Poniższy artykuł opisuje schemat, zasadę działania i budowę prostego zabezpieczenia przeciwzwarciowego, które zaprojektowane zostało pod kątem aplikacji w zasilaczu warsztatowym. Układ zaprojektowany został tak, aby móc zastosować go w dowolnym projekcie zasilacza. Konieczne jest przeprowadzenie pewnych obliczeń, aby dostosować układ do swojego zasilacza, ale wszystko opisane jest poniżej.
Schemat i zasada działania
Zasada działania układu jest bardzo prosta
Opornik o bardzo niewielkiej rezystancji (którą obliczymy później) podłączany jest szeregowo z wyjściem zasilacza. Gdy przez rezystor płynie prąd odkłada się na nim niewielkie napięcie. Ten spadek napięcia wykorzystać można do pomiaru prądu i w konsekwencji do detekcji zwarcia wyjścia zasilacza.
Sercem układu jest wzmacniacz operacyjny (op-amp) pracujący jako komparator. Zasada jego pracy jest bardzo prosta. Jeśli napięcie na wejściu nieodwracającym jest większe niż na wejściu odwracającym, wyjście jest w stanie 'wysokim'. Jeżeli napięcie na wejściu nieodwracającym jest mniejsze niż na wejściu odwracającym wtedy z kolei wyjście jest w stanie 'niskim'.
Stan wysoki i niski są w cudzysłowach nie bez powodu - nie ma to nic wspólnego z stanami logicznymi w układach cyfrowych. Gdy op-amp jest w stanie 'wysokim' jego wyjście jest nasycone i zaobserwujemy na nim napięcie w przybliżeniu równe napięciu zasilającemu dodatniemu. Jeśli zasilamy układ 12 V to w stanie wysokim na wyjściu będzie ok 12 V. Z kolei op-amp w stanie niskim na wyjściu będzie miał napięcie zbliżone do ujemnego napięci zasilającego, lub masy, zależnie czy nasz wzmacniacz zasilany jest napięciem symetrycznym czy asymetrycznym
W przypadku wykorzystania op-ampa jako komparatora zazwyczaj mamy do czynienia z dwoma sygnałami wejściowymi - sygnałem mierzonym i referencyjnym. Sygnałem, jaki będziemy mierzyć jest spadek napięcia na oporniku w czasie gdy płynie przezeń prąd. Jako że spadek napięcia na tym oporniku zasadniczo zbyt mały, aby podłączyć go do komparatora musimy wzmocnić to napięcie. Jest to szczególnie istotne, z uwagi na to, że większość op-ampów nie jest zbyt precyzyjna przy porównaniu niewielkich napięć, rzędu 0,5 V i niżej. Zatem pierwszym stopniem toru sygnałowego w układzie jest wzmacniacz. Wystarczy wzmocnić napięcie 3..4 razy.
Wzmocnienie op-ampa av wylicza się, w tej konfiguracji, jako av = (RF/R1)+1. W naszym przypadku otrzymamy wzmocnienie 3,7 jeśli zastosujemy oporniki RF i R1 o rezystancji odpowiednio 2700 ? i 1000 ?.
Trzecim, ostatnim stopniem układu jest samo zabezpieczenie. Jest to przekaźnik, który można podłączyć bezpośrednio do wyjścia komparatora, jeśli mamy do czynienia z niewielkim prądem (do 2 A) i małym przekaźnikiem. Można zastosować też inny system odłączania zasilania.
Tranzystor PNP w układzie w stopniu 3 będzie utrzymywał rozłączony przekaźnik po zwarciu do momentu manualnego resetu przyciskiem. Dlaczego tranzystor, a nie przekaźnik? ponieważ ten drugi jest zbyt wolny do tego zastosowania. W momencie gdy przekaźnik odcina wyjście zasilacza przez bazę tranzystora NPN nie będzie płynął prąd, więc nie popłynie on też przez uzwojenie przekaźnika. W tym czasie przekaźnik nie zdążyłby się zamknąć. Konstrukcja oparta o dwa przekaźniki w takiej sytuacji co rusz załączała i odłączała zasilanie od układu do czasu usunięcie zwarcia. Można by dodać dop systemu kondensator podtrzymujący przekaźnik odłączający zasilanie, jednakże nie jest to rozwiązanie w pełni niezawodne.
Aby rozbroić uruchomiony zwarciem układ wystarczy nacisnąć przycisk. Rozwiera on wtedy obwód, co powoduje odłączenie bazy tranzystora NPN od reszty układu i resetuje zabezpieczenie, przywracając napięcie wyjściowe.
Kondensator 1 ?F przy basie tranzystora NPN zapewnia pewną zwłokę w działaniu układu, co powoduje że impulsowy, chwilowy pobór dużego prądu przez układ nie wywoła detekcji zwarcia.
Zasilać układ można napięciem od 9 V do 15 V. Trzeba jednakże zachować ostrożność podczas doboru napięć pracy kondensatorów elektronicznych i przekaźnika w układzie. Oczywiście nie można układu zasilać z ochranianego zasilacza - trzeba podłączyć go krok wcześniej, może z wykorystaniem dedykowanego stabilizatora, np. 7812.
Dobór opornika szeregowego
Dobór opornika szeregowego jest jedną z najbardziej istotnych rzeczy w tym układzie. Jest on podłączony szeregowo do wyjścia zasilacza, tak że prąd płynący z zasilacza powoduje powstanie niewielkiego spadku napięcia na wyjściu. Chcemy aby spadek ten był niewielki, nie większy niż 0,5..0,7 V w momencie gdy zasilacz jest przeciążony. Musimy znać prąd przeciążenia, to jest taki, przy którym nasz zasilacz ma się wyłączyć. Rezystancję opornika wyznaczyć można z prawa Ohma - R = U/I.
Najpierw musimy wyznaczyć maksymalny prąd, jaki może płynąć przez układ. Tutaj trzeba zdać się na swoją wiedzę na temat zasilacza, z którym chcemy połączyć układ zabezpieczający. Załóżmy że jest to 3 A. Chcemy, aby spadek napięcia na oporniku wyniósł 0,6 V w takiej sytuacji. Czyli R = 0,6 V / 3 A = 0,2 ?. Jeśli z naszych wyliczeń otrzymaliśmy wartość rezystancji spoza szeregu, nie ma czym się martwić i należy dobrać kolejny, najbliższy.
Drugą sprawą, jaką musimy wyznaczyć to maksymalna tracona na rezystorze moc. Jak wiemy P = U*I. W opisywanym powyżej przypadku P = 0,6 V * 3 A = 1,8 W. W takiej sytuacji należy dobrać element o mocy co najmniej 3 W.
Lista elementów
Aby zbudować układ potrzebujemy:
1 - TL082 (podwójny wzmacniacz operacyjny)
2 - 1N4148 (dioda)
1 - TIP122 (tranzystor NPN)
1- BC558 (tranzystor PNP transistor. Można zamienić go na BC557, BC556 lub inny zamiennik. Każdy będzie działał)
1 - Opornik 2700 ?
1 - Opornik 1000 ?
1 - Opornik 10 k?
1 - Opornik 22 k?
1 - Opornik szeregowy - opisany powyżej
1 - Potencjometr 10 k?
1 - Kondensator 470 ?F
1 - Kondensator 1 ?F
1 - Przełącznik normalnie zwarty
1 - Przekaźnik typu T74, jeśli wykorzystujesz inny, konieczna jest zmiana projektu PCB
Projekt płytki drukowanej
Do zaprojektowania wykorzystani Express PCB. Edytowalna wersja pliku jest do pobrania. Udało się zmieścić ten ukłąd na niewielkiej PCB o wymiarach nie przekraczających 5 cm x 5 cm. Na załączonej płytce dodano jeszcze LED, informujący o stanie układu. Jeśli nie chcemy go stosować, koniecznie trzeba zewrzeć miejsca gdzie miał być wlutowany ze sobą.
Pliki - PDF oraz PCB - są do pobrania ze strony projektu, pod linkiem na dole artykułu.
Trawienie PCB i montaż układu
Płytka została wykonana metodą termotransferu - "na żelazko". Na ten temat napisano już wiele, więc nie będę kopiował opisu i wszelkich porad. Po nałożeniu tonery na płytkę, wytrawiono ją w chlorku żelaza i wywiercono otwory pod elementy wiertłem 1 mm.
Jeśli prąd wyjściowy z układu przekracza 2 A warto wzmocnić ścieżki przez które płynie, np. dodatkową warstwą cyny.
Testowanie i kalibracja układu
Aby załączyć układ wystarczy go zasilić. Aby skalibrować wystarczy kręcić wbudowanym potencjometrem, mierząc napięcie na wejściu referencyjnym komparatora. Musimy ustawić tam nasze 0,6 V * wzmocnienie w torze analogowym. Czyli ustawiamy tam około 2,5 V do 3 V. Czasami kalibrację powtórzyć trzeba po testach układu.
Źródło:
http://www.instructables.com/id/Short-circuit-protection-for-almost-any-power-supp/?ALLSTEPS
Fajne!
