzie pracował przy

dużych prądach, rzędu amperów, należy klu−

czowe obwody wykonać grubymi przewoda−

mi o przekroju co najmniej 1,5mm 2 , a moduł

bezpiecznika włączyć według rysunku 7 ,

a nie tak, jak pokazuje rysunek 2.

można znaleźć zależność R DSon od temperatu−

ry. Rysunek 8 pokazuje, że rezystancja ta

wzrasta mniej więcej dwukrotnie przy wzro−

ście temperatury do górnej dopuszczalnej gra−

nicy +150 o C.

Możliwości zmian

Jak podano, zakres regulacji prądu zadziała−

nia bezpiecznika można zmieniać za pomocą

PR1 w bardzo szerokich granicach, mniej

więcej stukrotnie. Dokładne wartości naj−

mniejszego i największego prądu zadziałania

zależą nie tylko od napięcia na suwaku po−

tencjometru, ale też od rezystancji otwartego

MOSFET−a. W układach modelowych wyko−

rzystano MOSFET−y mocy o bardzo małej

rezystancji R DSon , przez co zakres regulacji

sięga co najmniej kilku amperów. Kto chciał−

by zbudować bezpiecznik o mniejszych prą−

dach nominalnych, powinien po prostu zasto−

sować MOSFET−y o większej rezystancji

R DSon , nawet małe BS170 czy BS107.

Warto pamiętać, że generalnie rezystancja

w stanie otwarcia tranzystorów MOSFET

z kanałem P jest dwukrotnie większa, niż od−

powiadających im tranzystorów z kanałem

N. Przykładowo dla tranzystorów z kanałem

N maksymalna wartość R DSon w temperaturze

pokojowej wynosi:

BUZ10 − 0,07Ω

BUZ11 − 0,04

Rys. 8 Charakterystyka cieplna R DSon

Ω

BUZ11A − 0,055

Radiator dla MOSFET−a nie jest potrzeb−

ny jeśli moc strat przy temperaturze złącza

nie wyższej od +150 o C nie przekroczy 1W.

Przy tranzystorze BUZ11 oznacza to mozli−

wość pracy bez radiatora z prądami rzędu kil−

ku amperów. Aby jednak uniezależnić się od

omówionych zmian termicznych warto za−

stosować niewielki radiator.

Wartości elementów podane na schemacie

i w wykazie okażą się odpowiednie do wielu

zastosowań. Kto chciałby jednak wykonać

bezpiecznik o innej charakterystyce czaso−

wo−prądowej, może śmiało zmieniać warto−

ści kondensatorów C4 w szerokim zakresie

od zera do 1

IRF540 − 0,052Ω

IRF530 − 0,16Ω

BS170 − 5

F oraz C3 w zakresie

1nF...220nF. Wartość C3 powinna być pro−

porcjonalna do wartości C4 − przy maleńkiej

wartości C3 i wielokrotnie większej C4 czas

otwarcia T1 może okazać się za mały do roz−

ładowania C4. W razie wątpliwości trzeba to

sprawdzić za pomocą oscyloskopu.

Jeśli ktoś w wersji „dodatniej” zechce wy−

korzystać stabilizator U3 zamiast U1 powi−

nien dobrać wartość R11 w zależności od na−

pięcia zasilającego, by prąd płynący przez

kostkę TLC431 nie spadał poniżej 1mA.

Dla tranzystorów

z kanałem P:

IRF9540 − 0,117

BUZ271 − 0,15

BUZ171 − 0,3Ω

Podane wartości

dotyczą temperatu−

ry pokojowej. Przy

wzroście temperatu−

ry złącza rezystan−

cja zauważalnie ro−

śnie. W katalogach

Leszek Potocki

Wykaz elementów

R1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..24k

T2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..IIRF9540

U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..79L09

U2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TL081

U3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TLC431

S1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..mswiittch

Y1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..piiezo z generattorem

Wersja „ujemna”

R7,,R8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować

w ukłładziie podsttawowym

PR2 .. .. ..niie monttować w ukłładziie podsttawowym

Wersja „dodatnia”

PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować

w ukłładziie podsttawowym

R11,,R12,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować

w ukłładziie podsttawowym

U3 .. ..niie monttować w ukłładziie podsttawowym

R2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10

R3,,R6 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1M

R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k

R5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k

ΩΩ

R10,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k

Rys. 5 Schemat montażowy wersji „ujemnej“

Rys. 6 Schemat montażowy wersji „dodatniej“

ΩΩ

R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..*

R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2k

PR1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k

miiniiatturowy

C1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10

Rys. 7 Praca przy dużych prądach

F/50V

F/16V

C3,,C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF

D1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LED żółłtta

T1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..BC548

W skład zestawu AVT−2617 wchodzą płytki i elementy

dla wersji „ujemnej” i „dodatniej”.

Luty 2002

Elektronika dla Wszystkich

BS107 − 26

R9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10k

PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..22k

C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: