Меню

Ограничение переменного тока схема

Ограничители тока: определение, описание и схема устройства

В любой электрической цепи, где отсутствуют стабилизирующие и защитные схемы, может возникнуть нежелательное увеличение тока. Это бывает следствием природных явлений (разряд молнии возле линии электропередач) или результатом короткого замыкания (КЗ) или пусковых токов. Во избежание всех этих случаев правильным решением будет установка в сеть или локальную цепь устройства ограничения.

ограничители тока

Что такое токоограничитель?

Прибор, схема которого построена таким образом, что предотвращает возможность возрастания силы электричества выше заданных или допустимых пределов амплитуды, называется ограничителем тока. Наличие защиты сети при установленном в нем ограничителе тока дает возможность уменьшить требования к последней в плане динамической и термической устойчивости в случае закорачивания.

В высоковольтных линиях с величиной напряжения до 35 кВ ограничение КЗ добиваются путем применения электрических реакторов, в отдельных случаях – предохранителей плавких, созданных на основе мелкозернистых наполнителей. Также цепи, питаемые высоким и низким напряжением, защищают схемами, собранными на базе:

  • выключателей тиристорных;
  • реакторов нелинейного и линейного типа, с шунтированием переключателями полупроводниковыми оперативного срабатывания;
  • реакторами нелинейными с подмагничиванием.

Принцип действия ограничителя

Основной принцип, заложенный в схемы ограничения тока, лежит в том, чтобы погасить лишний ток на таком элементе, который может преобразовать его энергию в другой вид, например, тепловой. Наглядно это видно на работе ограничителя силы тока, где применен терморезистор или тиристор в качестве рассеивающего элемента.

Другой способ защиты, который тоже часто используется, заключается в отсекании нагрузки от линии, в которой произошел бросок электричества. Такого рода выключатели могут быть автоматическими, с возможностью самовосстановления после исчезновения угрозы, или требующими замены реагирующего защитного элемента, как в случае с плавким предохранителем.

как называется ограничитель тока

Наиболее совершенными считаются электронные схемы ограничителей, работающие по принципу закрытия канала прохождения электричества при его увеличении. Используют в этом случае специальные проходные элементы (например, транзисторы), управление которыми осуществляется за счет датчиков.

Современные комбинированные системы объединяют в себе функцию ограничителей тока при определенных перегрузках и защитную опцию с выключением нагрузки при токах короткого замыкания. Обычно такие системы работают в высоковольтных сетях.

Схема ограничителя тока

На примере простейшей схемы устройства для ограничения тока можно понять, как работает «электронный предохранитель». Схема собрана на двух биполярных транзисторах и позволяет регулировать силу электричества в низковольтных блоках питания.

ограничитель силы тока

Назначение компонентов схемы:

  • VT1 – транзистор проходной;
  • VT2 – усилитель сигнала управления проходного транзистора;
  • Rs – датчик уровня тока (резистор низкоомный);
  • R – резистор токоограничивающий.

Протекание в схеме тока допустимой величины сопровождается падением напряжения на Rs, значение которого после усиления на VT2 поддерживает проходной транзистор в полностью открытом состоянии. Как только сила электричества превысила пороговый предел, переход транзистора VT1 начинает прикрываться пропорционально увеличению электричества. Отличительной особенностью такого исполнения устройства являются большие потери (падение напряжения до 1,6 В) на датчике и проходном элементе, что нежелательно для питания низковольтных приборов.

ограничитель тока схема

Аналогом описанной выше схемы является более совершенная, где уменьшения падения напряжения на переходе добиваются путем замены проходного элемента с биполярного на полевой транзистор с малым сопротивлением перехода. На полевике потери составляют всего 0,1 В.

Ограничитель пускового тока

Оборудование такого типа предназначено для того, чтобы обеспечить защиту индуктивной и емкостной нагрузки (различной мощности) от скачков при запуске. Оно устанавливается в системах автоматизации. Больше всего таким токовым перегрузкам подвержены двигатели асинхронные, трансформаторы, светильники светодиодные. Следствием применения ограничителя тока нагрузки в этом случае является увеличение срока службы и надежности приборов, разгрузка электросетей.

ограничитель пускового тока

Примером современной модели однофазного токоограничителя может служить прибор РОПТ-20-1. Он универсален и содержит в себе одновременно ограничитель пускового тока и реле для контроля напряжения. Схема управляется микропроцессором, который в автоматическом режиме гасит пусковой бросок и может отключать нагрузку, если в сети возросло напряжение свыше допустимого уровня.

Прибор включают в разрыв линии питания и нагрузки, он работает следующим образом:

  1. При подаче напряжения включается микроконтроллер, который проверяет наличие фазного напряжения и его значение.
  2. Если неполадки не выявляются за время одного периода – подключается нагрузка, о которой сигнализирует светодиод «Сеть» зеленого цвета.
  3. Происходит отсчет 40 миллисекунд, и реле шунтирует гасящий резистор.
  4. При отклонении напряжения от нормы или его пропадании реле отсекает нагрузку, что сигнализирует светодиод «Авария» красного цвета.
  5. При восстановлении параметров сети (ток, напряжение) система возвращается в исходное состояние.

Ограничение тока генератора

В автомобильных генераторах важно контролировать не только величину выдаваемого напряжения, но и отдаваемый в нагрузку ток. Если превышение первого может привести к выходу из строя осветительного оборудования, тонких обмоток устройств, а также перезарядке аккумулятора, то второй – повредить обмотку самого генератора.

ограничитель тока нагрузки

Отдаваемый ток увеличивается тем больше, чем больше нагрузки подключается на выходе генератора (за счет уменьшения общего сопротивления). Для предотвращения этого применяют ограничитель силы тока электромагнитного типа. Принцип действия его основан на включении в цепь возбуждающей обмотки генератора дополнительного сопротивления в случае возрастания электричества.

Ограничение тока КЗ

Для защиты электростанций и больших заводов от ударных токов иногда применяют ограничители тока коммутационного типа (взрывного действия). Они состоят из:

  • разъединительного устройства;
  • плавкого предохранителя;
  • блока микросхем;
  • трансформатора.

Посредством контроля за величиной электричества логическая схема выдает сигнал на детонатор (по истечении 80 микросекунд) при возникновении КЗ. Последний взрывает шину внутри патрона, и ток перенаправляется на плавкий предохранитель.

Особенности разных токоограничителей

Каждый вид устройства по ограничению разрабатывается под конкретные задачи и обладает определенными свойствами:

  • плавкий предохранитель – обладает быстродействием, но требует замены;
  • реакторы – эффективно противостоят токам КЗ, но имеют значительные потери и падение напряжения на них;
  • электронные схемы и быстродействующие выключатели – имеют малые потери, но слабо защищают от ударных токов;
  • электромагнитные реле – состоят из подвижных контактов, которые со временем изнашиваются.

Поэтому выбирая, какую схему применить у себя, необходимо изучить весь ряд факторов, характерных для конкретной электрической цепи.

Заключение

Необходимо помнить, что доступ к электрическим сетям требует определенных знаний в электрике и опыта работы. Поэтому, устанавливая такое оборудование, важно соблюдать технику безопасности. Но лучше всего, конечно, доверить такую работу квалифицированному специалисту.

Источник



Простые электронные ограничители тока

Infineon IRF9540N

В. И. Иволгин, г. Тамбов

Любое электронное устройство имеет источник питания, за счет энергии которого оно выполняет свои функции. И неудивительно, что в печати значительное место отводится их описаниям, рекомендациям по конструированию, рассмотрению работы отдельных узлов, предложениям по их улучшению.

Следует отметить, что современные источники питания, как правило, обладают довольно низким выходным сопротивлением. И по этой причине в нештатных ситуациях, даже при низких напряжениях на их выходе, не исключены значительные токовые перегрузки, приводящие к повреждению источника или самого устройства. В связи с этим источники питания, как правило, снабжаются системами защиты. Они достаточно разнообразны, обладают большей или меньшей автономностью относительно конструкции самого источника.

Один из вариантов такого устройства, которое можно использовать в виде самостоятельного узла, предлагается в [1]. Его принцип действия основан на ограничении потребляемого тока, в качестве датчика которого применяется низкоомный резистор, включенный последовательно в один из проводов между источником питания и нагрузкой. Напряжение с датчика, пропорциональное потребляемому току, после усиления используется для управления проходным транзистором. Изменением в нужный момент режима его работы и выполняется непосредственная защита от перегрузки.

В указанной статье в качестве прототипа приводится хорошо известная структура на двух биполярных транзисторах (Рисунок 1). Основной недостаток устройства – значительное падение напряжения на нем, которое достигает максимального значения при предельном рабочем токе. По данным автора, оно составляет примерно 1.6 В, причем на проходном транзисторе VT1 падает около 1 В, а на токовом датчике Rs – остальные 0.6 В. В связи с чем автором предлагается другая схема, которая позволяет снизить падение напряжения на нем до 0.235 В при токе ограничения в 1.3 А. Это значение достаточно мало, правда достигается оно использованием более сложной схемы, содержащей около 20 элементов [1].

Рисунок 1. Принципиальная схема прототипа
ограничителя тока.

С другой стороны, эта конструкция, по сравнению с предложенной автором, привлекает своей простотой. И в связи с этим возникает вопрос: а можно ли, оставаясь в рамках такой простой структуры, добиться снижения падения напряжения на подобном предохранителе без ее заметного усложнения? И каким образом?

Как следует из приведенных числовых данных по прототипу, наибольшее падение напряжения приходится на проходной биполярный транзистор VT1. Анализ показывает, что при подобном включении добиться его насыщения, и тем самым достичь малых значений падения напряжения, невозможно без дополнительного источника питания. Но его введение только для этой цели было бы накладным. И хотя можно было бы, наверное, предложить и какие-то другие способы уменьшения этих потерь на VT1, будет рациональнее сразу произвести замену биполярного транзистора на полевой с низким значением сопротивления канала. Это позволит уменьшить как падение напряжения на регулирующем транзисторе, так и собственное потребление ограничителя за счет снижения токов управления. Кроме того, целесообразно изменить связи между транзисторами так, чтобы преобразовать ограничитель в систему двух усилительных каскадов, вместо лишь одного в исходной структуре. В конечном итоге принципиальная схема исследуемого ограничителя будет выглядеть уже так (Рисунок 2), которую можно рассматривать и как упрощенный вариант устройства, приведенного в [2].

Рисунок 2. Принципиальная схема преобразованного
ограничителя тока.

Проверка работоспособности предлагаемого ограничителя, а также выполнение измерений, проводились на макете, в котором использовались в качестве VT1 полевой транзистор IRF9540, установленный на радиаторе, VT2 – транзистор SS8550 с β ≈ 300, RS – резистор 1.2 Ом, R1 – 4.2 кОм, а нагрузкой являлся набор переменных проволочных резисторов необходимой мощности. Напряжение на входе ограничителя составляло 12 В. Результаты измерений приведены на Рисунке 3.

Испытание ограничителя коротким замыканием показало, что при выполнении этой манипуляции ток через проходной транзистор устанавливается на уровне 0.5 А при напряжении на токовом датчике 0.60 В. И, таким образом, подобный ограничитель тока вполне работоспособен. Можно также отметить его довольно высокое выходное сопротивление в режиме ограничения тока – при изменении напряжения на его выходе в интервале 0…11.3 В ток через нагрузку практически остается равным 0.5 А. Кроме того, в связи с известной зависимостью параметров транзисторов от температуры, была проконтролирована зависимость значения ограничения тока от нагрева VT2. Как оказалось, ее величина составила всего около –0.2% относительной погрешности на градус.

Из анализа графиков следует, что падение напряжения на проходном транзисторе этой конструкции уже достаточно мало и даже на краю токового диапазона не превышает 0.1 В. Можно так же отметить, что на графике зависимости падения напряжения на VT1 визуально можно выделить два интервала. На первом из них, при токах от 0 до 0.45 А, рост падения напряжения является его линейной функцией, что указывает на насыщение транзистора в этой части диапазона. И действительно, вычисленное по этим данным сопротивление канала транзистора составляет приблизительно 0.125 Ом, что практически совпадает с паспортными данными используемого транзистора VT1. При бóльших же токах, в интервале 0.45 – 0.5 А, происходит сначала медленный, а затем резкий нелинейный рост этой величины, связанный уже с включением механизма ограничения тока.

Таким образом, из приведенных выше данных следует, что общее падение напряжения на ограничителе заметно снизилось, и уже определяется в основном не падением напряжения на VT1, а напряжением датчика RS. Каким же образом можно уменьшить последнюю величину?

Ответ напрашивается сам собой – нужно уменьшить значение RS, как это и сделано в [1], а для компенсации снижения уровня сигнала датчика использовать дополнительный усилитель. Но с другой стороны, и в рассмотренной выше схеме (Рисунок 2) такой усилитель, выполненный на транзисторе VT2, уже есть. Тем не менее, его параметры не позволяют снизить падение напряжения RS до меньших значений, хотя он и обладает достаточно высоким коэффициентом усиления. В связи с этой проблемой рассмотрим подробнее особенности работы VT2 в роли предварительного усилителя сигнала с датчика тока.

Как следует из принципиальной схемы (Рисунок 2), ограничение тока через VT1 происходит за счет изменения напряжения на его затворе, возникающего при изменении коллекторного тока транзистора VT2. Управление же его режимом осуществляется напряжением с резистора датчика тока RS. И, как следует из данных последних измерений (Рисунок 3), выход устройства на полное ограничение тока происходит только при напряжениях около 0.6 В на его базе относительно эмиттера. Этим обстоятельством и определяется величина сопротивления резистора RS.

Но характерно, что часть напряжения на датчике в диапазоне от 0 до 0.55 В можно считать «лишней», поскольку в этом интервале VT2 практически не «чувствует» его, а по настоящему «рабочим» для него будет только интервал 0.55 — 0.6 В. Сдвинув же нижнюю границу чувствительности усилителя, визуально составляющую 0.55 В, к нулю, можно будет решить проблему снижения значения RS.

Технически этого результата можно достичь, например, вводом в цепь между базой VT2 и правым выводом RS отдельного вспомогательного источника напряжением 0.55 В. Но удобнее сформировать его применением делителя из двух резисторов, включенных между общим проводом и эмиттером транзистора VT1 (резисторы R2, R3, Рисунок 4). И его параметры должны обеспечивать падение напряжения на R2, равное 0.55 В. Для меньшей зависимости этой величины от входного тока транзистора ток этого делителя желательно выдерживать в пределах 0.5 — 1 мА. При этих условиях уже незначительное напряжение на RS переведет транзистор VT2 в активный режим начала ограничения, а полное ограничение тока произойдет при падения напряжения на RS всего лишь немногим более 0.05 В. Понятно, что изменением этих резисторов можно будет изменять порог ограничения тока. И это будет удобнее, чем подбирать величину RS.

Рисунок 4. Принципиальная схема ограничителя
тока со сниженным падением напряжения
на резистивном датчике.

Новая редакция принципиальной схемы ограничителя, уже с учетом изложенных соображений, представлена на Рисунке 4. Его макет для испытаний был выполнен с сохранением деталей устройства предыдущей версии с изменением сопротивления RS на 0.2 Ом, а установленные дополнительные резисторы R2 и R3 имеют значения, соответственно, 680 Ом и 15 кОм. Условия проведения испытаний и измерений сохранены теми же, что и ранее.

Основные результаты испытаний, как следует из представленных графиков (Рисунок 5), сводятся к следующему. Как и ранее, ток короткого замыкания устройства составляет 0.5 А. Точнее, реально при указанных значениях резисторов R2, R3, он составил 0.48 А, но это значение было скорректировано включением последовательно с R3 дополнительного переменного резистора. Что касается максимального значения падения напряжения на датчике RS, то оно упало пропорционально уменьшению величины установленного RS и составило всего около 0.1 В. График падения напряжения на регулирующем транзисторе, по сравнению с аналогичным параметром предыдущей схемы, в общем, сохранил свои черты, хотя и несколько изменился. Так, например, следует обратить внимание на то, что в этот раз область резко нелинейного роста падения напряжения на проходном транзисторе сместилась в диапазон 0.4 — 0.5 А, а в остальной – растет практически линейно. Из этого следует, что определенный резерв по снижению падения напряжения на датчике тока RS еще есть.

Рисунок 5. Зависимость падения напряжения на RS и
проходном транзисторе VT1.

Как уже отмечалось, незначительная коррекция тока ограничения в этой конструкции была проведена изменением сопротивления R3, но когда требуется его значительное изменение, удобнее пользоваться R2. При расчете его величины целесообразно предварительно задаться величиной максимального падения напряжения VSM на датчике тока RS в режиме ограничения. В принципе, это значение может быть любым из интервала от 0 до 0.6 В. Но нужно иметь в виду, что с его уменьшением ухудшается температурная стабильность предложенного решения. Так при VSM = 0.6 В температурный коэффициент зависимости изменения предела ограничения тока в области комнатных температур не превышает значения 0.2% на градус, а при VSM = 0.1 В этот показатель возрастает уже до 1.5% . Эта величина в ряде случаев может оказаться еще приемлемой, и ее условно можно принять за нижнюю границу интервала допустимых значений VSM, верхняя же будет обусловлена максимальным падением напряжения на базе транзистора VT2 в режиме ограничения тока. Если для расчета выбрать VSM равным 0.15 В, то из этого условия при заданном токе ограничения IM, например, 1.5 А, определится величина

Далее, допустив, что в режиме ограничения сумма падений напряжения на RS и R2 будет равняться 0.6 В, как это следует из результатов предшествующих измерений (Рисунок 3), получим уравнение:

из которого следует, что

При VВХ = 12 В и R3 = 15 кОм получаем, что R2 = 0.58 кОм.

При необходимости этим резистором, если его заменить на переменный, можно будет оперативно менять ток ограничения в значительных пределах, что, правда, будет сопровождаться изменением величины максимального падения напряжения VSM и соответствующего ему изменения температурного коэффициента нестабильности.

Подводя итог обсуждению вопроса о конструкции простого ограничителя тока (Рисунок 4), можно сделать вывод о том, что изменения, внесенные в структуру прототипа (Рисунок 1), в конечном итоге, позволили снизить потери напряжения на нем до десятых долей вольта. Следует также добавить, что его работа выборочно была проверена и в других режимах, не отраженных в статье. В частности, при токах ограничения в диапазоне от 10 мА до 5 А и входных напряжениях 7, 12 и 20 В. Для адаптации к этим условиям изменялись лишь значения RS ( 0.05, 0.2 и 1.2 Ом), а для задания тока ограничения в качестве R2 использовался переменный резистор на 1 кОм, сопротивление которого устанавливалось в соответствии с расчетом по (2). Все остальные элементы, включая и транзисторы, оставались прежними.

Источник

6. Электронные предохранители и ограничители постоянного и переменного тока

Ощутимым недостатком плавких предохранителей является их одноразовость, необходимость последующей ручной замены на другой предохранитель, рассчитанный на тот же ток защиты. Зачастую, когда под рукой нет подходящего, используют предохранители на другой ток или более того, ставят самодельные (суррогатные) предохранители или просто массивные перемычки, что крайне негативно отражается на надежности работы аппаратуры и небезопасно в пожарном отношении.
Обеспечить автоматическую многоразовую защиту устройства и одновременно повысить ее быстродействие можно за счет использования электронных предохранителей. Эти устройства можно подразделить на два основных класса: первые из них самовосстанавливают цепь питания после устранения причин аварии, вторые — только после вмешательства человека. Известны также устройства с пассивной защитой — при аварийном режиме они только индицируют световым или звуковым сигналом о наличии опасной ситуации.
Для защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току обычно используют резистивные или полупроводниковые датчики тока, включенные последовательно в цепь нагрузки. Как только падение напряжения на датчике тока превысит заданный уровень, срабатывает защитное устройство, отключающее нагрузку от источника питания. Преимуществом такого способа защиты является то, что величину тока срабатывания защиты можно легко изменять. Чаще всего этого достигают с помощью датчика тока.
Другим эффективным методом защиты нагрузки является ограничение величины предельного тока через нее. Даже при наличии в цепи нагрузки короткого замыкания ток ни при каких обстоятельствах не сможет превысить заданный уровень и повредить нагрузку. Для ограничения предельного тока нагрузки используют генераторы стабильного тока.
Схемы простой автоматической защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току представлены на рис. 5.1 и 5.2 [5.1]. Работа устройств такого типа (стабилизатор тока на основе полевого транзистора) подробно рассматривалась ранее в главе 5 (книга 2). Ток нагрузки при использовании такого ограничителя не сможет превысить начального тока стока полевого транзистора. Величину этого тока можно задавать подбором типа транзистора, например, для приведенного на схеме транзистора типа КП302В максимальный ток через нагрузку не превысит значения 30. 50 мА. Увеличить значение этого тока можно параллельным включением нескольких транзисторов.

Читайте также:  Схемы регулировки тока для сварочных трансформаторов

Рис. 5.1. Ограничение предельного тока нагрузки при помощи полевого транзистора


Рис. 5.2. Транзисторный ограничитель предельного тока через нагрузку

В ограничителе тока нагрузки (рис. 5.2) работают обычные биполярные транзисторы с коэффициентом передачи по току не менее 80. 100. Входное напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. Транзистор работает в режиме насыщения, поэтому большая часть входного напряжения поступает на выход источника питания. При токе меньше порогового транзистор VT2 закрыт, и светодиод HL1 не горит. Резистор R3 выполняет роль датчика тока. Как только падение напряжения на нем превысит порог открывания транзистора VT2, он
откроется, включится светодиод HL1, а транзистор VT1, напротив, начнет закрываться, и ток через нагрузку ограничится.
При указанных на схеме номиналах элементов ток короткого замыкания равен (0,7 В)/(3,6 Ом)=0,2. 0,23 А.


Рис. 5.3. Схема электронного предохранителя на полевом транзисторе VT1


Рис. 5.4. Вариант электронного предохранителя на полевом транзисторе

Электронные предохранители [5.2] можно выполнить с использованием мощного полевого транзистора VT1 в качестве ключа (рис. 5.3 и 5.4). Ток срабатывания защиты определяется соотношением резистивных элементов и зависит, в первую очередь, от величины сопротивления датчика тока, включенного последовательно с полевым транзистором.
После срабатывания защиты для повторного подключения нагрузки необходимо нажать кнопку SA1.
Стаиилизатор (рис. 5.5) позволяет получить на выходе регулируемое в пределах от 0 до 17 Б стабильное напряжение [5.3]. Для защиты стабилизатора от короткого замыкания и превышения тока в нагрузке использован тиристор VS1 с датчиком тока на резисторе R2. При увеличении тока в нагрузке включается тиристор, шунтируя цепь управления транзистора VT1, после чего напряжение на выходе падает до нуля. Светодиод HL1 индицирует факт срабатывания защиты. Для повторного запуска стабилизатора после устранения причин перегрузки следует нажать кнопку SB1 и разблокировать тиристор.


Рис. 5.5. Схема стабилизатора напряжения с защитой

Ток защиты в зависимости от величины сопротивления датика тока — резистора R2 — может быть установлен от 20.. .30 мА о 1. 2 А. Например, при R2=36 Ом ток срабатывания — 30 мА; ри R2=4 Ом — 0,5 А.
В качестве транзистора VT1 можно использовать КТ815, Т801, КТ807 и др., VT2 — П702, КТ802 — КТ805 (с радиатором).
Схема источника питания со звуковым сигнализатором пре->!шения потребляемого тока [5.4] показана на рис. 5.6. Выпря-итель на диодах VD1 — VD4 питается от трансформатора, оричная обмотка которого рассчитана на напряжение 18 6 при же нагрузки не менее 1 А. Регулируемый стабилизатор напря-эния выполнен на транзисторах VT2 — VT5 по известной схеме, этенциометром R7 на выходе стабилизатора может быть уставлено напряжение от 0 до +15 В.
Сигнализатор, обозначенный на схеме устройства как ЗГ (звуковой генератор), представляет собой генератор звуковой частоты с подключенным к нему акустическим излучателем, например, динамической головкой. Для управления работой звукового генератора использован ключ на транзисторе VT1.

Рис. 5.6. Схема стабилизатора напряжения со звуковой индикацией перегрузки

При работе стабилизатора ток нагрузки проходит через датчик тока R1, создавая на нем падение напряжения. Пока ток небольшой (при указанной на схеме величине этого резистора не более 0,3 А), транзистор VT1 закрыт. По мере роста тока потребления и, соответственно, увеличения напряжения на резисторе, транзистор приближается к порогу открывания. Когда напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 достигнет 0,7 В, он открывается и при дальнейшем росте тока переходит в состояние насыщения. При открывании транзистора выпрямленное напряжение поступает на акустический сигнализатор и приводит его в действие.
Звуковой сигнализатор перегрузки на транзисторе VT1 может быть встроен в любой другой источник питания.
Электронный предохранитель для цепей постоянного тока и, одновременно, стабилизатор напряжения [5.5] может быть выполнен по схеме, показанной на рис. 5.7. На первых двух транзисторах (VT1 и VT2) собран стабилизатор напряжения по традиционной схеме, однако параллельно стабилитрону VD1
цключен релейный каскад на транзисторах VT3 — VT5 с дат-сом тока на резисторе Rx. При увеличении сверх заданной эмы тока в нагрузке этот каскад сработает и зашунтирует ста-питрон. Напряжение на выходе стабилизатора упадет до не-(чительной величины.


5.7. Схема электронного предохранителя — стабилизатора напряжения постоянного тока

Для разблокировки схемы защиты достаточно кратковре—ю нажать кнопку SB1.
Использование автоматических выключателей нагрузки по-!яет предотвратить разряд элементов питания или защитить чник питания от перегрузки. Выполнять функции таймера и матически отключать нагрузку при коротком замыкании по-яет устройство по схеме на рис. 5.8 [5.6].
Автовыключатель нагрузки работает следующим образом, кратковременном нажатии кнопки SB1 конденсатор С1 заря-ся от источника питания через резистор R1. Одновременно атывает ключ (ключи) /ШО/7-коммутатора (DA1), обеспе-я тем самым включение мощного транзистора VT1. Если ключатель SA1 разомкнут, устройство работает по схеме ера. Конденсатор С1 разряжается через цепочку включен-1араллельно ему резисторов R3 и R2. Когда конденсатор С1 чдится, устройство самостоятельно отключится от источника Таблица 5.1. Сопротивление резистора R1 при различном напряжении батареи

Напряжение батареи, В Сопротивление резистора, кОм
6,0 1,6
7,2 2,7
8,4 3,9
4,7
10,8 6,2
12,0 7,5

Данное устройство может давать ложные срабатывания, если к источнику питания подключают слишком мощную нагрузку, при которой напряжение батареи мгновенно «подсаживается». В этом случае отключение нагрузки еще не говорит о том, что элемент (элементы) батареи аккумуляторов разрядился до нижней допустимой границы. Повысить помехозащищенность
/стройства позволит подключение конденсаторов параллельно $ходам компаратора.
Зарядные устройства (ЗУ) обычно снабжены электронной ощитой от короткого замыкания на выходе [5.8]. Однако еще !стречаются простые ЗУ, состоящие из понижающего транс-рорматора и выпрямителя. В этом случае можно применить неложную электромеханическую защиту с использованием реле 1ли автоматических выключателей многократного действия (на-|ример, автоматические предохранители или АВМ в квартирных >лектросчетчиках) [5.8]. Быстродействие релейной защиты со-тавляет примерно 0,1 сек, а с использованием ABM — 1. 3 сек.
Когда аккумулятор (или аккумуляторная батарея) соединен выходом устройства, реле К1 срабатывает и своими контактами 11.1 подключает ЗУ (рис. 5.10).


Рис. 5.10. Схема устройства защиты для зарядных устройств

При коротком замыкании выходное напряжение резко уменьится, обмотка реле будет обесточена, что приведет к размыка-ию контактов и отключению аккумулятора от ЗУ. Повторное ключение после устранения неисправности осуществляется кноп-эй SB1. Конденсатор С1, заряженный до выходного напряжения эшрямителя, подключается к обмотке реле. Резистор R1 огранивает импульс тока при ошибочном включении, когда короткое тыкание на выходе еще не устранено.
Резистор R2 ограничивает ток короткого замыкания. Его ожно не устанавливать, если диоды имеют запас по току. Сле-/ет помнить, что в этом случае выходное напряжение ЗУ долж-з быть больше на значение падения напряжения на резисторе 2 при номинальном зарядном токе. АВМ защищает при пере->узках по току, чего релейная защита выполнить не может.
Автоматический предохранитель (или выключатель) подключают последовательно с контактами реле. Сопротивление АВМ — около 0,4 Ом. В этом случае резистор R2 можно не включать.
Для ЗУ автомобильных аккумуляторных батарей необходимо выбрать реле на номинальное напряжение 12 Б с допустимым током через контакты не менее 20 А. Этим условиям удовлетворяет реле РЭН-34 ХП4.500.030-01, контакты которого следует включить параллельно. Для ЗУ с номинальным током до 1 А можно применить реле РЭС-22 РФ4.523.023-05.
Тиристорно-транзисторная схема защиты источника питания от короткого замыкания [5.9] показана на рис. 5.11. Схема работает следующим образом. При номинальном режиме тиристор отключен, транзисторы устройства, включенные по схеме Дарлингтона, находятся в состоянии насыщения, падение напряжения на них минимально (обычно единицы вольт). При возникновении короткого замыкания в нагрузке начинает протекать ток через управляющий переход тиристора VS1, происходит его включение. Открытый тиристор шунтирует цепь управления составного транзистора, ток через который снижается до минимума.


Рис. 5.11. Схема защиты источника питания от короткого замыкания

Светодиод HL1 индицирует наличие короткого замыкания в нагрузке.
Схема рассчитана на работу при больших токах, поэтому на самой схеме защиты падает довольно значительная часть напряжения питания и рассеивается, соответственно, большая мощность.
Устройство, описанное ниже, одновременно может выпол-ять роль стабилизатора постоянного и переменного тока боль-юй величины, защищать цепь нагрузки от короткого замыкания, ыполнять роль регулируемой активной нагрузки с предельной ощностью рассеяния сотни бг[5.10, 5.11].
Основой стабилизатора тока является токостабилизирую-(ий двухполюсник, схема которого приведена на рис. 5.12. Он эедставляет собой модифицированный источник тока, описанный работе [5.12]. Ток через канал полевого транзистора VT1 опреде-чется, преимущественно, напряжением U1 (рис. 5.12) и может эггь вычислен из выражения: I=U1/RM. Напряжение U1 является 1стыо напряжения +Е, приложенного к двухполюснику, а посколь-/ резистивный делитель R1/R2 обеспечивает прямо пропорцио-1льную зависимость между величинами U1 и +Е, то такое же ютношение будет наблюдаться между током I и напряжением +Е.

Читайте также:  Диод выпрямительный максимально допустимый постоянный прямой ток а


Рис. 5.12. Токостабилизирующий двухполюсник на основе дифференциального усилителя и полевого транзистора

Эквивалентное сопротивление двухполюсника можно пред-авить как: R3=E/l=ExRM/U1. В свою очередь U1=E*RM/(R1+R2).
Отсюда R3=RM+(R1XRM/R2) или R3=R|/,’

Источник

Ограничитель тока в электрических и электронных сетях

Понятие ограничитель тока

Ограничитель тока (ОТ) — устройство, которое применяется в электрических или электронных схемах для снижения верхнего предела постоянного (DC) или переменного (АС) тока, поступающего к нагрузке. Этим обеспечивается своевременная надёжная защита схем генерации или электронных систем от вредных воздействий из-за короткого замыкания в сети или других негативных процессов, приводящих к резкому росту АС/DC.

  • Типы ограничивающих устройств
  • Ограничитель тока нагрузки в электросетях
  • Применение токозащиты в электронных схемах
  • Типы токоограничивающих диодов
  • Схема ограничения постоянного тока
  • Ограничитель с обратной связью
  • Области применения токоограничивающих диодов

Методы ограничения используются для контроля количества тока, протекающего в постоянной или переменной цепи. Устройство гарантирует, что в случае превышения его граничного размера защита надёжно и своевременно сработает. Токоограничивающие устройства могут применяться в различных модификациях в зависимости от чувствительности, нормативной токовой нагрузки, времени отклика и возможных причин возникновения короткого замыкания в сети.

Избыточный АС/DC может возникать во внутренней цепи из-за короткозамкнутых компонентов, таких как диоды, транзисторы, конденсаторы или трансформаторы, а также проблем внешнего характера при перегрузке сетевых объектов, в замыкающей цепи или перенапряжение на входных клеммах питания.

Типы ограничивающих устройств

Выбор защитных устройств зависит от нескольких факторов. Приборы бывают пассивные и активные, могут использоваться индивидуально или в виде комбинации. Обычно ограничитель соединяют последовательно с нагрузкой.

Виды ограничивающих устройств:

Схема тока

  1. Предохранители и резисторы. Они используются для простого ограничения тока. Предохранитель обычно срабатывает, если его АС/DC превышает номинальный размер. Резисторы интегрированы в конструкцию схемы. Правильное значение сопротивления можно рассчитать и с использованием закона Ома I = V / R (где I — ток, V — напряжение и R — сопротивление). На рынке электротоваров имеется большое количество различных предохранителей, которые могут удовлетворить любые потребности для рассеивания мощности.
  2. Автоматические выключатели. Они используются для отключения питания, как и предохранитель, но их реакция медленнее и может не срабатывать для особо чувствительных цепей дорогостоящего оборудования.
  3. Термисторы. Термисторы отрицательных температурных коэффициентов (NTC) используются для ограничения начальных импульсных токов, которые протекают, когда устройство подключено к электросети. Термисторы имеют значительное сопротивление в холодном состоянии и низкое сопротивление при значительных температурах. NTC ограничивает пусковой ток мгновенно.
  4. Транзисторы и диоды. Регулируемые блоки питания используют схемы ограничения, такие как интегральные схемы, транзисторы и диоды. Активные схемы подходят для чувствительных сетей и срабатывают, уменьшая нагрузку или выключают питание, на повреждённую короткозамкнутую цепь или на всю сеть.
  5. Токоограничивающие диоды используются для ограничения или регулировки в широком диапазоне напряжений. Двухконтактное устройство ОТ состоит из затвора, закороченного на источник. Он поддерживает DC независимо от изменений напряжения.

Ограничитель тока нагрузки в электросетях

Ограничитель тока в электросети

Системы распределения энергии имеют автоматические выключатели для выключения питания в случае неисправности. Они имеют определённые недостатки в обеспечении необходимой надёжности, так как не всегда могут отключать минимально необходимый аварийный участок сети для ремонта. Проблема возникает при реконструкции электроснабжения путём добавления новой мощности или перекрёстных соединений, которые должны иметь свои шины и выключатели, модернизированные для более высоких пределов тока короткого замыкания (ТКЗ).

Улучшение качества электроэнергии в сетях напрямую зависит от надёжности режима работы сетевого оборудования. Среди различных типов помех, влияющих на качество напряжения в сети (скачки, искажения гармоник и т. д. ), наиболее серьёзным препятствием являются падения напряжения, так как связанные с ним скачки фазового угла могут привести к поломке оборудования, к полной остановке производства, объектов ЖКХ, что со скоростью цепной реакции создаст угрозу жизнеобеспечения населения.

Общей причиной падения напряжения является ток короткого замыкания. При возникновении неисправности в распределительной сети на всех повреждённых шинах резко падает напряжение. Уровень зависит от точки подключения и электрического расстояния шины до места аварии.

Для снижения негативных процессов и отключения неисправных участков сети применяются следующие ограничители:

Снижение нагрузки

  • Распределительный статический компенсатор;
  • рекуператор динамического напряжения;
  • конденсатор с контролируемым тиристором;
  • полупроводниковый коммутатор статического переноса;
  • твердотельный ограничитель тока неисправности.

Такие защитные устройства не всегда совершенны. Некоторые из них имеют недостаток из-за высокой стоимости, а другие могут ограничить ток повреждения менее чем в 5 раз от нормального тока, что недостаточно при перегрузках.

Точки применения токовых ограничителей в электросиловом оборудовании:

  • До места срабатывания головного выключателя на аварийном фидере нагрузок потребителей с недопустимостью перерывов в электроснабжении;
  • на оборудовании, рабочие характеристики которого перестают соответствовать предельному току короткого замыкания, возросшему в связи с аварийной ситуацией в системах электроснабжения.

Простым решением ОТ в электросетевом оборудовании является добавление сопротивления в схему. Это ограничивает скорость, с которой может увеличиваться ТКЗ до того, как выключатель разомкнут, но также ограничивает способность схемы удовлетворять быстроменяющийся потребительский спрос, поэтому добавление или удаление больших нагрузок вызывает нестабильную мощность.

Применение токозащиты в электронных схемах

Пусковой ток возникает в момент подачи выключателем напряжения. Это происходит потому, что разница эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и сопротивление линии составляет всего несколько милидолей и приводит к большому пусковому току. Четыре фактора, которые могут влиять на этот процесс:

Как снизить нагрузку

  1. Значение входного переменного тока.
  2. Минимальное сопротивление, требуемое термистором NTC (при t = 0).
  3. Постоянный DC.
  4. Температура окружающей среды.

Ограничитель тока представляет собой устройство или группу устройств, используемых для защиты элементов схемы от пусковой нагрузки. Термисторы и резисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) — это 2 простых варианта защиты. Их основными недостатками являются длительное время охлаждения и большая рассеиваемая мощность. Токоограничивающий диод регулирует или ограничивает ток в широком диапазоне. Они состоят из JFET с затвором, закороченным на источник и функционирующим как двухконтактный ограничитель тока.

Они позволяют проходящему через них току подниматься до определённого значения и сравниться с заданной величиной. В отличие от диодов Зенера, они сохраняют постоянный ток, а не напряжение. Токоограничивающие диоды удерживают ток, протекающий через них, неизменным при любом изменении нагрузки.

Типы токоограничивающих диодов

Существует множество различных типов токоограничивающих диодов, классифицирующихся по:

  • номинальному току регулятора;
  • максимальному предельному напряжению;
  • рабочему напряжению;
  • потребляемой мощности.

Наиболее распространёнными значениями максимального используемого напряжения являются 1, 7 В, 2, 8 В, 3, 1 В, 3, 5 В и 3, 7 В и 4, 5 В. Номинальный ток регулятора может иметь диапазон от 0,31 мА до 10 мА, причём обычно используемый ток регулятора составляет 10 мА .

Схема ограничения постоянного тока

Ограничение тока

Большинство источников питания имеют отдельные контуры регулирования DC и напряжения для регулирования своих выходов либо в режиме постоянного напряжения (CV), либо в режиме постоянного тока (CC), которые включаются в управление зависимо от того, как сопротивление нагрузки соответствует выходному напряжению и текущим настройкам.

Таким образом, защита выполняется в основном путём ограничения токового значения. При этом можно применять простую схему для ограничителя источника с использованием двух диодов и резистора. В любом источнике питания всегда существует риск того, что на выходе произойдёт короткое замыкание. Соответственно, в этих условиях необходимо защитить его от повреждений. Существует ряд схем, которые можно применить для предохранения электропитания.

Одна из простейших схем включает в себя только два диода и дополнительный резистор. Схема использует резистор для измерения помех, размещённый последовательно с выходным транзистором. Два диода, расположенные между выходом схемы и базой транзистора, обеспечивают защиту. Когда цепь работает в нормальном рабочем диапазоне, на резисторе имеется небольшое напряжение. Это напряжение плюс базовое излучательное транзистора гораздо меньше, чем падение диодного перехода, необходимого для включения двух диодов. Однако по мере увеличения DC растёт напряжение на резисторе. Когда оно равно напряжению, необходимому для работы, они включаются, напряжение транзистора падает, тем самым ограничивая ток.

Цепь этого диодного ограничителя тока для источника питания проста. Значение последовательного резистора может быть рассчитано таким образом, чтобы напряжение на нём возрастало до 0, 6 вольта (напряжение включения для кремниевого диода) при достижении максимального тока. Однако всегда лучше убедиться, что есть некоторый запас защиты, и лучше ограничить его до достижения необходимого уровня.

Ограничитель с обратной связью

Ограничитель постоянного тока

Такая же простая диодная форма ограничения тока может быть включена в цепи питания, которые используют обратную связь для определения фактического выходного напряжения и обеспечивают более точно регулируемый выход. Если точка измерения выходного напряжения принимается после последовательного токового резистора, то падение напряжения может быть исправлено на выходе.

Эта схема обеспечивает гораздо лучшее регулирование, чем регулятор прямого эмиттера, также может учитывать падение напряжения в резисторе с токовым пределом, если имеется достаточное падение напряжения на транзисторе в цепи источника питания. Выходное напряжение можно также отрегулировать, чтобы получить требуемое значение с помощью переменного резистора. Диодная форма ограничения тока может быть легко интегрирована в схему питания. Кроме того, это дешёво и удобно.

Области применения токоограничивающих диодов

Токоограничивающие диоды обеспечивают высокую производительность и простоту эксплуатации по сравнению с биполярными транзисторами в системах защиты. Они универсальны, имеют превосходную производительность в отношении динамического температурного дрейфа. Устройств, использующих диоды:

Стабилизатор тока.

  • схемы генератора сигналов;
  • схемы синхронизации;
  • зарядные устройства;
  • управления светодиодами;
  • замены удерживающих катушек в устройствах телефонной связи.

Токовые ограничивающие диоды выпускаются многими мировыми производителями полупроводников, такими как Calogic, Central Semiconductor, Diodes Inc., O. N. Semiconductor или Zetex. Рынок электроники имеет очень широкий выбор диодов, используемых диодных цепей или любых других устройств, которым может потребоваться ограничение предельного токового значения.

Фотография Андрея Алексеевича

Порошин Андрей

Источник