Как защититься от колебаний сетевого напряжения

Описание простого устройства, отключающего нагрузку в случае выхода сетевого напряжения за допустимые пределы.

Допуск на сетевое напряжение для питания бытовой электронной и просто электрической аппаратуры составляет плюс – минус 10%. Но в условиях отечественной системы энергоснабжения это требование зачастую не соблюдается.

Напряжение бывает значительно завышено или намного ниже нормы, что может повлечь за собой выход аппаратуры из строя. Чтобы такого не случилось, в статье описывается простое устройство, которое отключит нагрузку вовремя, прежде, чем она успеет сгореть.

Схема достаточно простого устройства защиты показана на рисунке 1.

Принцип действия. Описание схемы

Отключение нагрузки от сети происходит когда напряжение превысит 242 В или станет ниже 170 В. Мощное реле на выходе устройства позволяет коммутировать токи до десяти ампер, что позволяет подключать нагрузку мощностью до двух киловатт.

В исходном состоянии контакты реле находятся в положении указанном на схеме. Переключающий контакт К1.3 подключает к сети светодиод HL1, сигнализирующий, что нагрузка выключена, а в сети есть напряжение. Подключение нагрузки к сети происходит при кратковременном нажатии на кнопку SB1 «Пуск».

Рисунок 1. Устройство защиты от колебаний сетевого напряжения

Сетевое напряжение через гасящий конденсатор С1 и резистор R10 поступает на выпрямитель на диодах VD9, VD10, и заряжает конденсатор С3. Напряжение на этом конденсаторе стабилизировано стабилитроном VD11. От этого выпрямителя производится питание маломощного реле К2, которое управляет работой мощного реле К1, коммутирующего собственно нагрузку.

Через диод VD2 сетевое напряжение поступает на узел включения реле К2. Если напряжение в сети будет более 170 В стабилитрон VD7 откроется, что позволит зарядиться конденсатору С2 до напряжения достаточного для открывания транзистора VT1, который включит маломощное реле К2.

(Параллельно катушке реле К2 включен диод VD8. Его назначение – защита транзистора от ЭДС самоиндукции, возникающей в момент выключения реле К2.)

Это реле своим контактом К2.1 включит мощное реле К1, а оно своими контактами К1.1…К1.4 подаст сетевое напряжение в нагрузку. Кнопку «Пуск» теперь можно отпустить, устройство вошло в рабочий режим. При этом загорается светодиод HL2, сигнализирующий о нормальной работе устройства. Светодиод HL1 погаснет, устройство вошло в рабочий режим.

Защита от понижения напряжения

Если напряжение сети станет меньше, чем 170 В, стабилитрон VD7 закроется, и зарядка конденсатора С2 прекратится. Это приведет к тому, что конденсатор С2 разрядится через резистор R8 и переход база – эмиттер транзистора VT1. Транзистор закроется и промежуточное реле К2 отключится и контактом К2.1 выключит мощное реле К1 – нагрузка будет обесточена.

Защита от повышенного напряжения

Узел защиты от превышения напряжения собран на тиристоре VS1. Работает он следующим образом.

Сетевое напряжение, а точнее его положительная полуволна, через диод VD2 поступает на соединенные последовательно стабилитроны VD3… VD6, а через них на последовательно соединенные резисторы R2 и R3. При повышении сетевого напряжения свыше 242 В стабилитроны откроются и на резисторе R3 создастся падение напряжения, величина которого будет достаточна для открытия тиристора VS1.

Открытый тиристор через резистор R5 «посадит» напряжение на конденсаторе С3. (Поскольку выпрямитель, питающий этот конденсатор, собран по схеме с гасящим конденсатором, то он не боится даже коротких замыканий. Резистор R4 нужен лишь для того, чтобы разрядом конденсатора С3 не сжечь тиристор VS1.) Этого напряжения будет не достаточно для удержания реле К2, оно выключится, а вместе с ним отключится реле К1, и нагрузка будет отключена. Также будет обесточено и само устройство, если не считать цепочки R1, VD1, HL1.

Повторное включение нагрузки можно осуществить лишь нажатием кнопки «Пуск». При этом не следует торопиться, а выждать некоторое время, ведь иногда, при возобновлении подачи электроэнергии, случаются достаточно большие перепады, можно даже сказать скачки, напряжения.

Несколько слов о деталях

Почти все детали устройства смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм. Топология платы настолько проста, что ее можно просто вырезать острым ножом. Почти все детали разместились на плате. Плата с расположенными на ней деталями показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Конструкция печатной платы устройства защиты от колебаний сетевого напряжения

Все устройство в целом необходимо разместить в корпусе из изоляционного материала. Те детали, которые не уместились на плате установлены внутри корпуса методом навесного монтажа. Если мощное реле будет иметь значительные габариты, то его также следует разместить вне платы.

В качестве мощного реле К1 возможно использовать реле типов МКУ-48, РПУ-2 или аналогичные с катушкой на переменное напряжение 220 В. В качестве реле К2 можно применить реле РЭС-6, РЭС-22 или другого типа с напряжением срабатывания около 50 В и током катушки не более 15 мА. У этого реле может быть всего один контакт.

При монтаже устройства можно применить следующие типы деталей: постоянные резисторы типа МЛТ, подстроечный резистор типа СП3-3 или СП3-19. Конденсатор С1 типа К73-17 на рабочее напряжение не ниже указанного на схеме, оксидные конденсаторы типа К50-35 или импортные. В качестве диодов VD1, VD2, VD8…VD10 подойдут любые маломощные диоды с обратным напряжением не менее 400 В, а также импортные типа 1N4007.

Транзистор VT1 можно заменить на КТ817Г, КТ603А,Б или КТ630Д.

Повышенное напряжение сети, при котором производится отключение, определяется напряжением стабилизации стабилитронов VD3… VD6, в качестве которых, вместо указанных на схеме, возможно применение стабилитронов КС600А, КС620А, КС630А, КС650А, КС680А.

С их помощью производится грубая настройка порога отключения, а более плавная осуществляется подбором резистора R3. Проще всего при настройке вместо него установить переменный резистор сопротивлением около 10 килоом, а по окончании настройки заменить его постоянным, равным сопротивлению введенной части переменного резистора.

Нижний порог срабатывания (минимальное напряжение сети) устанавливается с помощью подстроечного резистора R7.

Налаживание устройства проще всего производить с помощью ЛАТРа. Сначала следует настроить верхний порог. Для этого следует устройство подключить к ЛАТРу, и плавно увеличивать напряжение, конечно, контролируя его вольтметром. Подбором стабилитронов VD3…VD6 и резистора R3 добиться отключения прибора при напряжении 242 В. Устройство – потребитель при этом, естественно, подключать не следует. Чтобы не происходило срабатывания устройства по нижнему порогу движок подстроечного резистора R7 установить в верхнее по схеме положение.

После настройки верхнего порога следует с помощью резистора R7 добиться отключения устройства при понижении напряжения до 170 В.

Если требуется возможность принудительного отключения устройства, то последовательно с контактом реле К2.1 можно установить кнопку с контактом на размыкание.

Замечания по технике безопасности

Конструкция не имеет гальванической развязки с питающей сетью, поэтому при ее налаживании надо быть предельно внимательным и осторожным, соблюдать все правила техники безопасности при работе в электроустановках. Лучше всего для наладки воспользоваться трансформатором безопасности: ЛАТР следует подключить уже после него. Тогда настройку можно делать безо всяких опасений.

Борис, http://electrik.info/

Защита от перегрузок в импульсных источниках питания DC-DC

Одним из основных требований к источнику питания DC-DC является наличие схемы защиты от перегрузок. Даже кратковременная перегрузка по току или короткое замыкание выходов может привести к аварии, перегреву, воспламенению и даже к пожару.

Если в ключевом каскаде ток коллектора IGBT или стока MOSFET превысит предельное значение, или если напряжение коллектор-эмиттер или сток-исток превысит максимальное допустимое значение – произойдет выход из строя элементов.

В случае отсутствия защиты от аварийного режима, при переходе магнитопровода трансформатора в режим насыщения, резко уменьшается индуктивность обмоток, а ток через них во много раз возрастает. В результате, переключающие элементы и устройства, включенные последовательно с шиной питания, могут выйти из строя.

Аварийный режим может быть связан с отказом элементов внутри импульсного источника питания или вызван внешними факторами, такими как внезапное изменение напряжения питающей сети. Следовательно, схемы защиты от перегрузки являются важными компонентами современных источников питания DC-DC.

При тепловом перегреве диодов и транзисторов, работающих в импульсных источниках питания, разрушение полупроводниковых кристаллов может произойти в течение микросекунд, а иногда даже быстрее.

Если использовать в цепях защиты самоблокирующиеся реле, герконы, плавкие предохранители или полупроводниковые самовосстанавливающиеся предохранители, разрушение элементов может произойти раньше, чем сработает схема защиты, по причине низкого быстродействия. Поэтому разработчик должен применять ту схему защиты, которая соответствует поставленной задаче.

Каждая схема защиты, в общем случае, должна:

• – отрабатывать всякую перегрузку;
• – обладать требуемым быстродействием;
• – в неактивном состоянии не должна влиять на качество электроэнергии, потребляемой нагрузкой;
• – содержать минимальное число компонентов;
• – если это необходимо, автоматически возвращаться в исходное состояние.

Схемы защиты подразделяют по принципу реализации на три типа:

• – пассивные схемы, компоненты которых получают энергию от возмущающего воздействия;
• – активные схемы, питающиеся от вспомогательного источника питания и вырабатывающие сигнал о перегрузке;
• – схемы, при использовании которых компоненты источников автоматически регулируют свое состояние, самостоятельно предотвращая разрушение.

Контактные защитные устройства (например, контакторы, реле, предохранители) обладают низкой надежностью и быстродействием, но на их контактах падает незначительное напряжение, а значит и малые потери мощности.

Бесконтактные устройства защиты, выполненные на полупроводниковых компонентах, обладают, как правило, высокой надежностью и быстродействием, но на них падает повышенное напряжение по сравнению с контактными устройствами, что приводит к потерям мощности и снижению КПД.

Для защиты от недопустимо возросшего напряжения и пробоя переходов затвор-исток в MOSFET или затвор-эмиттер в IGBT, параллельно данным контактам включают стабилитроны и transil. Для защиты ключевых IGBT и биполярных транзисторов от пробоя обратным напряжением, вызванным действием ЭДС самоиндукции моточных элементов, параллельно выводам коллектор-эмиттер также включают transil или стабилитроны.

Для уменьшения скорости нарастания напряжения на MOSFET между выводами сток-исток включают оппозитный диод, с более высоким быстродействием, чем паразитный р-n переход этого транзистора, или последовательно с выводами сток-исток MOSFET включают внешний диод. Падение напряжения на оппозитном диоде в прямом включении должно быть обязательно меньше, чем на паразитном диоде.

Для ограничения индуктивного выброса напряжения, параллельно обмотке трансформатора импульсного однотактного источника питания DC-DC включают диод или стабилитрон.

Для защиты компонентов преобразователя импульсного источника питания DC-DC от пробоя при аварийном повышении напряжения питающей сети, последовательно с сетевым проводом монтируют плавкий предохранитель или автомат защиты по току, а после предохранителя, параллельно сетевым проводам устанавливают варистор.

В случае кратковременного повышения сетевого напряжения внутреннее сопротивление варистора резко и многократно уменьшается, и он шунтирует входные шины импульсного источника питания, поддерживая напряжение на заданном уровне.

Если перенапряжение будет длительным, то варистор очень быстро перегреется и выйдет из строя, а возросший ток, протекающий через варистор, приведет к срабатыванию предохранителя, который разомкнет входную цепь питания.

<< Предыдущая  Следующая >>

Прекращаем ставить диод / Хабр

Нет, это не очередной «вечняк»

После прочтения статьи о защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.

Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.

Зачем все это?

При резервировании низковольтного источника питания постоянного тока самый простой путь включения свинцово-кислотного аккумулятора – это в качестве буфера, просто параллельно сетевому источнику, как это делалось в автомобилях до появления у них сложных «мозгов». Аккумулятор хоть и работает в не самом оптимальном режиме, но всегда заряжен и не требует какой-либо силовой коммутации при отключении или включении сетевого напряжения на входе БП. Далее более подробно о некоторых проблемах такого включения и попытке их решить.

История вопроса

Еще каких-то 20 лет назад подобный вопрос не стоял на повестке дня. Причиной тому была схемотехника типичного сетевого блока питания (или зарядного устройства), которая препятствовала разряду аккумулятора на его выходные цепи при отключении сетевого напряжения. Посмотрим простейшую схему блока с однополупериодным выпрямлением:

Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:

Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.

Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.

Простейший путь (диод)

Простейшее решение состоит в использовании диода с барьером Шоттки, включенного в разрыв положительного провода, соединяющего БП и аккумулятор:

Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13. 6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).

Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:

1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.

Если бы диод являлся идеальным прибором, то он без проблем выполнил все эти условия, однако суровая реальность ставит под сомнение пункты 1 и 2.

Наивное решение (реле постоянного тока)

При анализе требований, любому, кто хоть немного «в теме», придет мысль использовать для этой цели электромагнитное реле, которое способно физически замыкать контакты при помощи магнитного поля, создаваемого управляющим током в обмотке. И, наверное, он даже набросает на салфетке что-то типа этого:

В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.

Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.

Окольный путь (реле переменного тока)

После осознания всех проблем предыдущего пункта, «шарящему» человеку обычно приходит в голову новая идея использования в качестве односторонне проводящего вентиля самого блока питания. А почему бы и нет? Ведь если БП не является обратимым устройством, и подведенное к его выходу напряжение аккумулятора не создает на входе переменного напряжения 220 вольт (как это и бывает в 100% случаев реальных схем), то эту разницу можно использовать в качестве управляющего сигнала для коммутирующего элемента:

Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой беcтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).

Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?

Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)

Поиски более элегантного решения проблемы привели меня к осознанию того факта, что аккумулятор, работающий в буферном режиме при напряжении около 13.8 вольта, без внешней «подпитки» быстро теряет исходное напряжение даже в отсутствии нагрузки. Если же он начнет разряжаться на БП, то за первую минуту времени он теряет не менее 0. 1 вольта, чего более чем достаточно для надежной фиксации простейшим компаратором. В общем, идея такова: затвором коммутирующего полевого транзистора управляет компаратор. Один из входов компаратора подключен к источнику стабильного напряжения. Второй вход подключен к делителю напряжения блока питания. Причем коэффициент деления подобран так, чтобы напряжение на выходе делителя при включенном БП было примерно на 0.1..0.2 вольта выше, чем напряжение стабилизированного источника. В результате, при включенном БП напряжение с делителя всегда будет преобладать, а вот при обесточивании сети, по мере падения напряжения аккумулятора, оно будет уменьшаться пропорционально этому падению. Через некоторое время напряжение на выходе делителя окажется меньше напряжения стабилизатора и компаратор при помощи полевого транзистора разорвет цепь.

Примерная схема такого устройства:

Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.

Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:

В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.

Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.

Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.

В результате практического испытания были получены такие результаты. Сопротивление в открытом состоянии соответствует проходному сопротивлению из даташита на транзистор. В закрытом состоянии паразитный ток во вторичной цепи БП измерить не удалось ввиду его незначительности. Потребляемый ток в режиме работы от аккумулятора составил 1.1 мА, причем он практически на 100% состоит из тока, потребляемого микросхемой. После калибровки под максимальную нагрузку, время срабатывания без нагрузки вышло почти 15 минут. Столько времени понадобилось моему аккумулятору, чтобы разрядиться до того напряжения, которое поступает от БП на устройство под полной нагрузкой. Правда, отключение при полной нагрузке происходит почти сразу (менее 10 секунд), но это время зависит от емкости, заряда, и общего «здоровья» аккумулятора.

Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.

Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.

Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)

Для измерения направления тока можно было бы применить какой-нибудь хитрый датчик. Например, датчик Холла, регистрирующий вектор магнитного поля вокруг проводника и позволяющий без разрыва цепи определить не только направление, но и силу тока. Однако в связи с отсутствием такого датчика (да и опыта работы с подобными девайсами), было решено попробовать измерять знак падения напряжения на канале полевого транзистора. Конечно, в открытом состоянии сопротивление канала измеряется сотыми долями ома (ради этого и вся затея), но, тем не менее, оно вполне конечно и можно попробовать на этом сыграть. Дополнительным доводом в пользу такого решения является отсутствие необходимости в тонкой регулировке. Мы ведь будем измерять лишь полярность падения напряжения, а не его абсолютную величину.

По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.

Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:

Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.

На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.

Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:

Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.

Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.

Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:

В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.

Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:

Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.

Вот окончательная схема нашего коммутатора:

Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).

Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2. 1 mA.

Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.

Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:

Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.

Архив с файлами схемы и разводки для EAGLE.

Спасибо за внимание.

Драйвер униполярного шагового двигателя с отдельным ШИМ диодом, или синхронным выпрямителем.: baykonur_70 — LiveJournal

Для правильной работы униполярной схемы в (полу)шаге нужно реализовать следующий алгоритм работы: (как в биполярном двигателе) – при отсутствии Шаг (step) сигнала должен реализовываться медленный спад тока по сигналу ШИМ; по приходу Шаг  сигнала, в отключаемой обмотке должен быть быстрый спад тока .

Посмотрим на функциональную схему,  реализующий данный алгоритм:
Третья схема

Как видите ничего нового здесь нет, схема даже была опубликована (вообще это понижающий преобразователь).
Функциональная схема нарисована с недочётами для большей наглядности.

При размыкании ключа ШИМ, напряжение (самоиндукции) на обмотке ШД меняет полярность и открывает диод VD ШИМ , ток продолжает идти через обратный ШИМ диод и через открытый ключ обмотки VT ШАГ, обеспечивая медленный спад тока в обмотке.

При размыкании VT ШАГ,  напряжение самоиндукции значительно возрастает, не превышая напряжения открытия стабилитрона, который защищает транзистор от пробоя, и обеспечивается быстрый спад тока в обмотке.

— ШИМ диод конечно лучше подключить не на землю, а на эмиттер VTшаг, что уменьшит напряжение самоиндукции на обмотке с уменьшением пульсации медленного спада тока, а так же уменьшит тепловыделение на Rдт (датчика тока) .
—  Если защитить стабилитроном не обмотку, а транзистор (см. схему ниже),  выбор напряжения стабилитрона не будет  зависеть от напряжения питания. И что ещё важно, ШИМ транзистор отключает источник питания от катушки. Если при этом отключить шаговый транзистор,  то амплитуда  выброса ЭДС самоиндукции  возрастёт (не складывается последовательно с напряжением источника питания),  соответственно существенно уменьшится время спада тока.

Есть ещё схемы с ШИМ транзистором не в цепи питания, а  на земле.
При этом, с каждым тактом генератора ШИМ будет включаться и выключаться ток эммитера (и базы) выходных транзисторов VT ШАГ.  Насыщение и рассасывание неосновных носителей заряда в области базы VT ШАГ вызывает значительные динамические потери.

Посмотрим диаграммы:

Обратите внимание на третий график зависимости тока на резисторе  Rдт. При включении ШИМ транзистора в момент времени t1, t2, t3 идёт мощный выброс тока по переднему фронту. Это связано с тем, что ШИМ диод не успевает мгновенно закрыться, и всё напряжение питания приложено на открытый диод, хоть и за очень малое время.  Простыми способами, полностью устранить этот серьёзный недостаток не удалось. Это сильно ограничивает напряжение питания, которое на готовом устройстве – не более 24 В , иначе ШИМ транзистор сильно перегревается .
При больших скоростях, (при приближении частоты step к частоте ШИМ и ток успевает снизится до нуля) драйвер переходит преимущественно в режим прерывистого тока, и с началом каждого такта ШИМ ток в обмотке = 0,  ШИМ диод закрыт, выбросов тока по фронту нет, ток в обмотке и ШИМ транзисторе плавно нарастает от нуля, см. t0 (Нагрев ШИМ транзистора резко снижается).

Главное преимущество данной схемы – это одинаково хорошая работа как на малых скоростях так и на больших. Вообще во всём диапазоне скоростей обеспечивается максимально возможный момент .

Большой плюс схемы – транзисторы, коммутаторы обмоток (VT ШАГ), работают при любой частоте ШИМ, с небольшими пульсациями – практически на постоянном токе (в промежутках между сигналами Шаг). Напрочь отсутствуют динамические потери в транзисторах VT ШАГ на остановленном двигателе. При частоте следования импульсов Step = 24 кГц в полушаге, и частоте вращения  60  об/с частота коммутации ключей обмоток в 8 (восемь) раз меньше и равна 3 кГц. Т.е. подойдут любые транзисторы, хоть П214 (не забываем, при этом, что от времени переключения транзистора напрямую зависит скорость быстрого спада тока, а значит момент).

Вообще очень полезно почитать литературу по импульсным устройствам.

Например: Семёнов – “Силовая электронника…”

СХЕМА

Я надеюсь никто возражать не будет,  что схема на логических элементах гораздо надёжнее и выше быстродействие по сравнению с микроконтроллером. Плюс утилизация говнодеталей. Если логика работы одинакова, то нет разницы из чего сделано устройство – работать будет одинаково.

Практическая схема рабочего прототипа:
Четвёртая схема

Схема полушага на ИЕ7 ИД7 ЛА4 простая и надёжная как топор, взята от DJsmarta.
По началу удивляло – почему шим на рассыпухе у него не работал как надо, всё же сделано согласно “учебникам”…
Основные изменения претерпел ШИМ узел, реализующий правильный алгоритм работы.
(на самом деле “правильный” это просто чуть более лучший чем классический-униполярный, алгоритм работы можно и нужно улучшать дальше)
Генератор ШИМ выполнен на двух И-НЕ, триггер на ТМ2, компаратор на ОУ, таймер деж. режима на 555.
В отличии от функциональной в данной схеме уже правильно подключен ШИМ диод (для уменьшения потерь не на землю, а на сопротивление датчика тока R дт) и стабилитрон.
Выход LM393 с открытым коллектором подключен через сопротивление 4к7 на Uпит. Для LM358 сопротивление ставить не надо.

Для раскачки ширпотребного MOSFET – Шим транзистора (VT ШИМ) – используется драйвер, выполненный на КТ315, по схеме Bootstrap.
Принцип действия:

Фронт ШИМ сигнала специально немного затягивается (напряжение на затвор поступает через 1кОм),  для плавного переходного процесса открытия мосфета, и уменьшения паразитного выброса тока. Если дополнительно поставить комплементарную пару транзисторов,  для ускорения открытия мосфет, то коммутация станет слишком жесткая,  с неприемлемой амплитудой выброса тока (тут поможет установка небольшой индуктивности 5-10 µH в цепи стока).

Выходные ключи обмоток собраны на Дарлингтонах КТ315+КТ805. (КТ829 не подойдут из-за встроенных обратных диодов)

Обратите внимание, что используется одноканальная ШИМ (не раздельно на каждую фазу), общая для подключения одной или двух обмоток. Что парадоксально, но данное, частное решение, только для режима полушага, улучшает работу ШД.  Ступенчатое включение и выключение тока обмоток снижает резонансные явления. Уменьшение амплитуды ступенек тока уменьшает амплитуду ЭДС самоиндукции, что ускоряет быстрый спад тока. Становится равномернее нагрузка на блок питания +24В. Хотя недостаток со ступенчатым изменением момента при каждом полушаге остался. Этот недостаток мы устраним в версии на AVR.

Печатная плата

Печатная плата разработана без соблюдений правил разводки, но что интересно, всё прекрасно работает.

Синхронный выпрямитель

Естественно, если речь заходит о преобразователях, для улучшения КПД вместо ШИМ диода применяют второй мосфет – VT синхр
Пятая схема

Схема опробована навесными детальками – работает !
Затягивание фронтов в каждом плече предотвращает сквозной ток.
Параллельно встроенному в VTсинхр, плохому диоду, рекомендуют поставить быстрый Шотки?.
Схема будет реализована в следующей версии на AVR.

Что интересно, это и есть основная схема, ради её объяснения и написано полстатьи.

ШИМ на специализированной микросхеме

Ну и на десерт схема из 4 деталей для ленивых, подходит для любых контроллеров без ШИМа (для любителей некрофилии на ТМ7)
Шестая схема

Штатный дроссель из схемы исключён, вместо него работают обмотки ШД.
Микросхема накручивается на свободное место радиатора и напаивается навесным монтажом. На контроллере необходимо только отсоединить эмиттеры выходных ключей от земли. Схема проверена на работоспособность при 12В. Долго не тестировалась.

Схемы
Платы

Продолжаю модернизировать устройство, увеличивая скорость и момент двигателя, пока без форсирования по току.
Я не теоретик, и всё проверяю экспериментом.

А пока проверяю другие схемы:

–  быстрого спада тока

– (само) индукции

– изменение самого алгоритма ШИМ

– можно ли по другому управлять магнитными потоками в “униполярном” двигателе

Продолжение следует.

Томск. Путинцев Александр Михайлович

Регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока на Attiny13

Не так давно возникла необходимость регулировать скорость вращения достаточно мощного двигателя постоянного тока. В связи с этим на микроконтроллере Attiny13 был разработан данный регулятор скорости, который с успехом может быть использован и в качестве диммера для светодиодов.

Контроллер работает на основе ШИМ, который является одним из лучших способов управления двигателем постоянного тока. В качестве драйвера использован полевой транзистор IRF540N, позволяющий управлять двигателем с током до 33 А при наличии большого радиатора.

Изменение рабочего цикла ШИМ и, следовательно, оборотов двигателя производиться с помощью поворотного энкодера.

 Схема устройства

Для большей наглядности всю схему можно поделить на несколько частей:

Блок питания

Это типовой источник питания на стабилизаторе напряжения LM7805, который обеспечивает стабильное напряжение на уровне 5 В для питания микроконтроллера ATtiny13 и индикаторных светодиодов.

Индикаторные светодиоды

Для индикации значения рабочего цикла ШИМ используются 3 светодиода:

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

• LED1 — текущее значение
• LED2 — максимум
• LED3 — минимум

Светодиоды LED2 и LED3 через токоограничивающие резисторы подключены непосредственно к выводам ATtiny13. Светодиод LED1, который указывает на текущее значение рабочего цикла ШИМ, управляется посредством транзистора T1 (BC337).

 Поворотный энкодер

Для правильной работы энкодера добавлены несколько компонентов. Резисторы R6 и R5 — это подтягивающие резисторы, которые «подтягивают» контакты A и B к шине питания. Контакт C напрямую подключен к GND. Конденсаторы C4 и C3 предназначены для фильтрации шума.

Драйвер на полевом транзисторе

Для управления двигателем использован N-канальный MOSFET IRF540N, который может обеспечить ток до 33A. Диод D2 предназначен для защиты транзистора от ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении двигателя. Конденсатор C1 необходим для фильтрации помех, создаваемых двигателем. Если вы не установите этот конденсатор, то на энкодере могут возникнуть помехи и он не будет работать должным образом.

Убедитесь, что вы установили IRF540N на радиатор, потому что при высоких токах он становится очень горячим!

Видео

Скачать файлы проекта (24,6 KiB, скачано: 183)

Источник

Мощный переключатель на транзисторе МДП

На рис. 1 представлена схема одного из вариантов мощного электронного реле, предназначенного для коммутации тока нагрузки до 20 А при напряжении 5…20 В. Устройство собрано на базе мощного n-канального транзистора МДП APM2556NU, имеющего сопротивление канала не более 5,7 мОм при напряжении затвор-исток 10 В или не более 10 мОм при 4,5 В. Столь малое сопротивление открытого канала позволяет с помощью этого прибора коммутировать большой ток, причем установка транзистора на теплоотвод при невысокой частоте переключения (единицы – десятки килогерц) обычно не требуется. Устройство может быть использовано, например, как электронный включатель-выключатель выходного напряжения в мощном блоке питания, мощных источников света в аккумуляторных фонарях, низковольтных электродвигателей, тяговых электромагнитов и для множества других применений.

Использование в качестве основного коммутирующего элемента мощного транзистора МДП в сравнении с электромагнитным реле позволяет получить меньшее сопротивление “замкнутых контактов”, отсутствие их выгорания и искровых помех, более высокое быстродействие (при электронном управлении). Кроме того, такой электронный переключатель будет иметь меньшие габариты и массу, чем электромагнитные реле на ток 10…20 А, а также значительно меньший ток, потребляемый цепями управления.

Управлять электронным переключателем можно двумя малогабаритными кнопками без фиксации, например, гер-коновыми, мембранными или резиновыми с токопроводящим покрытием.

 

Рис. 1

На рис. 2 для сравнения габаритов показаны электромагнитное реле G7L-2A-P фирмы Omron, контакты которого рассчитаны на коммутацию тока 20 А, и макет электронного реле на транзисторе МДП. Электронный узел даже при относительно просторном монтаже занимает вчетверо меньший объем (кнопки и светодиод смонтированы вне платы) и значительно легче.

При подаче напряжения на вход устройства полевой транзистор VT2 остается закрытым, подключенная к выходу нагрузка – обесточенной, светодиод HL1 – выключенным. Чтобы подать напряжение на нагрузку, необходимо на короткое время нажать на кнопку SB1. Это приведет к открыванию транзистора VT1 и вслед за ним транзистора VT2.

О поступившем к нагрузке напряжении проинформирует включившийся светодиод HL1. Конденсаторы СЗ и С4, а также С1, С2, С5, С6 устраняют возможное влияние на состояние транзисторов различных помех. Диоды VD2- VD5 предназначены для принудительного выключения устройства при снижении входного напряжения примерно до 3 В, что предохраняет полевой транзистор VT2 от перегревания.

Дело в том, что столь глубокое уменьшение напряжения затвор-исток транзистора VT2 резко увеличивает сопротивление канала и, как следствие, выделяемую в нем тепловую мощность, особенно при большом нагрузочном токе. Для того чтобы предохранить полевой транзистор от перегревания, предусмотрена цепь R5VD2-VD5, закрывающая оба транзистора.

Варистор RU1 и стабилитрон VD1 защищают сравнительно низковольтный полевой транзистор от всплесков напряжения, например, от ЭДС самоиндукции электродвигателя, подключенного к входу или выходу устройства, или, например, от случайного повреждения статическим электричеством при прикосновении к затвору транзистора VT2 отверткой (или другими металлическими предметами).

Для выключения устройства достаточно кратковременного замыкания контактов кнопки SB2. Управлять состоянием транзистора VT2 можно не только маломощными миниатюрными кнопками, но и, например, двумя оптронами или маломощными гер-коновыми реле. Следует отметить, что в выключенном состоянии переключатель практически не потребляет энергии.

Экспериментальный образец устройства был смонтирован на монтажной плате размерами 46×27 мм из стеклотекстолита навесным монтажом. Сильноточные цепи выполнены короткими отрезками монтажного провода сечением не менее 1,2 мм .

Транзистор APM2556NU в миниатюрном корпусе Т0252 допускает максимальное напряжение сток-исток 25 В. При токе стока 40 А и напряжении затвор-исток 10 В или 20 А при напряжении затвор-исток 4,5 В типовое значение сопротивления открытого канала не превышает 4,5 и 7,5 мОм соответственно. Максимально допустимый постоянный ток стока транзистора при температуре корпуса 25 °С – 60 А.

Транзистор следует припаять к теп-лоотводу с полезной площадью поверхности не менее 7 см2 на случай работы при пониженном напряжении питания с большим током нагрузки. При монтаже транзистора необходимо принимать меры по его защите от пробоя статическим электричеством.

Транзисторы APM2556NU, предназначенные для работы в понижающих импульсных стабилизаторах напряжения, сейчас широко используют в современных высокопроизводительных видеокартах и компьютерных системных платах. Заменить этот транзистор можно двумя соединенными параллельно миниатюрными, но имеющими вдвое большее сопротивление открытого канала транзисторами APM2510NU (8,5 МОм при и3-и = Ю В) или другими аналогичными, управляемыми низким напряжением затвор-исток. При использовании транзисторов с большим, чем у APM2556NU, сопротивлением канала для сохранения малого сопротивления переключательного элемента можно включить несколько однотипных полевых транзисторов, соединенных параллельно.

Транзистор 2SA733B заменим любым из серий 2SA733, 2SA992, SS9015, КТ3107, КТ6112. Вместо BZV55C15 подойдет стабилитрон 1 N4744A, TZMC-15, 2С215Ж, КС215ЖА, а вместо 1N4148 – диод 1 N914 (или любые из серий КД522, КД521). Светодиод – любой общего применения, желательно с повышенной светоотдачей, например, из серий КИПД40, КИПД66. Для каждого конкретного напряжения на нагрузке следует подбирать резистор R6 с тем, чтобы не превысить номинальный ток светодиода.

Оксидные конденсаторы – К50-68, К53-19 или импортные. Остальные – К10-17, К10-50. Варистор FNR-05K220 можно заменить любым маломощным на 18…22 В, например FNR-05K180.

Безошибочно собранное из исправных деталей устройство не требует налаживания.

В зависимости от конкретных особенностей применения предлагаемый для повторения коммутатор можно упростить или усовершенствовать. Например, если исключены всплески напряжения со стороны источника питания или подключенной нагрузки, можно обойтись без варистора RU1. Также можно отказаться от защитного стабилитрона VD1, если напряжение источника питания не превысит 15 В и исключены всякие прикосновения к выводу затвора транзистора VT2.

Если в цепь нагрузки ввести последовательно обмотку самодельного герко-нового реле, разомкнутые контакты которого подключены параллельно контактам кнопки SB2, то питание нагрузки будет автоматически отключаться при увеличении потребляемого ею тока выше заданного. Для изготовления такого реле на баллон геркона КЭМЗ надо намотать несколько витков толстого (диаметром 0,7…1,2 мм) обмоточного провода. Так, например, с катушкой из семи витков провода ПЭВ-2 0,68 реле сработает при токе около 5 А. Требуемое число витков для желаемого тока срабатывания защиты для конкретного экземпляра геркона определяют экспериментально.

Автор: А. Бутов, с.Курба Ярославской обл.

Защита от повышенного напряжения в сети

Тут архив со схемами и печатными платами.

Бытовая техника, как правило, имеет внутренний источник питания, который в случае перегрузки выходит из строя. Постоянно контролировать сетевое напряжение невозможно, так как перегрузка при работающей радиоаппаратуре может произойти в любой момент времени.
Предлагаемые ниже устройства позволяют предотвратить повреждение электроприборов и радиоаппаратуры от повышенного или пониженного напряжения.

 

Данное устройство в качестве коммутатора использует симистор, порог открывания которого устанавливается с помощью резистора R4 на уровне 260V (действующее значение).

Конденсатор С1 устраняет срабатывание схемы от кратковременных помех (выбросов).

Устанавливать светодиод HL1 не обязательно, но при его наличии  удобно настраивать устройство (когда управление симистором отключено).

Ток потребления в ждущем режиме не более 3 мА.

 
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА.

Схема контролирует состояние сети и в случае несоответствия сетевого напряжения (170. ..260В) отключает нагрузку.

При нажатии на кнопку ВКЛ (SB1), реле К1 срабатывает с задержкой примерно в 1 секунду и контактами К1.2 блокирует кнопку. Время задержки включения реле зависит от номинала емкости С2 и резистора R7. Выключение реле К1 может производиться кнопкой ОТКЛ (SB2) или от схемы автоматики, когда на выходе появится импульс или лог. “1” (при выходе напряжения за допуск).

Реле К1 с рабочим напряжением 24В.

Если у трансформатора Т1 имеется свободная обмотка на напряжение 6…12 В, то она может быть подключена к цепям 5 и 6 (вместо R1,R3 установить перемычки, а R4 и R10 исключить из схемы).

Схема контроля напряжения состоит из транзисторов, работающих в режиме микротоков. В нормальном состоянии резисторами R12 и R15 устанавливаем на коллекторах VT2 и VT3 лог. “0” и лог. “1” соответственно.

В этом случае транзисторы VT4 и VT5 заперты и на резисторе R19 нет напряжения (при его появлении сработает VS1).

Меняя напряжение, устанавливаем порог срабатывания схемы: резистором R12 при напряжении ниже 170В, а R15 — при превышении 260В.

 

Устройство аварийной защиты от превышения сетевого напряжения.

Устройство отличается малым потребляемым током в дежурном режиме — около 2 мА.

В исходном состоянии реле К1 выключено и на конденсаторе С1 накапливается энергия за счет его заряда от сети через резистор R2. Стабилитрон VD1 ограничивает величину напряжения на конденсаторе С1 уровнем 33V.

Как только напряжение в сети превысит на резисторе R5 порог открывания стабилитрона VD3 — открываются транзистор VT1 и тиристор VS1. За счет накопленной на конденсаторе С1 энергии срабатывает реле К1.

Группа контактов К1.1 подключает резистор R1 параллельно с R2. Проходящий через него ток удерживает реле во включенном состоянии после срабатывания, когда конденсатор разрядится через обмотку.

Конденсатор С2 предотвращает срабатывание защиты от кратковременных помех в сети.

Индикатором срабатывания защиты является светодиод HL1.

Диод VD8 предохраняет светодиод от воздействия высокого обратного напряжения.  Вернуть схему в исходное состояние можно, нажав на кнопку “сброс” (SB1).

Детали:

R1 типа ПЭВ на 25 Вт, а остальные — постоянные резисторы типа МЛТ соответствующей мощности.

Подстроечный R5 типа СП5-16А-1 Вт.

Диоды VD1, VD2, VD5…VD7 подойдут любые выпрямительные на ток 0,5А и обратное напряжение не менее 400 В. Транзистор VT1 КТ3102 можно заменить на КТ315 или КТ312.

Стабилитрон VD3 любой из серии прецизионных с напряжением стабилизации 6,6…9,1 В, VD4 на КС533А.

Светодиод HL1 из серии КИПД или АЛ310А. Светодиод можно заменить неонкой. Тиристор VS1 из серий Т112 или Т122, например Т122-20-6 (последняя цифра в обозначении указывает класс допустимого обратного напряжения и в данной схеме значения не имеет).

Реле К1 может быть типа ТКЕ54ПОД или из серии РНЕ44. Такие реле допускают коммутацию напряжения 220В и позволяют пропускать через свои контакты ток более 10А.

Уровень повышенного сетевого напряжения, при котором срабатывает защита, устанавливается резистором R5.

Номинал резистора R6 подбирается для получения нужной яркости свечения светодиода HL1.

 

Реле контроля напряжения «РН»  предназначено для контроля  питающей сети и автоматического отключения участка цепи (нагрузки) при превышении или понижении напряжения питания выше или ниже установленного предела с целью защиты электрооборудования.

Имеет нижний (175 ±5В) и верхний (245 ±5В) пороги включения, ток нагрузки до 40А.

Схема  рис.1

Обозначения элементов на плате:  “L” — клемма “фаза”, “N” — клемма “нейтраль”.

Элементы C1, R1, D1-D4 и С2 образуют источник постоянного напряжения величиной около 30В, который питает реле К1. Элементы R5, DW1 и С4 образуют источник постоянного напряжения величиной 12В, для питания микросхемы LM324N, содержащей 4 операционных усилителя, которые используются как компараторы. Элементы R6-R9, DW2 используются для формирования опорных напряжений для компараторов (с анода стабилитрона DW2 снимается напряжение около 6,2 В). Опорное напряжение Uoп2, определяющее величину верхнего опорного, поступает на инвертирующий вход компаратора верхнего порога DA2, опорное напряжение Uoп1, определяющее величину нижнего порога, поступает на неинвертирующий вход компаратора нижнего порога DA3. Сетевое напряжение отслеживается посредством цепочки R2;D5;R3;R4;C3.

Постоянное напряжение с плюсового вывода СЗ (величина которого находится в соответствии с напряжением питающей сети) поступает на инвертирующий вход компаратора нижнего порога и неинвертирующий  вход компаратора верхнего порога.

Если напряжение питающей сети ниже нижнего порога, то напряжение на инвертирующем входе компаратора DA3 меньше опорного напряжения Uoп1, соответственно, на его выходе имеем условную лог.”1″ (напряжение, несколько меньшее напряжения питания компараторов). Транзистор Т2 открыт, напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA1 близко к нулю, поэтому на его выходе имеем условный лог. “0” (напряжение, близкое к нулю). Транзистор Т1 закрыт, реле обесточено, нагрузка отключена.

Теперь предположим, что входное сетевое напряжение находится в пределах нормы, т.е. выше нижнего порога и ниже верхнего. При этом напряжение на инвертирующем входе компаратора DA3 превышает опорное напряжение Uоп1, поэтому на его выходе будет условный лог.”0″. В то же время напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA2 меньше опорного напряжения Uon2, поэтому но его выходе также будет условный лог.”0″. Транзистор Т2 закрыт, напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA1 больше опорного напряжения Uоп2, поэтому условная лог.”1″ на его выходе открывает транзистор Т1, реле К1 через контакты К1.1 подключает нагрузку. Если входное сетевое напряжение станет больше верхнего порога, то напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA2 превысит опорное напряжение Uon2, условная лог.”1″ но его выходе откроет транзистор Т2, условный лог.”0″ на выходе компаратора DA1 закроет транзистор T1, реле выключится, нагрузка будет отключена. Индикацию роботы обеспечивает двухцветный светодиод LED. В нормальном режиме, когда нагрузка подключена, лог.”1″ с выхода DA1 зажигает нижний (по схеме) светодиод зеленого цвета свечения. Если нагрузке отключена, питающее напряжение через реле К1 зажигает верхний (по схеме) светодиод красного цвета свечения.

Задержку перед первым и повторным включением (после того, как сетевое напряжение вошло в норму) обеспечивают элементы R14 и С6.

С указанными номиналами обеспечивается задержка около 1,5 мин. Элементы R12, R11, C5 подавляют помехи и импульсы с частотой питающей сети, которые могут иметь место при колебании входного напряжения вблизи верхнего или нижнего порогов.

Резистор R10 обеспечивает гистерезис компаратора DA3.

В процессе эксплуатации было замечено, что при кратковременном пропадании напряжения (<1c), якорь реле успевает отпуститься, а коммутирующий транзистор еще не закрылся и при восстановлении сетевого напряжения конденсатор в БП не может накопить необходимый заряд для повторного включения реле т. к. шунтирован подключенной катушкой силового реле.

Так все и остается, горит светодиод все ОК, а силовое реле не включено.

Проблема исправлена заменой резистора R11 с 100кОм на 2,4кОм, С3 на 10 мкФ и С1 на 470мф. Теперь транзистору Т2 достаточно тока, чтоб успеть разрядить конденсатор С6.  Схема перейдет в аварийный режим, светодиод загорится красным цветом.

 

Защита от превышения напряжения сети

Устройство весьма экономично, поскольку для управления полевыми транзисторами IRF840, требуется очень небольшая статическая мощность.

Если вероятно появление напряжения до 380В (амплитудное —540В), следует применить полевые транзисторы с большим допустимым напряжением сток—исток.

Узел управления содержит RS-триггер на DD1 – К561ТМ2 и ключ на VT1.

Питают узел управления от выпрямителя на диоде VD3 и параметрического стабилизатора напряжения, собранного на стабилитроне VD6 и гасящем резисторе R6, с фильтрующим конденсатором С2. Диоды VD4, VD5 и резистор R8 защищают выход микросхемы от импульсных сетевых помех.

   Выпрямленное напряжение через резистор R3 поступает на подстроечный резистор R1, а с его движка на последовательно включенные стабилитроны VD1, VD2 и подстроечный резистор R2. Если сетевое напряжение соответствует норме или немного меньше, стабилитроны VD1, VD2 закрыты и напряжение на резисторе R2 равно нулю. Транзистор VT1 закрыт, поэтому конденсатор С1 заряжается через резистор R7, когда напряжение на конденсаторе и, соответственно, на входе S микросхемы DD1 1 достигнет высокого уровня, на выходе триггера также появится высокий уровень. Транзисторы VT2 и VT3 открываются, и сетевое напряжение поступает на нагрузку.

Если сетевое напряжение увеличится, стабилитроны VD1. VD2 начнут открываться. На резисторе R2 появятся импульсы напряжения которые через резистор R4 поступают на вход R триггера, а с движка резистора R2 — на базу транзистора VT1 Транзистор открывается, и конденсатор С1 разряжается, поэтому на входе S триггера присутствует низкий уровень.

При дальнейшем повышении сетевого напряжения амплитуда импульсов на резисторе R2 увеличится. Когда она достигнет высокого логического уровня на входе R, триггер переключится — на его выходе появится низкий уровень. Коммутирующие полевые транзисторы закроются, и нагрузка отключится.

Если теперь сетевое напряжение начнет уменьшаться, амплитуда импульсов на резисторе R2 также будет снижаться и станет меньше высокого логического уровня, но состояние триггера не изменится. При дальнейшем снижении сетевого напряжения амплитуда импульсов уменьшится настолько, что транзистор VT1 открываться не будет и конденсатор С1 вновь начнет заряжаться на входе S триггера DD1.1 и, соответственно, на его выходе появится высокий уровень, полевые транзисторы откроются, и на нагрузку поступит сетевое напряжение.

Стабилитроны KC551A(VD1; VD2) можно заменить одним КС591А; КС600А или тремя включенными последовательно КС527А, 2С530А, 2С536А, диод КД105Б (VD3) — КД105В, КД105Г диоды КД521А (VD4\ VD5) — КД503А. КД510А, КД522Б.

Если ток нагрузки превышает 2А полевые транзисторы необходимо установить на теплоотводы.

Налаживание:

Движок подстроенного резистора R2 устанавливают в верхнее, а резистора R1 — в левое по схеме положение и подают на устройство напряжение, соответствующее порогу отключения, (250В) Медленно перемещая движок резистора R1, добиваются отключения нагрузки.

Затем на входе устройства устанавливают напряжение подключения нагрузки, (230В) и, перемещая движок резистора R2, добиваются ее включения.

Чтобы увеличить гистерезис (разность значений напряжения отключения и подключения), общее напряжение стабилизации последовательно включенных стабилитронов VD1, VD2 следует уменьшить.

 

Схема представленная ниже, отключит нагрузку, когда напряжение превысит 242В или станет ниже 170В.

В исходном состоянии контакты реле находятся в положении указанном на схеме.

Подключение нагрузки к сети происходит при нажатии на кнопку SB1 «Пуск». Сетевое напряжение через гасящий конденсатор С1 и резистор R10 поступает на выпрямитель на диодах VD9, VD10, и заряжает конденсатор С3. Напряжение на конденсаторе стабилизировано стабилитроном VD11. От этого выпрямителя питается маломощное реле К2, которое управляет работой мощного реле К1.

Через диод VD2 сетевое напряжение поступает на узел включения реле К2.

Если напряжение в сети будет более 170В стабилитрон VD7 откроется, что позволит зарядиться конденсатору С2 до напряжения достаточного для открывания транзистора VT1, который включит реле К2. Параллельно катушке реле К2 включен диод VD8 для защиты транзистора от ЭДС самоиндукции, при выключении реле К2.

Это реле своим контактом К2.1 включит мощное реле К1, а оно своими контактами К1.1…К1.4 подаст сетевое напряжение в нагрузку.

При этом загорается светодиод HL2, сигнализирующий о нормальной работе устройства.  Светодиод HL1 погаснет, устройство вошло в рабочий режим.

Защита от понижения напряжения

Если напряжение сети станет меньше, чем 170В, стабилитрон VD7 закроется, и зарядка конденсатора С2 прекратится. Это приведет к тому, что конденсатор С2 разрядится через резистор R8 и переход база – эмиттер транзистора VT1. Транзистор закроется и промежуточное реле К2 отключится и контактом К2.1 выключит мощное реле К1 – нагрузка обесточена.

Защита от повышенного напряжения

Узел защиты от превышения напряжения собран на тиристоре VS1. Сетевое напряжение, а точнее его положительная полуволна, через диод VD2 поступает на соединенные последовательно стабилитроны VD3… VD6, а через них на резисторы R2 и R3. При повышении сетевого напряжения свыше 242В стабилитроны откроются и на резисторе R3, создастся падение напряжения, величина которого будет достаточна для открытия тиристора VS1.

Открытый тиристор через резистор R5 «посадит» напряжение на конденсаторе С3 реле К2 выключится, а вместе с ним отключится реле К1, и нагрузка будет отключена.

Повторное включение нагрузки можно осуществить лишь нажатием кнопки «Пуск».

Детали: подстроечный резистор типа СП3-3 или СП3-19. Конденсатор С1 типа К73-17 на напряжение не ниже 630v. Диоды VD1, VD2, VD8…VD10 любые маломощные с обратным напряжением не менее 400 В, типа 1N4007.

Транзистор VT1 можно заменить на КТ817Г, КТ603А,Б или КТ630Д.

В качестве мощного реле К1 использовано реле с катушкой на переменное напряжение 220В.

Реле К2 с напряжением срабатывания около 50В и током катушки не более 15 мА.

В качестве VD3… VD6, указанных на схеме, возможно применение стабилитронов КС600А, КС620А, КС630А, КС650А, КС680А.

Налаживание:

Сначала следует настроить верхний порог, подбором стабилитронов VD3…VD6 и резистора R3 добиться отключения прибора при напряжении 242В. Точная настройка осуществляется подбором резистора R3. При настройке вместо него установить переменный резистор сопротивлением около 10 ком, а по окончании настройки заменить его постоянным. Чтобы не происходило срабатывания устройства по нижнему порогу движок резистора R7 установить в верхнее по схеме положение.

После настройки верхнего порога следует с помощью резистора R7 добиться отключения устройства при понижении напряжения до 170В.

 

Автомат защиты

Отключает нагрузку от сети в случае выхода напряжения за установленные пределы (185…250 В), и обеспечивает 5^и минутную задержку включения после нормализации сетевого напряжения.

Схема устройства приведена на рис. 1.

Напряжение питания поступает от однополупериодного выпрямителя на диоде VD3 с гасящим конденсатором С1. Стабилитрон VD2 пропускает положительные полупериоды тока гасящего конденсатора и стабилизирует выходное напряжение в отрицательных полупериодах.

Контроль сетевого напряжения выполнен на сдвоенном ОУ DA1, элементы которого работают в режиме компараторов.

Измерительный выпрямитель на диоде VD1 формирует пропорциональное средневыпрямленному значению переменного сетевого постоянное напряжение. Оно поступает на входы ОУ микросхемы DA1 с движков подстроечных резисторов R2 и R6. Ими регулируют соответственно верхнюю и нижнюю границы допустимого интервала изменения сетевого напряжения.

Специализированная “часовая” микросхема DD1 отсчитывает пятиминутный интервал задержки включения холодильника. Частоту задающего генератора (2,12 кГц) устанавливают подборкой резистора R11. Импульсы этой же частоты использованы для управления симистором VS1. Светодиод HL1, служит индикатором режима работы устройства.

На вторые входы ОУ со стабилитрона VD4 подано образцовое напряжение. Если напряжение в сети вышло за установленные пределы, уровень на одном из выходов DA1 станет высоким (относительно минусового вывода конденсатора СЗ).

Поступив через диод VD5 или VD6 на вход R (выв. 9) счетчика-делителя на 60 микросхемы DD1, этот уровень запрещает работу счетчика, на выходе М которого будет установлен низкий уровень. В результате импульсы с выхода элемента DD2.1 не проходят на выход элемента DD2.2.

Симистор VS1, на управляющий электрод которого не поступают открывающие импульсы, закрыт – нагрузка обесточена. Транзистор VT2 открыт, светодиод HL1 включен и сигнализирует о временной блокировке.

Как только напряжение сети придет в норму, на обоих выходах DA1 будет установлен низкий уровень. Так как конденсатор С5 разряжен, уровень на выходе элемента DD2 4 тоже низкий. Таким же, благодаря связи через резистор R24, станет и уровень на входе R счетчика-делителя на 60. Счетчик заработает и через 5 мин, низкий уровень на его выходе М сменится высоким. Дальнейшее поступление импульсов с выхода S2 микросхемы DD1 на вход С счетчика будет заблокировано открывшимся диодом VD7, и счетчик останется в этом состоянии, пока не будет возвращен в исходное высоким уровнем на входе R.

Высокий уровень на выходе М разрешает прохождение импульсов частотой 2,12 кГц через элемент DD2.2. Продифференцированные цепью C6R22 и усиленные транзистором VT3, эти импульсы открывают симистор VS1 – нагрузка подключена, а светодиод HL1 погашен.

Перемычку S1 устанавливают при налаживании устройства или в случае, если задержка включения нагрузки не требуется. За счет увеличения частоты импульсов, поступающих на счетный вход счетчика-делителя на 60, продолжительность задержки сокращается приблизительно до 20 мс, что равносильно ее отсутствию.

Детали:

Конденсатор С1 — К73-17 на 630v, С4 и С6 — любого типа. Подстроечные резисторы — СПЗ-386. Симистор ВТ137-600 — ТС106-10 на напряжение не ниже 600V.

Вместо К157УД2 подойдет любой сдвоенный ОУ, Стабилитрон КС133Г можно заменить любым на напряжение 3…3,6V.

Налаживание  автомата:

устанавливают требуемую задержку включения холодильника, пороги срабатывания узла контроля сетевого напряжения и время срабатывания токовой защиты.

Для получения пятиминутной задержки частота импульсов на выходе элемента DD2.1 должна быть равна 2,12 кГц. Ее устанавливают подборкой резистора R11.

На время регулировки порогов рекомендуется отключить задержку, установив перемычку S1, как показано на рис. 2 штриховой линией.

Подав на автомат переменное напряжение 185В, установите движок резистора R2 в положение, соответствующее границе включения светодиода HL1.

Затем, увеличив напряжение до 250В повторите процедуру, вращая на этот раз движок резистора R6.

Ложные срабатывания автомата удается устранить увеличением емкости конденсатора С2 до 100…220 мкФ.

Учитывая возможность аварийного повышения напряжения в сети до 380В, следует применять конденсатор С1 на напряжение не менее 1000 В.

 

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

     При превышении напряжения выше заданного безопасного уровня, устройство замкнёт сеть и сгорят или выбьют пробки. Напряжение срабатывания защиты примерно 270 В. Резистором R1 можно в небольших пределах изменять напряжение срабатывания. Конденсаторы С1 и С2 образуют с R1 RC-цепочку, которая препятствует срабатыванию устройства при импульсных выбросах в сети.

При напряжении в сети до 270В стабилитроны VD3, VD4 и тиристоры закрыты. При превышении напряжения свыше 270В открываются стабилитроны VD3, VD4, и на управляющие электроды тиристоров поступает открывающее напряжение. В зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения, ток проходит либо через тиристор VS1, либо через VS2 которые открываясь – замкнут сеть.

Без конденсаторов С1 и С2 время срабатывания не превышает одного полупериода напряжения сети, но возможны ложные срабатывания.

С конденсаторами С1 и С2 снижается быстродействие устройства, можно сделать и однополупериодную схему с одним тиристором (VS1), удалив VS2, С2, VD1, VD2 и VD6.

Радиолюбитель №9 2006г стр. 9

 

Устройство защиты аппаратуры от аномального напряжения в сети.

Устройство отключает нагрузку при выходе сетевого напряжения за пределы 180…240В. Когда напряжение сети придет в норму, устройство отрабатывает паузу (10 с) и автоматически подключает нагрузку к сети.

Элемент, коммутирующий переменный ток — пара полевых транзисторов VT2 и VT3 с изолированным затвором, включенных встречно-последовательно.

На ОУ DA1.1 собран компаратор, контролирующий снижение напряжения сети, а на ОУ DA1.2 — повышение.

Резисторы R1—R3 образуют делитель выпрямленного напряжения сети, пульсации которого сглажены конденсатором С1.

На неинвертирующие входы обоих компараторов поступает образцовое напряжение со светодиода HL1, ток через который стабилизирован полевым транзистором VT1.

Логические элементы микросхемы DD1 обрабатывают сигналы компараторов и формируют напряжение затвор-исток транзисторов VT2 и VT3, управляющее их состоянием. Микросхемы DA1 и DD1 получают питание от конденсатора С2, который заряжается импульсами напряжения сети через диод VD1, резистор R4 и встроенный защитный диод транзистора VT2. Напряжение на конденсаторе С2 ограничено с помощью стабилитрона VD2.

Когда напряжение сети упадет ниже 180В, напряжение на движке подстроенного резистора R2 станет меньше образцового, в результате чего на выходе компаратора DA1.1 установится высокий уровень, на выходе элемента DD1.1 — низкий уровень, на выходе элемента DD1.4 — высокий уровень, светодиод HL2 погаснет, диод VD3 откроется, конденсатор СЗ быстро зарядится через токоограничительный резистор R6 и диод VD5.

Напряжение с конденсатора СЗ подается на верхний по схеме вход (вывод 1) элемента DD1. 2, а с анода диода VD3 — на верхний по схеме вход (вывод 12) элемента DD1.3. RS-триггер, собранный на этих элементах, переключится в состояние низкого уровня на выводе 3 микросхемы DD1. Именно это напряжение подано на затворы транзисторов VT2 и VT3. Эти транзисторы закроются и отключат нагрузку от сети.

Когда напряжение сети превысит 240В, напряжение на резисторе R3 станет больше образцового, в результате чего на выходе компаратора DA1.2 установится низкий уровень, на выходе элемента DD1.4 — высокий уровень, светодиод HL2 погаснет. Конденсатор СЗ зарядится, как описано выше. Высокий уровень на выводе 1 микросхемы DD1 и низкий уровень на ее выводе 13 аналогично переключат триггер на элементах DD1.2 и DD1.3, транзисторы VT2 и VT3 закроются и отключат нагрузку от сети. Когда напряжение сети вернется в допустимые пределы, на выходе компаратора DA1.1 установится низкий уровень, а на выходе компаратора DA1.2 — высокий. На выходе элемента DD1.4 установится низкий уровень, включится светодиод HL2 — индикатор допустимого напряжения сети. Но нагрузка включена не будет, пока конденсатор СЗ не разрядится через резисторы R9, R6 и выход элемента DD1.4. Пауза продолжается около 10с из-за большого сопротивления резистора R9. Лишь когда напряжение на конденсаторе СЗ, а значит, и на верхнем по схеме входе элемента DD1.2 будет соответствовать низкому логическому уровню, произойдет переключение триггера в состояние высокого уровня на выводе 3 микросхемы DD1, в результате чего транзисторы VT2 и VT3 откроются и подключат нагрузку к сети.

Если во время паузы напряжение сети выйдет за допустимые пределы, на выходе элемента DD1.4 установится высокий уровень, светодиод HL2 погаснет, конденсатор снова быстро зарядится через резистор R6 и диод VD5. Поэтому, когда напряжение сети войдет в допустимые пределы, пауза будет отработана снова. Благодаря этой паузе нагрузка защищена от колебаний напряжения сети.

Транзисторы VT2 и VT3 должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки и напряжение не менее 600В, чтобы устройство выдерживало аварийное повышение напряжения сети до 380В.

Если мощность нагрузки не превышает 700 Вт, можно применить транзисторы КП707Б— КП707Г. Если напряжение сети не превышает 350В, можно применить транзисторы из серии IRF840. Транзистор VT1 — из серии КП303 с начальным током стока 1,6—2 мА. Светодиод HL1 — с падением напряжения 1.7…1,9В при указанном выше прямом токе. Светодиод HL2—любой, свечение которого заметно под прямым током около 1 мА. Диод VD1 на прямой ток не менее 100 мА и обратное напряжение не менее 600 В. Стабилитрон VD2 — с напряжением стабилизации 11… 15В при токе 5мА. Диоды VD3— VD5 из серий КД521, КД522. Микросхему LM358N (DA1) можно заменить на КР1040УД1, КР1464УД1Р.

Налаживание:

Резистор R2 устанавливают в верхнее по схеме положение, а R3 — в нижнее. На входе подают напряжение 240В, при этом светодиод HL2 должен быть погашен.  Перемещают движок резистора R3 до включения светодиода HL2. Затем подают напряжение 180В и перемещают движок резистора R2 до гашения светодиода HL2. После этого изменяя напряжение, отслеживают включение и отключение нагрузки, а также длительность паузы, которую можно изменить подбором резистора R9. Для надежности устройства можно измерить сопротивление резистора R3 и обоих участков резистора R2, после чего впаять вместо них постоянные резисторы.

 

Схема ниже, применяется как защитный элемент электрических цепей с напряжением от 115 до 180V.

Она содержит цепь контроля напряжения на транзисторах VT1;VT2, включенных по лавинно-встречной схеме, простенький усилитель управляющего тока на VT3 и собственно тиристор.

В исходном состоянии тиристор и усилитель выключены, а цепь контроля потребляет ничтожный ток. Цепь контроля сравнивает два напряжения: опорное со стабилитрона VD1 и уменьшенное делителем R1;R2;R3 исходное напряжение. Для предотвращения случайных срабатываний ограничителя при различных помехах, небольших скачках напряжений и т.п. имеется сглаживающий конденсатор C1, причём постоянная времени цепочки R2;R3;C1 выбрана порядка миллисекунд. На транзисторе VT1 происходит собственно сравнение напряжений. В исходном состоянии VT1 и VT2 закрыты. Когда на эмиттере VT1 напряжение становится больше на 0.7V, чем на базе, VT1 открывается. При этом ток через коллектор VT1 поступает в базу VT2, что приводит к его открытию. Открывающийся транзистор VT2 начинает забирать ток из точки опорного напряжения и передавать его для открытия VT3. Уменьшение опорного напряжения приводит к ещё большему открытию VT1, который в свою очередь ещё больше открывает VT2. Через некоторое время оба транзистора оказываются в состоянии насыщения. Поскольку ток с лавинной пары недостаточен для открывания тиристора, имеется усилительный каскад на VT3. Открытый поступающим с VT2 током транзистор VT3 надёжно и уверенно открывает тиристор, и тот начинает шунтировать схему.

 

Защита от аварийного напряжения сети.

Устройство отключает нагрузку от электросети при снижении или превышении сетевым напряжением заранее установленных значений (195 и 245 В).

Характеристики:

Нижний порог отключения нагрузки,  160. ..195V Верхний порог отключения нагрузки,  230…260V

Время отключения нагрузки при возникновении аварийной ситуации в сети,    1 …3с

Время включения после восстановления напряжения сети,  30…60с

Схема устройства показана на рис. 1. На диодах VD2, VD3 собран выпрямитель с балластными конденсаторами С5, С6, а на стабилитроне VD6 и транзисторе VT1 — ограничитель выходного напряжения выпрямителя, резистор R1 ограничивает зарядный ток конденсаторов С5, С6 при подключении устройства к сети. Резисторы R6, R8 обеспечивают разрядку конденсаторов С5, С6 при отключении устройства, они включены последовательно, так как большинство резисторов (например, МЛТ, С2-23, Р1-4) имеют рабочее напряжение не более 250 В. На диоде VD1 собран однополупериодный выпрямитель, конденсаторы С2, СЗ — сглаживающие, С1, С4 подавляют высокочастотные помехи. ОУ DA1.1, DA1.2 — компараторы напряжения, светодиод HL1 индицирует включение устройства в сеть, а HL2 — нормальное напряжение сети. Диоды VD4 и VD5 образуют “монтажное ИЛИ”, напряжение питания компараторов стабилизировано интегральным стабилизатором на микросхеме DA2, оно использовано и как образцовое.

После подключения устройства к сети на выходе микросхемы DA2 напряжение будет около 12В, на конденсаторах СЗ, С4 — постоянное напряжение, значение которого зависит от сетевого напряжения и сопротивления резисторов R2— R5. При напряжении сети 220 В это напряжение примерно равно 2,5 В. Резисторами R7 и R9 устанавливают верхний и нижний пороги отключения нагрузки. Если напряжение сети в норме, то на выходах ОУ низкий уровень, транзистор VT2 закрыт и начинается зарядка конденсатора С9 через резисторы R13, R14. Через 30…60 с напряжение на конденсаторе С9 становится достаточным для открывания полевого транзистора VT3, а затем и биполярного транзистора VT4. На реле К1 поступает напряжение питания, оно сработает и своими контактами К1.1 подключит нагрузку к сети. Одновременно светит светодиод HL2, сигнализируя, что сетевое напряжение в норме и оно подано на нагрузку.

Если напряжение сети превысит верхний порог отключения, компаратор на ОУ DA1.1 переключится, на его выходе установится высокий уровень, транзистор VT2 откроется и конденсатор С9 быстро разрядится через этот транзистор и резистор R14. Транзисторы VT3, VT4 закроются, светодиод HL2 погаснет и реле отключит нагрузку от сети. При уменьшении напряжения сети до нижнего порога переключится компаратор на ОУ DA1.2, процесс повторится и нагрузка также будет отключена от сети. Длительность временного интервала между моментом возникновения аварийной ситуации и отключением нагрузки (1…3с) зависит от скорости разрядки конденсатора С9 (т. е. от его емкости и сопротивления резистора R14), напряжения открывания транзистора VT3 и постоянной времени цепи выпрямителя (R4, R5, конденсаторы С2, СЗ).

Когда напряжение сети вернется в допустимые пределы, транзистор VT2 закроется, начнется зарядка конденсатора С9 и через 30…60 с реле К1 подключит нагрузку к сети. Время задержки зависит от сопротивления резистора R13, емкости конденсатора С9 и напряжения открывания транзистора VT3.

В устройстве применены конденсаторы С5, С6 — К73-17, оксидные — К50-35, остальные   —   К10-17.   Транзисторы

2N2222 заменимы на КТ3102 с любыми буквенными индексами (VT2) или КТ3117А, КТ815А, КТ815Б, КТ815В (VT1, VT4). Транзистор BS170P можно заменить на КП501А, КП501Б, взамен стабилитрона КС518А можно применить любой маломощный стабилитрон с напряжением стабилизации 15…22 В. Светодиоды допустимы любые в пластмассовом корпусе диаметром 3…5 мм, желательно разного цвета свечения, с рабочим током 5….20 мА. Автор применил многооборотные подстроечные резисторы W3296 (R7, R9), но подойдут СП5-2ВБ, постоянные резисторы — С2-23, МЛТ, реле — TRJ-12VDC, но можно использовать и аналогичные TRIL-12VDC, TRU-12VDC, TRV-12VD с одной группой контактов на замыкание или переключение.

Налаживание:

На выход устройства подают напряжение 220V, светодиод HL1 должен светить, на конденсаторе С11 — напряжение примерно 12V, а на выводах 2 и 5 микросхемы DA1 — около 2,5V. Резистором R7 устанавливают на выводе 6 микросхемы DA1 напряжение 2,9V, что соответствует верхнему порогу отключения (около 245V), а резистором R9 — напряжение 2,2V на выводе 3 микросхемы DA1, что соответствует нижнему порогу отключения (около 195V). После установки напряжений подключают нагрузку, ЛАТРом изменяют напряжение и проверяют напряжения отключения нагрузки. При необходимости их изменяют в нужную сторону резисторами R7 и R9.

Примечание:

Примененные конденсаторы К73-17(С5, С6), хотя и имеют рабочее напряжение 630V, но амплитуда приложенного к ним переменного напряжения не должна превышать 50 % этого значения (315V). Поэтому при сетевом напряжении 230V и более конденсаторы будут работать в запредельном режиме, что снижает надежность устройства. Поэтому лучше использовать конденсаторы К75-10 (2 х 0,47мкФ на 500V или 1 шт. 1мкФ на 500V).

 

БЛОК ЗАЩИТЫ

Следит за уровнем напряжения в сети, и если его величина выходит за заданные пределы отключает нагрузку.

Включение нагрузки происходит не сразу после прихода напряжения сети в норму, а через несколько секунд после этого. Задержка не дает переходным процессам, возникшим в сети, отрицательно повлиять на оборудование.

Включение и выключение нагрузки осуществляется с помощью реле К1. Схема питаются от трансформаторного источника питания на Т1. Напряжение питания микросхемы D1 поддерживается с помощью стабилизатора А1.

Датчиком величины сетевого напряжения служит выпрямитель на VD4 и СЗ, а так же, R1-R4.

На выходе выпрямителя (VD4-СЗ) будет постоянное напряжение, пропорциональное переменному напряжению в сети. Резисторы R1-R4 представляют собой два подстраиваемых делителя напряжения.

Элементы микросхемы D2 образуют своеобразные усилители сигналов датчика. Резистором R4 выставляют нижний порог напряжения сети, а резистором R3 – верхний. Когда в сети напряжение ниже установленного порога напряжение на входе D2.1 сползает в сторону логического нуля. Напряжение на выходе D2.1 начинает повышаться и элемент D1.1 переключается в нулевое состояние на выходе. Это приводит к переключению элемента D1.2 в единичное состояние.

 

Конденсатор С4 быстро заряжается через VD5 и R5. На выходе D1.3 возникает ноль. Транзисторы VT1-VT2 выключаются и реле К1 отключает нагрузку. При входе напряжения в норму происходит обратный процесс и на выходе D1.2 устанавливается ноль. При этом разрядка конденсатора С4 происходит через относительное большое сопротивление R8, поэтому на включение нагрузки уходит несколько секунд (пока С4 разряжается до порога логического нуля). Если напряжение в сети превышает установленный резистором R3 максимальный предел, то срабатывает элемент D2.2. На его выходе напряжение снижается и это приводит к переключению элемента D1.2 в состояние единицы на выходе. Дальше все, как и в случае с понижением напряжения.
Детали. Конденсатор С3 должен быть на напряжение не ниже 400V. Трансформатор Т1 – со вторичной обмоткой 9+9V, и током 300mA. Тип реле К1 зависит от максимальной мощности нагрузки.

 

Устройство защиты.

Работает оно следующим образом:

При выходе напряжения сети за установленные пределы (регулируют нижний R4, верхний – R6) срабатывает таймер DD2 и на его выходе 3 устанавливается низкий уровень, зеленый светодиод VD6 гаснет, семистор ТС 106 отключает нагрузку.

Низкий уровень на выходе 7 таймера DD2 разрешает работу счетчика DD1 К176ИЕ5, который выполняет роль второго таймера, формирующего время задержки на включение нагрузки. Это время зависит от номиналов R14 и С6 и, при указанных на схеме, составляет около 4 минут.

По прошествии 4 минут через дифцепочку С5 R15 и Т2 проходит очень короткий импульс сброса таймера DD2 и, если напряжение в сети нормализовалось, на выводе 3 таймера установится высокий уровень, засветится зеленый светодиод и симистор VD10 ТС106 подключит нагрузку. В противном случае пройдет еще 4 минуты и все повторится, и так будет происходить до тех пор, пока напряжение в сети не нормализуется.

Красный светодиод VD7 индицирует работу таймера на DD1 и, если все нормально, должен мигать каждые 2-3 сек.
Детали: R2 – не менее 1 Вт, СЗ – с малым током утечки. Оптосимистор VD9 МОС 3022 можно заменить на МОС 3020-3062. С1 – не менее чем на 400 В.
Симистор ТС-106 может коммутировать нагрузку до 10А, если необходим больший ток, то нужно заменить его на более мощный (например ТС-132).
Защита предназначена для круглосуточной работы и боится только КЗ на выходе.
При первом включении через защиту нагрузка подключится через 4 минуты, далее – автоматический режим работы.

 

Схема устройства (рис.3).

На операционном усилителе (ОУ) DA1.1 выполнен компаратор, который опрокидывается в состояние лог.”0″ при достижении напряжения сети 195В, на DA1.2 компаратор, который устанавливается в состояние лог “1” при достижении напряжения сети 200В.

На прямые входы ОУ подается опорное напряжение около 6,2В.

Пороги срабатывания компараторов выставляются переменными резисторами R3 и R4.

Если напряжение в сети, ниже 195В, на выходах обоих компараторов присутствует лог “1”. На выходе инвертора DD1.1 – лог “0”, который устанавливает RS-триггер на элементах DD1.2, DD1.3 в “единичное” состояние (уровень лог.”0″ на выводе 4 DD1.3). При этом транзисторы VT2 и VT3 закрыты и реле К1 обесточено.

При повышении сетевого напряжения до 195В в состояние отрицательного насыщения перебрасывается компаратор DA1. 1, на его выходе устанавливается лог “0” и, соответственно, на входе S RS-триггера – уровень лог “1”, и триггер остается в “единичном” состоянии.

Печатная плата показана на рис.4.

При повышении сетевого напряжения до 200В в состояние лог.”0″ переходит и компаратор DA1.2. Уровень лог.”0″ появляется на входе R RS-триггера, и он переключается в “нулевое” состояние. Уровнем лог.”1″ с инверсного выхода RS-триггера открываются транзисторы VT2 и VT3, включается реле К1.

При понижении сетевого напряжения до 200В на выходе компаратора DA1.2 появляется лог”1″, но триггер все равно остается в “нулевом” состоянии, по-прежнему выходное напряжение будет равно сетевому. И только когда сетевое напряжение понизится до 195В, на выходах обоих компараторов появится лог.”1″, на входе S RS-триггера появится лог.”0″, и триггер переходит в “единичное” состояние, реле К1 отпускает. Таким образом, схема не реагирует на повышение напряжения от 195 до 200В и на понижение от 200 до 195В, и “триггерный эффект” в ней отсутствует.

Неиспользуемые выводы (выходы) DA1 и DD1 нужно удалить.

 

По материалам:
http://www.radioradar.net/
http://elwo.ru/
http://pro-radio.ru/
http://lib.qrz.ru/
http://pro-radio.ru/

Индуктивность

• Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• • Единица индуктивности.
• • Факторы, влияющие на индуктивность.
• • Напряжение и ЭДС.
• • Самоиндукция.
• • Обратная э.д.с. и его последствия.

Индуктивность

Ток, создаваемый в проводнике изменяющимся магнитным полем, пропорционален скорости изменения магнитного поля.Этот эффект называется ИНДУКТИВНОСТЬЮ и обозначается символом L. Он измеряется в единицах, называемых генри (H) по имени американского физика Джозефа Генри (1797-1878). Один генри — это величина индуктивности, необходимая для создания ЭДС в 1 вольт в проводнике, когда сила тока в проводнике изменяется со скоростью 1 ампер в секунду. Генри – это довольно большая единица измерения для использования в электронике, причем более распространены миллигенри (мГн) и микрогенри (мкГн). Эти единицы описывают одну тысячную и одну миллионную долю генри соответственно.

Хотя генри обозначается буквой (заглавной)H, в названии генри для единицы индуктивности используется строчная буква h. Форма множественного числа от henry может быть henries или henrys; Американский национальный институт стандартов и технологий рекомендует использовать в публикациях США генри.

Факторы, влияющие на индуктивность.

Величина индуктивности катушки индуктивности зависит от:

• а. Количество витков провода в катушке индуктивности.
• б.Материал ядра.
• в. Форма и размер ядра.
• д. Форма, размер и расположение проволоки, из которой состоят катушки.

Поскольку индуктивность (в генри) зависит от очень многих переменных величин, ее точное вычисление довольно сложно; было разработано множество формул, учитывающих различные конструктивные особенности. Также в этих формулах часто необходимо использовать специальные константы и таблицы преобразования данных для работы с требуемой степенью точности.Использование компьютерных программ и автоматизированного проектирования несколько облегчило ситуацию. Однако внешние воздействия, вызванные другими компонентами и проводкой рядом с индуктором, также могут повлиять на значение его индуктивности после его сборки в цепь, поэтому, когда требуется точное значение индуктивности, одним из подходов является расчет приблизительного значения и проектирование. индуктор, чтобы он был регулируемым.

Типичная формула для приблизительного значения индуктивности катушки индуктивности приведена ниже.Эта конкретная версия предназначена для расчета индуктивности «соленоида, намотанного одним слоем витков бесконечно тонкой ленты, а не проволоки, и с витками, расположенными равномерно и близко друг к другу».

Рис. 3.2.1 Миниатюрный переменный индуктор.

Где:

• L — индуктивность в генри.
• d – диаметр рулона в метрах.
• n – количество витков в катушке.
• l – длина рулона в метрах.

Для катушек, не соответствующих указанным выше спецификациям, необходимо учитывать дополнительные коэффициенты. На рис. 3.2.1 показан один из способов получения достаточно точной индуктивности, используемый в некоторых ВЧ и ВЧ цепях. Миниатюрная катушка индуктивности намотана на пластиковый каркас, в который ввинчен сердечник из феррита (железной пыли) в достаточной степени, чтобы получился сердечник, обеспечивающий необходимую индуктивность.

Напряжение и ЭДС

Напряжение , индуцированное в проводнике, называется э.м.ф. (электродвижущая сила), потому что ее источником является изменяющееся магнитное поле вокруг проводника и вне его. Любое внешнее напряжение (включая напряжение, создаваемое внешней батареей или источником питания) называется ЭДС, а напряжение (разность потенциалов или pd) на внутреннем компоненте цепи называется напряжением.

Обратная э.д.с.

Обратная ЭДС (также называемая ЭДС противодействия) представляет собой ЭДС, создаваемую на индукторе изменяющимся магнитным потоком вокруг проводника, вызванным изменением тока в индукторе.Его значение можно рассчитать по формуле:

Где:

• E — противоэдс индукции. в вольтах
• L – индуктивность катушки в генри.
• ΔI — изменение тока в амперах.
• Δt – время изменения тока в секундах.

Примечания:

Δ (греч. D — дельта) обозначает различие или изменение свойства.

Таким образом, формула описывает противоЭДС как зависимость от индуктивности (в генри), умноженной на скорость изменения тока (в амперах в секунду).

Знак минус перед буквой L указывает на то, что полярность индуцированной обратной ЭДС будет обратной по сравнению с изменением напряжения на проводнике, которое первоначально вызвало изменение тока и последующее изменение магнитного поля.

Помните, что при работе с практическими значениями милли- или микрогенри все значения, используемые в формуле, должны быть преобразованы в стандартные значения генри, ампер и секунд, как описано в нашей брошюре «Советы по математике».

Пример

Поскольку значение противоЭДС зависит от скорости изменения тока, она будет максимальной, когда произойдет самое быстрое изменение.Например, скорость изменения чрезвычайно высока всякий раз, когда ток через катушку индуктивности отключается; тогда изменение может быть от максимума до нуля всего за несколько миллисекунд.

Представьте, что катушка индуктивности 200 мГн, подключенная к источнику питания 9 В, пропускает ток силой 2 ампера. Когда ток отключается, он падает до нуля за 10 мс, какой будет противо-ЭДС, создаваемая на катушке?

E = 200 мГн x 2 А / 10 мс

или

E =200 x 10 ^-3 x 2/10 x 10 ^-3

= 40 вольт

Таким образом, противо-ЭДС, возникающая при выключении, более чем в 4 раза превышает напряжение питания!

Эти импульсы высокого напряжения, возникающие при отключении индуктивного компонента, такого как двигатель или катушка реле, потенциально могут привести к повреждению выходного транзистора или интегральной схемы, переключающей устройство. Поэтому необходимая защита обеспечивается включением диода в выходной каскад, как показано на рис. 3.2.2 и 3.2.3

Защита от обратной ЭДС

Рис. 3.2.2 Обратная э.д.с. Защитный диод.

Защитный диод на рис. 3.2.2, подключенный к катушке индуктивности, обычно смещен в обратном направлении, так как напряжение на его катоде, подключенном к шине питания +V, будет более положительным, чем на его аноде на коллекторе транзистора. Однако при выключении на катушке индуктивности появляется большой всплеск напряжения противоположной полярности из-за коллапса магнитного поля.Во время этого всплеска напряжения коллектор транзистора может находиться под более высоким потенциалом, чем источник питания, за исключением того, что если это произойдет, диод станет смещенным в прямом направлении и предотвратит повышение напряжения коллектора выше, чем на шине питания.

Рис. 3.2.3 Защитные диоды в ULN2803.

На рис. 3.2.3 показан популярный I.C. (ULN2803) для переключения индуктивных нагрузок. Каждый из выходов восьми инвертирующих усилителей защищен диодом, а их общие катоды подключены к положительной шине питания +V на контакте 10.

Самоиндукция

Способ работы самоиндукции зависит от двух взаимосвязанных действий, происходящих одновременно, и от того, что каждое из этих действий зависит от другого.

Действие 1.

Любой проводник, в котором меняется ток, создаст вокруг себя изменяющееся магнитное поле.

Действие 2.

В любом проводнике в МЕНЯЮЩЕМСЯ магнитном поле будет индуцироваться изменяющаяся ЭДС.Величина этой ЭДС индукции и величина индуцированного тока, который она производит в проводнике, будут зависеть от скорости изменения магнитного поля; чем быстрее изменяется поток поля, тем больше будет ЭДС индукции. и его последующее течение.

Эффект индуктора, индуцирующего ЭДС внутри себя, называется самоиндукцией (но часто упоминается просто как индукция). Когда индуктор индуцирует ЭДС в отдельном соседнем индукторе, это называется взаимной индукцией и является свойством, используемым трансформаторами.

Изменяющееся магнитное поле, создаваемое вокруг проводника изменяющимся током в проводнике, приводит к тому, что в этом проводнике возникает переменная ЭДС. Эта переменная ЭДС, в свою очередь, создает переменный ток, текущий в направлении, противоположном первоначальному току. Таким образом, изменения в этом токе противоречат изменениям в первоначальном токе.

Таким образом, эффект Действия 2 заключается в ограничении изменений, происходящих из-за Действия 1. Если первоначальный ток увеличивается, индуцированный ток будет замедлять скорость увеличения.Точно так же, если первоначальный ток уменьшается, индуцированный ток будет замедлять скорость уменьшения. Общий результат этого заключается в уменьшении амплитуды переменного тока через индуктор и, таким образом, уменьшении амплитуды переменного напряжения на индукторе.

Поскольку сила магнитного поля, создаваемого первоначальным током, зависит от скорости (скорости) изменения тока, катушка индуктивности уменьшает поток переменного тока (AC) больше на высоких частотах, чем на низких. Этот ограничивающий эффект, создаваемый ЭДС индукции, будет больше на более высоких частотах, потому что на высоких частотах ток и, следовательно, поток изменяются быстрее. Название, данное этому эффекту, — индуктивное реактивное сопротивление.

Индуктивное реактивное сопротивление.

Реактивное сопротивление создает сопротивление потоку переменного тока. Как и сопротивление, оно измеряется в Омах, но, поскольку сопротивление имеет одинаковое значение на любой частоте, а сопротивление переменному току в катушках индуктивности зависит от частоты, его нельзя назвать сопротивлением.Вместо этого он называется реактивным сопротивлением (X). Конденсаторы также обладают свойством реактивного сопротивления, но они по-разному реагируют на частоту, поэтому существует два типа реактивного сопротивления; катушки индуктивности имеют индуктивное реактивное сопротивление (X _L ), а конденсаторы имеют емкостное реактивное сопротивление (X _C ).

 

 

Собственная индуктивность

Собственная индуктивность
Следующий: Взаимная индуктивность Вверх: Магнитная индукция Предыдущий: Индуктивность Рассмотрим длинный соленоид длины и радиуса , число витков на единицу длины, и несет ток. Продольный ( т.е. , направленный вдоль оси соленоида) магнитное поле внутри соленоида приблизительно однородно, и дается

(907)

Этот результат легко получить, интегрируя закон Ампера по прямоугольному петля, длинные стороны которой идут параллельно оси соленоида, одна внутри соленоида, а другой снаружи, короткие стороны которого проходят перпендикулярно ось. Магнитный поток через каждый виток петли равен .Общий поток через провод соленоида, который имеет витки,

(908)

Таким образом, собственная индуктивность соленоида равна

(909)

Обратите внимание, что самоиндукция зависит только от геометрических величин, таких как число витков на единицу длины соленоида и площади поперечного сечения витков.

Предположим, что ток, протекающий через соленоид, изменяется.Мы должны предположим, что изменение происходит достаточно медленно, чтобы можно было пренебречь смещением эффекты тока и запаздывания в наших расчетах. Это означает, что типичный временной масштаб изменения должен быть намного больше, чем время прохождения световым лучом схема. Если это так, то приведенные выше формулы остаются в силе.

Изменение тока влечет за собой изменение магнитного потока, связывающего соленоид провод, так как . По Фарадею Закон, это изменение генерирует эл.м.ф. в проводе. По закону Ленца Э.Д.С. это так что касается противодействия изменению тока — т. е. , то это противоэдс. Мы можем написать

(910)

где – генерируемая Э.Д.С.

Рисунок 51:

Предположим, что наш соленоид имеет электрическое сопротивление . Разрешите нам соедините концы соленоида с клеммами батареи е.м.ф. . Что сейчас произойдет? Эквивалентная схема показана на рис. 51. Индуктивность и сопротивление соленоида представлены идеальным катушка индуктивности , и идеальный резистор , соединенные последовательно. Падение напряжения между катушкой индуктивности и резистором равна э.д.с. батареи, . Падение напряжения на резисторе просто , тогда как падение напряжения на катушке индуктивности ( т.е. , противоЭДС) равно . Здесь – ток, протекающий через соленоид. Это следует из того

(911)

Это дифференциальное уравнение для тока.Мы можем переставить его на давать

(912)

Общее решение

(913)

Константа фиксируется граничными условиями. Предположим, что аккумулятор подключен во время , если . Отсюда следует, что тот

(914)

Эта кривая изображена на рис.52. Видно, что после подключения аккумулятора ток нарастает и достигает установившегося значения (которое исходит из уравнения Ома). закон), на характерном временном масштабе

(915)

Эта временная шкала иногда называется постоянной времени схемы или, несколько невообразимо, L за время R схемы.

Рисунок 52:

Теперь мы можем оценить значение самоиндукции.Задняя э.д.с. генерируемый в катушке индуктивности, поскольку ток пытается измениться, эффективно предотвращает ток от роста (или падения) намного быстрее, чем время. Этот эффект иногда выгодно, но часто это большая неприятность. Все элементы схемы обладают некоторой собственной индуктивностью, а также некоторым сопротивлением и, следовательно, имеют конечное время. Это означает, что когда мы включаем цепь, ток мгновенно не достигает стационарного значения. Вместо этого подъем распределяется по времени L/R цепи.Это хорошая вещь. Если бы ток возрастал мгновенно, то чрезвычайно большие электрические поля будут генерироваться внезапным скачком индуцированного магнитного поля, ведущим, неизбежно к пробою и возникновению электрической дуги. Так что, если бы не было такого как самоиндукция, то каждый раз, когда вы включали или выключали электрическую цепь будет синяя вспышка из-за искрения между проводниками. Самоиндукция тоже может быть плохо. Предположим, что у нас есть навороченный источник питания, и мы хотим использовать его для отправки электрического сигнала по проводу (или линии передачи).Конечно, провод или линия передачи будут обладать как сопротивлением, так и индуктивностью. и поэтому будет иметь некоторое характерное время. Предположим, что мы попробуйте послать прямоугольный сигнал по проводу. Так как ток в проводе не может расти или опускаться быстрее, чем время, передний и задний фронты сигнал со временем сглаживается. Типичная разница между сигнал, подаваемый в провод (верхняя дорожка), и тот, который выходит из другой конец (нижняя дорожка) показан на рис.53. Понятно, что мало точка с причудливым источником питания, если вы также не обладаете низкой индуктивностью провода или линии передачи, так что сигнал от источника питания может быть передается на какое-либо нагрузочное устройство без серьезных искажений.

Рисунок 53:

---

Следующий: Взаимная индуктивность Вверх: Магнитная индукция Предыдущий: Индуктивность

Ричард Фицпатрик 2006-02-02

Включая средства для использования или компенсации наведенной ЭДС электромагнитного устройства Патенты и патентные заявки (класс 361/159)

Номер патента: 10111805

Реферат: Устройство для лица для формирования относительно высокой разности потенциалов между клеммами питания разной полярности без схемы вольтодобавки для протекания большого тока через кожу человека, что позволяет значительно улучшить функцию ионофореза и одновременно для управления электрическим током. -управляемые модули маски индивидуально без внешнего источника питания для стимуляции полностью или частично.Устройство для массажа лица содержит маску, включающую в себя образованное в ней размещение и вывод, обнажающий отверстие вывода для подачи тока на кожу человека, и по меньшей мере один электроприводной модуль, размещенный в размещении маски, обнажая два вывода разной полярности. наружу через отверстие, открывающее клемму, приводной блок, имеющий вращающийся вал и катушку, охватывающую вращающийся вал, и увеличивающий разность потенциалов между двумя клеммами с помощью наведенной электродвижущей силы катушки.

Тип: Грант

Файл: 13 августа 2012 г.

Дата патента: 30 октября 2018 г.

Правопреемник: КОРПОРАЦИЯ АМОРЭПАСИФИК

изобретателей: Чанман Пак, Чангын Ли, Тэхон Шин, Сынхван И, Чхонхван Хван, Урам Пак, Тэкджин О, Бёнён Кан, Мён Хун Ём, Гаён Чо

Связанные цепи — обзор

Характеристики настроенной цепи

Для заданного циркулирующего ВЧ-тока, наведенного в нее из какого-либо внешнего источника, потенциал переменного тока, возникающий в настроенной цепи L–C, достигает пикового значения на частоте ( F _o ), задаваемое уравнением

FO=1/2πLC

Обычно группу терминов 2π F объединяют вместе и обозначают

символом ω, так что пиковый выход или резонансная частота будут представлены by

ωo=1LC

Неизбежно будут потери электроэнергии в настроенной цепи, что ухудшит ее характеристики, и они обычно группируются как условное сопротивление r , появляющееся последовательно с катушкой.

Рабочие характеристики таких настроенных схем при резонансе количественно оцениваются по коэффициенту усиления схемы или коэффициенту качества, обозначаемому как Q . Для любой данной настроенной схемы LC это можно рассчитать по формуле

Q=ωOLror1ωOCr

. полученный. Это показывает, что Q улучшается по мере уменьшения эквивалентного сопротивления потерь и увеличения отношения L к C .

Типичные значения настроенной схемы Q будут лежать между 50 и 200, если только значение Q не было умышленно снижено в интересах более широкой полосы пропускания РЧ-сигнала, обычно путем добавления дополнительного резистора, R, параллельно с настроенной цепью.

Тип селективности, обеспечиваемый такой единственной настроенной схемой, показан для различных значений Q на рис. 2.17 (a). Реальная дискриминация частот, отличных от нужной, явно не очень хорошая, и ее можно рассчитать по формуле

рис. 2.17. Кривые отклика одиночных (а) и полосовых (б) настроенных схем.

δF=FO/2Q

, где δ F — ширина полосы «половина мощности».

Одна из проблем с одиночными настроенными цепями, которая преувеличена, если несколько таких настроенных цепей расположены каскадом для улучшения избирательности, заключается в том, что падение выходного напряжения такой системы, так как частоты отличаются от частоты резонанса , вызывает очень быстрое затухание высоких звуковых частот в любом приемнике АМ-типа, в котором использовалось такое устройство настройки, как показано на кривой «а» на рис.2.18.

Рис. 2.18. Влияние характеристик избирательности настроенной цепи на АЧ-отклик приемника AM.

Ясно, что эта потеря высоких звуковых частот совершенно неприемлема, и решение, принятое для АМ-приемников, состоит в использовании пар настроенных цепей, соединенных взаимной индуктивностью, L _m , или, в случае разделенных цепей , конденсатором связи, C _c .

Это приводит к кривой АЧХ с плоской вершиной, показанной на

Рис.2.17(b), при использовании критической связи, когда коэффициент связи

k=1/Q1Q2

полосно-настраиваемый контур.

CC=C¯t/Q

где L _m – необходимая взаимная индуктивность, L¯ – средняя индуктивность катушек, C¯t – среднее значение подстроечных конденсаторов, а C _c – необходимая емкость связи.

В случае настроенной схемы с критически связанной полосой пропускания избирательность выше, чем у одиночной настроенной схемы, несмотря на частотную характеристику с плоской вершиной. Принимая случай F _o = 1 МГц и Q = 100, как для цепей с одинарной, так и с двойной настройкой затухание будет составлять –6 дБ на частоте расстройки 10 кГц. При отклонении на 20 кГц затухание будет составлять –12 дБ и –18 дБ соответственно, а при отклонении на 30 кГц оно будет составлять –14 дБ и –24 дБ для этих двух случаев.

Из-за того, что частотная характеристика с плоской вершиной возможна в схемах с полосовой связью, их можно включить каскадом в конструкцию приемника, не подвергаясь потерям аудиосигнала на ВЧ в любой точке вплоть до начала «юбки» затухания настроенная схема. Например, три такие группы цепей с полосой пропускания 1 МГц со схемой Q из 100 дадут следующие характеристики избирательности.

•

5 кГц = 0 дБ

•

10 KHZ = -18 дБ

•

9

9002

•

30 kz = -72 дБ

, как показано на кривой «b» на рис.2.18. Кроме того, поскольку ширина полосы пропорциональна частоте и обратно пропорциональна Q , характеристики избирательности для любой другой частоты или значения Q могут быть получены из этих данных путем экстраполяции.

Очевидно, что этот тип кривой избирательности не соответствует идеалу, особенно в отношении допустимой ширины звуковой полосы, но характеристики избирательности такого типа были основой большинства АМ-радиоприемников за последние шестьдесят или более лет. В самом деле, поскольку это идеальный случай для оптимально спроектированного и тщательно настроенного приемника, многие коммерческие системы будут даже хуже, чем эта.

Для FM-приемников, где требуется полоса пропускания 220–250 кГц, можно использовать только очень низко настроенные схемы Q , даже на частоте 10,7 МГц, на которой достигается большая часть радиочастотного усиления. Таким образом, используется альтернативный метод, чтобы обеспечить, по крайней мере, часть требуемой селективности по соседнему каналу. Это фильтр поверхностных акустических волн.

Индуктивность и индуктивное реактивное сопротивление — Inst Tools

Индуктивность

Любое устройство, работа которого зависит от магнетизма или магнитных полей, представляет собой разновидность индуктора. Двигатели, генераторы, трансформаторы и катушки являются индукторами. Использование катушки индуктивности в цепи может привести к тому, что ток и напряжение станут противофазными и неэффективными, если это не будет исправлено.

Индуктивное реактивное сопротивление

В индуктивной цепи переменного тока ток постоянно изменяется и постоянно индуцирует ЭДС.Поскольку эта ЭДС противодействует постоянному изменению протекающего тока, ее влияние измеряется в омах. Это противодействие индуктивности протеканию переменного тока называется индуктивным реактивным сопротивлением (X _L ).

Приведенное ниже уравнение является математическим представлением тока, протекающего в цепи, которая содержит только индуктивное реактивное сопротивление.

где

I = эффективный ток (А)
X _L = индуктивное реактивное сопротивление (Ом)
E = эффективное напряжение на реактивном сопротивлении (В)

Значение X _L в любой цепи зависит от индуктивности цепи и скорости изменения тока в цепи.Эта скорость изменения зависит от частоты приложенного напряжения.

Приведенное ниже уравнение является математическим представлением для X _L .

X _Д  = 2πfL

, где
π = ~3,14
f = частота (Гц)
L = индуктивность (Генри)

Величина ЭДС индукции в цепи зависит от того, насколько быстро изменяется поток, связывающий цепь. В случае ЭДС самоиндукции (например, в катушке) в катушке индуцируется противоЭДС из-за изменения тока и потока в катушке.Эта КЭДС (противоЭДС) противодействует любому изменению тока, и ее значение в любой момент времени будет зависеть от скорости, с которой в это время изменяются ток и поток. В чисто индуктивной цепи сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с индуктивным реактивным сопротивлением. Прикладываемое к цепи напряжение всегда должно быть равно и противоположно ЭДС самоиндукции.

Чему равна ЭДС самоиндукции в катушке? Значение самоиндукции

>> Самоиндукция.Индуктивность

§ 15 САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ

Самоиндукция . Если через катушку протекает переменный ток, то магнитный поток, пронизывающий катушку, изменяется. Поэтому в том же проводнике, по которому течет переменный ток, возникает ЭДС индукции. Это явление называется самоиндукцией .

При самоиндукции токопроводящая цепь выполняет двоякую роль: переменный ток в проводнике вызывает появление магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.А так как магнитный поток со временем меняется, появляется ЭДС индукции. Согласно правилу Ленца, в момент нарастания тока напряжённость вихревого электрического поля направлена ​​против тока. Следовательно, в этот момент вихревое поле препятствует росту тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его.

Явление самоиндукции можно наблюдать в простых экспериментах. На рис. 2.13 показана схема параллельного соединения двух одинаковых ламп.Один из них подключен к источнику через резистор R, а другой последовательно с катушкой L, снабженной железным сердечником.

При замыкании ключа первая лампа мигает практически сразу, а вторая – с заметной задержкой. ЭДС самоиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения (рис. 2.14).

Возникновение ЭДС самоиндукции при размыкании можно наблюдать в эксперименте со схемой, схематично представленной на рис.2.15. При открывании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. В результате в момент открытия через гальванометр протекает ток (цветная стрелка), направленный против начального тока до открытия (черная стрелка). Ток при разомкнутой цепи может превышать ток, проходящий через гальванометр при замкнутом выключателе. Это означает, что ЭДС самоиндукции больше, чем ЭДС батареи ячеек.

Содержание урока план урока опорная рамка презентация урока ускоренные методы интерактивные технологии практика заданий и упражнений самопроверка мастер-классы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания вопросы для обсуждения риторические вопросы от учащихся иллюстрации аудио, видео ролики и мультимедиа фото, картинки схемы, таблицы, схемы юмор, анекдоты, анекдоты, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основной и дополнительный словарь терминов прочее Улучшение учебников и уроков Исправление ошибок в учебнике Обновление фрагмента в учебнике Элементы нововведений в уроке Замена устаревших знаний на новые Только для учителей идеальные уроки календарь план на год руководство обсуждение повестка дня интегрированные уроки

Общеизвестно, что поезд, отправляющийся со станции, не может сразу набрать необходимую скорость.

Требуемая скорость достигается только через определенный промежуток времени. В течение этого интервала значительная часть энергии локомотива расходуется на преодоление инерции поезда, т. е. на образование запаса кинетической энергии, и очень малая часть на преодоление трения.

В связи с тем, что движущийся поезд имеет запас кинетической энергии, он не может остановиться мгновенно и будет двигаться по инерции некоторое время, то есть до полного запаса кинетической энергии, сообщаемой ему локомотивом в начале движения было потрачено на трение.

Аналогичные явления происходят в замкнутой электрической цепи при включении и выключении тока.

В момент включения постоянного тока (рисунок 1) вокруг проводника образуется магнитное силовое поле .

Рисунок 1. Инерция электрического тока. При включении тока вокруг проводника возникает магнитное поле.

В первые моменты после включения тока значительная часть энергии источника тока расходуется на создание этого магнитного поля и лишь небольшая часть на преодоление сопротивления проводника, а точнее на нагрев проводника током . Поэтому в момент замыкания цепи ток не сразу достигает своего предельного значения . Предельная сила тока устанавливается в цепи только после окончания процесса формирования магнитного поля вокруг проводника (рис. 2).

Рисунок 2. При включении источника тока ток в цепи устанавливается не сразу.

Если, не разрывая замкнутую цепь, отключить от нее источник тока, то ток в цепи не прекратится сразу, а будет протекать в ней, постепенно уменьшаясь в течение некоторого времени (рис. 3), пока магнитное поле вокруг проводника не прекратится исчезает, т.е. То есть до тех пор, пока не будет израсходован весь запас энергии, содержащейся в магнитном поле.

Рис. 2. Влияние ЭДС самоиндукции на ток в цепи. При отключении источника тока ток в цепи прекращается не сразу.

Итак, магнитное поле является носителем энергии. Он накапливает в себе энергию при включении источника постоянного тока и отдает ее обратно в цепь после выключения источника тока. Таким образом, энергия магнитного поля имеет много общего с кинетической энергией движущегося объекта. Магнитное поле вызывает «инерцию» электрического тока.

Мы знаем, что всякий раз, когда магнитный поток изменяется, проникая в область, ограниченную замкнутой электрической цепью, в этой цепи возникает ЭДС индукции .

Кроме того, мы знаем, что любое изменение силы тока в цепи влечет за собой изменение числа силовых линий магнитного поля, охватываемых этой цепью.Если замкнутая цепь неподвижна, то число магнитных силовых линий, пронизывающих данную область, может измениться только при выходе новых линий за пределы этой области или при выходе существующих линий за пределы этой области. В обоих случаях магнитные силовые линии при своем движении должны пересекать проводник. Пересекая проводник, магнитные силовые линии наводят в нем ЭДС индукции. Но так как в этом случае проводник наводит в себе ЭДС, то эта ЭДС называется ЭДС самоиндукции .

При подключении источника постоянного тока к какой-либо замкнутой цепи в область, ограниченную этой цепью, начинают проникать извне магнитные силовые линии. Каждая силовая линия магнитного поля, идущая извне, пересекая проводник, индуцирует в нем ЭДС самоиндукции.

Электродвижущая сила самоиндукции, действующая против ЭДС источника тока, задерживает нарастание тока в цепи. Через несколько мгновений, когда нарастание магнитного потока вокруг цепи прекратится, исчезнет ЭДС самоиндукции и в цепи установится сила тока, определяемая законом Ома:

И = У/Р

При выключении источника тока из замкнутого контура магнитные силовые линии должны исчезнуть из пространства, ограниченного проводником.Каждая выходящая силовая линия магнитного поля при пересечении проводника наводит в нем ЭДС самоиндукции, имеющую то же направление, что и ЭДС источника тока; следовательно, ток в цепи не прекратится сразу, а будет течь в том же направлении, постепенно уменьшаясь до того момента, пока магнитный поток внутри цепи полностью не исчезнет. Ток, протекающий по цепи после отключения от нее источника тока, называется током самоиндукции.

Если при выключении источника происходит разрыв цепи, то возникает ток самоиндукции в виде искры в месте размыкания цепи.

Самоиндукция – это появление в проводнике электродвижущей силы (ЭДС), направленной в сторону, противоположную напряжению источника питания, при протекании тока. Причем это происходит в момент изменения силы тока в цепи. Изменяющийся электрический ток создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ЭДС в проводнике.

Это похоже на формулировку закона электромагнитной индукции Фарадея, которая гласит:

При прохождении магнитного потока через проводник в последнем возникает ЭДС.Она пропорциональна скорости изменения магнитного потока (мат. производной по времени).

Е = dФ / dt ,

Где Е – ЭДС самоиндукции, измеряемая в вольтах, F – магнитный поток, единица измерения Вб (вебер, она же равна В/с)

Индуктивность

Мы уже говорили, что индуктивным цепям присуща самоиндукция, поэтому рассмотрим явление самоиндукции на примере индуктора.

Катушка индуктивности представляет собой элемент, представляющий собой катушку с изолированным проводником.Для увеличения индуктивности увеличивают число витков или помещают внутрь катушки сердечник из магнитомягкого или другого материала.

Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн). Индуктивность показывает, насколько сильно проводник сопротивляется электрическому току. Так как вокруг каждого проводника, по которому течет ток, образуется магнитное поле, и если поместить проводник в переменное поле, то в нем появится ток. В свою очередь магнитные поля каждого витка катушки сворачиваются.Тогда вокруг катушки, по которой течет ток, возникнет сильное магнитное поле. При изменении его силы в катушке будет меняться и магнитный поток вокруг нее.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, если переменный магнитный поток проникнет в катушку, то в ней возникнет ток и ЭДС самоиндукции. Они предотвратят протекание тока в катушке индуктивности от источника питания к нагрузке. Их также называют экстратоками ЭДС самоиндукции.

Формула ЭДС собственной индуктивности по индуктивности:

То есть чем больше индуктивность, и чем больше и быстрее изменился ток, тем сильнее будет всплеск ЭДС.

При увеличении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая направлена ​​против напряжения источника питания, соответственно рост тока будет замедляться. То же самое происходит и при уменьшении – самоиндукция приведет к появлению ЭДС, которая будет поддерживать ток в катушке в том же направлении, что и раньше.Отсюда следует, что напряжение на выводах катушки будет противоположно полярности источника питания.

На рисунке ниже видно, что при включении/выключении индуктивной цепи ток не возникает скачком, а изменяется постепенно. Об этом говорят и законы коммутации.

Другое определение индуктивности звучит так: магнитный поток пропорционален току, но в его формуле индуктивность выступает как коэффициент пропорциональности.

Трансформатор взаимной индукции

Если разместить две катушки в непосредственной близости, например, на одном сердечнике, то будет наблюдаться явление взаимной индукции. Пропустим переменный ток через первый, тогда его переменный ток проникнет в витки второго и на его выходах появится ЭДС.

Эта ЭДС будет зависеть от длины провода, соответственно количества витков, а также от величины магнитной проницаемости среды.Если разместить их вплотную друг к другу, ЭДС будет низкой, а если взять сердечник из магнитомягкой стали, то ЭДС будет гораздо выше. Собственно, так работает трансформатор.

Интересно: такое взаимное влияние катушек друг на друга называется индуктивной связью.

Польза и вред

Если разбираться в теоретической части, то стоит подумать, где на практике применяется явление самоиндукции. Давайте посмотрим на примеры того, что мы видим в повседневной жизни и технике.Одно из самых полезных приложений — это трансформатор, принцип его работы мы уже рассмотрели. Сейчас они встречаются все реже и реже, но раньше в светильниках ежедневно использовались люминесцентные трубчатые лампы. Принцип их работы основан на явлении самоиндукции. Ее схемы вы можете увидеть ниже.

После подачи напряжения ток протекает по цепи: фаза – дроссель – спираль – стартер – спираль – ноль.

Или наоборот (фаза и ноль).После срабатывания стартера его контакты размыкаются, затем (катушка с большой индуктивностью) стремится сохранить ток в том же направлении, наводит большую ЭДС самоиндукции и происходит зажигание ламп.

Аналогично это явление относится к цепи зажигания автомобиля или мотоцикла, работающего на бензине. В них в разрыв между дросселем и минусом (массой) устанавливается механический (прерыватель) или полупроводниковый ключ (транзистор в ЭБУ). Этот ключ в момент, когда в цилиндре должна образоваться искра для воспламенения топлива, разрывает цепь питания катушки.Тогда энергия, запасенная в сердечнике катушки, вызывает увеличение ЭДС самоиндукции и напряжение на электроде свечи увеличивается до тех пор, пока не произойдет пробой разрядника, или пока катушка не сгорит.

В источниках питания и звуковом оборудовании часто необходимо удалить из сигнала лишние пульсации, шумы или частоты. Для этого используются фильтры разной конфигурации. Один из вариантов — фильтры LC, LR. Предотвращая рост тока и соответственно сопротивления переменного тока, можно достичь поставленных целей.

ЭДС самоиндукции вредят контактам выключателей, автоматических выключателей, розеток, автоматических выключателей и прочего. Возможно, вы замечали, что когда вы вытаскиваете вилку работающего пылесоса из розетки, внутри него очень часто заметна вспышка. Это сопротивление изменению тока в катушке (в данном случае обмотке двигателя).

В полупроводниковых ключах ситуация более критична – даже малая индуктивность в цепи может привести к их пробою, при достижении пиковых значений Uке или Uси.Для их защиты устанавливаются снабберные цепи, на которых рассеивается энергия индуктивных перенапряжений.

Заключение

Подведем итоги. Условиями возникновения ЭДС самоиндукции являются: наличие индуктивности в цепи и изменение тока в нагрузке. Это может происходить как в процессе эксплуатации, при изменении режимов или возмущающих воздействий, так и при переключении устройств. Это явление может нанести вред контактам реле и пускателей, так как приводит к размыканию индуктивных цепей, например, электродвигателей.Для снижения негативного воздействия большая часть коммутационного оборудования оснащена дугогасительными камерами.

В полезных целях явление ЭДС используется довольно часто, от фильтра для сглаживания пульсаций тока и частотного фильтра в аудиоаппаратуре, до трансформаторов и высоковольтных катушек зажигания в автомобилях.

Надеемся, теперь вы понимаете, что такое самоиндукция, как она проявляется и где ее можно использовать. Если у вас остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы (редактирование)

При изменении тока в цепи изменяется поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную этой цепью, изменение потока магнитной индукции приводит к возбуждению ЭДС самоиндукции. Направление ЭДС оказывается таким, что при увеличении тока в цепи ЭДС препятствует увеличению тока, а при уменьшении тока – уменьшению.

Значение ЭДС пропорционально скорости изменения силы тока I и индуктивности контура L :

.

Из-за явления самоиндукции в электрической цепи с источником ЭДС, при замыкании цепи ток устанавливается не мгновенно, а через некоторое время.Аналогичные процессы происходят при размыкании цепи, при этом величина ЭДС самоиндукции может значительно превышать ЭДС источника. Чаще всего в обычной жизни используется в катушках зажигания автомобилей. Типичное напряжение самоиндукции при напряжении батареи 12В составляет 7-25кВ.

Фонд Викимедиа. 2010.

Смотреть что такое “ЭДС самоиндукции” в других словарях:

ЭДС самоиндукции – – [Я.Н. Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Предметы электротехники, основные понятия EN ЭДС самоиндукцииФарадеевское напряжение, индуктивность, напряжение, самоиндукция… …

Это явление ЭДС индукции в проводящей цепи при изменении тока, протекающего по цепи. При изменении тока в контуре пропорционально изменяется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром.Изменить… … Википедия

– (от лат. inductio руководство, побуждение), величина, характеризующая магн. Св. ва эл. цепи. Ток, протекающий в проводящем контуре, создает магнит в окружающей среде. поле, а магнитный поток F, пронизывающий контур (связанный с ним), прямолинейный… … Физическая энциклопедия

реактивная мощность – Величина, равная произведению действующего значения напряжения на действующее значение тока и синусоидального сдвига фаз между напряжением и током двухполюсника для синусоидального электрического тока и электрического напряжения.[ГОСТ Р 52002 2003]… … Справочник технического переводчика

Раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях. ЭЛЕКТРОСТАТИКА В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между… … Энциклопедия Кольера

Электрическая машина, не имеющая движущихся частей и преобразующая переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. В простейшем случае он состоит из магнитопровода (сердечника) и двух расположенных на нем первичных обмоток и… … Энциклопедический словарь

Физика 10-11 класс. САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому течет ток, находится в своем магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике изменяется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока приводит к возникновению вихревого электрического поля и в цепи возникает ЭДС индукции.

Это явление называется самоиндукцией.
Самоиндукция – явление ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока.
Возникающая ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в электрической цепи увеличивается ток, что вызывает увеличение магнитного потока в катушке, возникает вихревое электрическое поле, направленное против тока, т.е.е. В катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует росту тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).
В результате L1 загорается позже , чем L2.

Разомкнутая цепь

При размыкании электрической цепи ток уменьшается, происходит уменьшение расхода в змеевике, возникает вихревое электрическое поле, направленное подобно току (стремящееся сохранить ту же силу тока), т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает ток в цепи.

Почему и как защитить свое снаряжение от ЭМИ

Некоторые ссылки в этом посте могут содержать партнерские ссылки для вашего удобства. Как сотрудник Amazon я зарабатываю на соответствующих покупках.

Одним из самых страшных событий выживания, о котором должны быть обеспокоены выживальщики, является атака, связанная с высотным электромагнитным импульсом, также называемым HEMP. Все ядерное оружие создает ЭМИ, но при взрыве высоко в атмосфере генерируемый ЭМИ настолько силен, что может разрушить электронику и навсегда вывести из строя энергосистему по всей стране.Из-за этого многие выживальщики заинтересованы в мерах защиты от ЭМИ для своей электроники.

Хотя в последнее время появилось несколько развлекательных заведений, посвященных этому типу событий, типичных для Голливуда, изменения в физике и реальности были внесены, чтобы лучше соответствовать сюжету. Давайте рассмотрим некоторые факты и то, как вы можете защитить свое чувствительное электронное оборудование от атаки ЭМИ.

Трудно получить фактическую информацию по

Первое, на что нам нужно обратить внимание, это явное отсутствие доступной информации об ЭМИ и его эффектах.Большая часть того, что мы знаем, получена в результате ядерных испытаний, как американских, так и советских, в 1960-х годах. Данные и информация после этого периода все еще строго засекречены, поэтому все, что нам нужно, — это то, что было рассекречено из этой более ранней эпохи испытаний. Однако этой информации, наряду с несколькими последними данными, достаточно, чтобы сделать разумные прогнозы.

Второе, что нам нужно понять, это то, что атака HEMP на Соединенные Штаты настолько серьезна, насколько это возможно. Эксперты предсказывают, что 70-90% американцев умрут в течение 12-18 месяцев после ЭМИ-атаки.Причиной этого является крайняя зависимость от электричества и делокализация ресурсов, таких как еда, вода и средства санитарии.

ЭМИ можно выжить, но вам нужно начать готовиться к нему сейчас. В отличие от других стихийных бедствий, здесь нет предупреждения или предвестника, а также нет возможности «завершить подготовку», как только оно произойдет. ЭМИ — это мгновенное событие. Через секунду после ЭМИ-атаки свет гаснет навсегда.

Через секунду после ЭМИ-атаки свет гаснет навсегда. Нажмите, чтобы твитнуть

Столь же смертоносный выброс корональной массы

Корональный выброс массы, или CME, — это еще одно событие, которое может вывести из строя всю энергосистему.Когда сильно заряженные частицы плазмы с поверхности Солнца врезаются в магнитосферу Земли, они индуцируют электрический ток в длинных линиях металла, таких как провода и трубы. Эта индукция тока разрушит трансформаторы, необходимые для передачи электроэнергии по сети, что по существу лишит энергосистему возможности оставаться в рабочем состоянии.

Однако, в отличие от ЭМИ, событие CME не разрушает электронные устройства, если только они не подключены к электросети или длинным линиям, которые будут собирать наведенный ток.Чтобы узнать больше о различиях между EMP и CME, вы можете прочитать об этом здесь.

Зачем защищать электронику?

В этой статье мы расскажем, как сделать простую клетку Фарадея для защиты ваших электронных устройств. Есть две основные причины, по которым вы хотите защитить свое снаряжение от ЭМИ. Во-первых, возможность общаться по радио и генерировать энергию может дать вам огромное тактическое преимущество при попытке выжить в бессильном мире.

Во-вторых, огромное количество информации, которую вы можете хранить в цифровом формате.Поскольку сегодня вряд ли кто-то помнит, как делать вещи в «старом мире», эта информация позволит вам перезапустить свою жизнь на уровне середины 1800-х годов.

Что такое клетка Фарадея?

Клетка Фарадея названа в честь Майкла Фарадея, ученого, открывшего ее свойства для защиты от электромагнитных волн, включая электричество. Вы можете построить дома простые клетки Фарадея по очень низкой цене, которые будут работать так же хорошо, как и дорогие, которые использует правительство.Все, что для этого нужно, — это обычные предметы домашнего обихода.

Клетка Фарадея защищает свое содержимое, предотвращая проникновение внутрь электромагнитной энергии. В дорогих приборах Фарадея используется комбинация тонкой медной сетки и твердого алюминия. Вы можете построить свой собственный дома, используя алюминиевую фольгу и мусорное ведро из оцинкованной стали. Между прочим, экран Фарадея на самом деле не обязательно должен быть клеткой, это просто все, что блокирует электромагнитное излучение.

В Интернете есть много мест, где утверждается, что все, что вам нужно сделать, это положить свое снаряжение в микроволновую печь или майларовый пакет, и оно будет защищено от ЭМИ.Было бы замечательно, если бы они работали, но, к сожалению, я очень скептически к ним отношусь. Вы можете легко протестировать их и убедиться в этом сами.

Диапазон частот для ЭМИ примерно от AM-радио до примерно FM-радио (на самом деле частоты ЭМИ имеют гораздо более широкий диапазон, но сравнение AM/FM-радио достаточно близко). Сигналы AM достигают частоты 540 кГц, а диапазон FM-радио останавливается на частоте 108 МГц. Не беспокойтесь, если эти частоты ничего для вас не значат. Важно знать, что вы можете проверить, насколько эффективно контейнер будет работать при экранировании электромагнитных частот, просто используя AM/FM-радио.

Сначала настройте радио на сильную FM-станцию ​​и увеличьте громкость. Поместите его в клетку Фарадея, которую вы тестируете, и послушайте, принимает ли радиостанция все еще радиостанцию. Не волнуйтесь, если это не так, так как от FM-сигналов очень легко защититься.

Затем настройте радиостанцию ​​на сильную АМ-станцию ​​и повторите проверку. Низкочастотные AM-сигналы очень хорошо проникают сквозь объекты. Если вы больше не слышите АМ-станцию, это хороший знак. Все, что может блокировать сильные радиосигналы AM и FM, вероятно, станет хорошей клеткой Фарадея. Имейте в виду, однако, что мощность этих сигналов в вашем доме относительно слаба (если только вы не живете под радиовышкой).

Это важно знать, потому что вы увидите в Интернете видео, где люди кладут свои мобильные телефоны в микроволновую печь, майларовый пакет или какой-либо другой тип защиты «Фарадея» и демонстрируют эффективность, показывая, как сотовый телефон теряет сигналы WiFi и сотовой вышки. .

Сигналы сотовой связи

изначально очень слабые, и их очень легко заблокировать.Эти демонстрации не являются хорошим тестом для защиты от ЭМИ. Пищевая майларовая сумка не помешает даже 11-ваттному сигналу Wi-Fi (частота 2,4 ГГц) достичь моего iPhone, когда он находится рядом с беспроводным маршрутизатором. Это точно не остановит разрушительный импульс ЭМИ.

Я сам проводил испытания средств ЭМИ-защиты

В поисках недорогого способа защитить свое электронное оборудование от ЭМИ автор лично протестировал несколько методов. Как я уже упоминал, тесты несовершенны, потому что мы тестируем только определенный диапазон частот, но мы можем получить действительно хорошую информацию из этих тестов.

Одно испытание включало в себя пребывание на вершине горы, заполненной радиоантеннами. Суммарная мощность всех этих радиовышек составляла 9 000 000 ватт радиочастотной энергии! Еще один тест стоял у основания AM-станции мощностью 50 000 Вт.

Итак, что сработало?

С помощью радиотеста AM/FM было обнаружено, что майларовые пакеты и микроволновые печи не являются хорошими клетками Фарадея. Оба они потерпели неудачу в моем доме. Они просто плохо работали вообще. Когда я настроил AM-радио на сильную станцию ​​и поставил его в микроволновку, я все еще мог слышать станцию.Экранирование микроволновой печи настроено так, чтобы блокировать сигналы в диапазоне 2,4 ГГц, что соответствует большинству маршрутизаторов Wi-Fi (большинство сотовых телефонов также близки к этому диапазону). Таким образом, когда вы кладете в них свой мобильный телефон, неудивительно, что они теряют сигнал. Они также могут блокировать большинство FM-радиостанций. Однако из-за природы более длинных радиоволн AM-сигналы проходят прямо через экран, которым оснащены современные микроволновые печи.

Поскольку сумки из майлара намного легче транспортировать, чем микроволновую печь, они были протестированы на площадках с радиоантеннами.Даже плотно завернув рацию в два майларовых пакета, сигналы все равно проходили. На самом деле сумки из майлара, похоже, вообще не уменьшали радиочастотное излучение.

Оказывается, очень эффективную меру защиты от ЭМИ, или экранирование, можно сделать из алюминиевой фольги. Обычная сверхпрочная алюминиевая фольга успешно заблокировала все девять миллионов ватт радиочастотной энергии от попадания в радиоприемники. Радио нужно было завернуть в три слоя, но это сработало! Однако для сигналов AM мне понадобилось пять слоев, чтобы успешно блокировать радиочастотную энергию.

Это означает, что вы сможете легко защитить свое электронное оборудование от ЭМИ, просто обернув его алюминиевой фольгой. Я также обнаружил, что размещение обернутого фольгой радиоприемника в мусорном баке из оцинкованной стали может значительно повысить эффективность защиты.

Вот как это сделать

Для начала обратите внимание на несколько вещей:

• Устройство должно быть полностью окружено как минимум тремя слоями алюминиевой фольги.
•  Используйте минимум 5 слоев, если вы не собираетесь использовать второй слой защиты, например.г. металлический мусорный бак.
•  Фольга не должна касаться устройства напрямую, поэтому сначала оберните ее бумагой или тканью. Я использую ткань.
•  Упакованное в фольгу устройство не должно касаться внутренней части внешнего контейнера Фарадея.
•  Чтобы клетка Фарадея была эффективной, металл должен полностью окружать защищаемое устройство.
•  Используйте прочную алюминиевую фольгу, чем толще, тем лучше.

Когда вы заворачиваете свое электронное устройство, важно, чтобы оно не касалось фольги.В противном случае это все равно, что сделать антенну для ЭМИ, чтобы добраться прямо до предмета, который вы пытаетесь защитить. Вы можете защитить его, завернув устройство в бумагу, вощеную бумагу, конверт или картонную коробку. Что лучше подходит для того, что вы заворачиваете в фольгу. Если устройство имеет выступы, лучше обернуть его чем-то более толстым, чем тонкая полиэтиленовая пленка или бумага. Используйте какую-нибудь коробку или конверт. Это поможет не дать предмету проткнуть фольгу.

Извлеките батарейки из электроники.

Если на вашем устройстве есть антенна, которая не втягивается и не складывается в устройство, и ее можно снять, снимите ее. Аналогично для любых шнуров или проводов. Удалять их необязательно, но это может затруднить обертывание. Вы не хотите, чтобы выступающие части торчали сквозь фольгу, так как это аннулирует любую защиту Фарадея. Просто убедитесь, что все провода, шнуры и антенны полностью находятся внутри фольги.

Если в устройстве есть съемный аккумулятор, извлеките его и храните отдельно.Последнее, что вы хотите, это узнать, что батареи протекли и испортили оборудование, для защиты которого вы приложили столько усилий.

Вы можете использовать что-нибудь непроводящее, чтобы обернуть устройства, здесь я использовал старый лист и полиэтиленовую пленку. Лист ткани предотвращает высовывание «остроконечных» частей устройства через фольгу, а полиэтиленовая пленка удерживает ткань на месте. Я мог бы использовать клейкую ленту, но полиэтиленовая пленка многоразовая, и я могу видеть сквозь нее, чтобы убедиться, что ткань на месте.Я не использую пластиковую пленку непосредственно на устройствах, так как я не хочу, чтобы какие-либо буквы или надписи на устройстве прилипали к пластику при длительном хранении и отрывались, когда я снимаю пленку.

Все завернуто.

Оберните устройство фольгой, убедившись, что все области вокруг устройства имеют как минимум 3 слоя. Если вы не собираетесь хранить эти завернутые в фольгу предметы в другом контейнере Фарадея, обязательно оберните устройство 5 слоями фольги. В тестах, которые я провел, кажется, что обертывание каждого слоя по отдельности работает лучше, чем складывание фольги в двойной слой, а затем обертывание.

Вам не нужно упаковывать каждый предмет по отдельности. Вы можете сэкономить время и место и избежать необходимости в ткани и пластиковой упаковке, поместив несколько устройств в небольшую сумку, тканевый мешочек или коробку.

Объедините снаряжение в сумку.

Что делать, если вы хотите защитить устройства с внутренними батареями, которые нельзя извлечь? Многие из этих предметов будут полезны в мире после ЭМИ, но вам нужно будет определить способ их хранения и периодической подзарядки батарей.

После того, как вы обернули все свои устройства несколькими слоями алюминиевой фольги, вы сделали большой шаг в защите их от ЭМИ.Тем не менее, вы должны поместить все эти завернутые в фольгу предметы в другой слой защиты Фарадея, ЭМИ является чрезвычайно мощным импульсом, и каждый слой между ним и устройством снижает его способность разрушать электронику.

Закройте крышку!

Один из самых простых способов сделать этот второй слой — положить их в мусорный бак из оцинкованной стали. С плотно закрывающейся крышкой удивительно, насколько хорошо это работает.

Поскольку вам необходимо, чтобы предметы внутри мусорного ведра не касались внутреннего металла мусорного ведра, выложите мусорное ведро картоном. Если предмет, завернутый в фольгу, касается внутренней части банки, это похоже на то, что существует только один уровень защиты, и в конечном итоге ЭМИ может сфокусироваться прямо на устройстве. Плохая вещь.

После того, как вы завернули свои предметы и выровняли банку, поместите их в банку и закройте крышкой. Вы можете приклеить крышку клейкой лентой, чтобы она случайно не оторвалась. Любой зазор между крышкой и банкой, и она теряет свою способность функционировать как клетка Фарадея. Если у вас есть место, заверните предметы в большее количество ткани, чтобы защитить их от случайного смещения и разрыва или дыры в фольге при перемещении банки.

Как видно из рисунка выше, в 31-галлонном мусорном баке много места. Упакуйте предметы, которые можно оставить запечатанными в фольге на неопределенный срок, на дно и поместите сверху предметы, которые необходимо проверить или зарядить батареи. Если вам случится заполнить банку оборудованием, убедитесь, что вы положили сверху ткань или другой непроводящий материал, чтобы ничего не касалось внутренней части крышки банки или верхней части по бокам. Кроме того, убедитесь, что у вас есть металлический контакт между крышкой и банкой.Не кладите краску, ленту или что-либо еще, что может попасть между банкой и крышкой, так как это может сделать банку неэффективной в качестве клетки Фарадея.

Последнее примечание

Если случится ЭМИ-атака, не спешите открывать клетку Фарадея и вытаскивать снаряжение. Враг может взорвать первый ЭМИ, а затем подождать несколько дней или неделю, прежде чем взорвать еще один. Таким образом, они могли гарантировать, что уничтожат как можно больше.

Рассмотрите возможность размещения двух комплектов шестерен в отдельных клетках Фарадея.Первый будет маленьким и будет состоять из нескольких предметов, таких как AM/FM/коротковолновое радио и несколько раций. Ваш второй будет больше и будет содержать все ваше основное снаряжение, которое вы откроете только через разумное количество времени или когда вам понадобится оборудование внутри.

Как видите, защитить свое электронное оборудование несложно. Хотя ЭМИ уничтожит большую часть электронного оборудования и выведет из строя электросеть, приняв сейчас простые меры предосторожности, вы можете быть уверены, что у вас есть работающее оборудование, которое немного облегчит переход к совершенно новому образу жизни.

Подробнее о подготовке к EMP

В этих романах рассказывается о выживании на ЭМИ — развлечение И пища для размышлений!

 

Следующие две вкладки изменяют содержимое ниже. Роб Ханус является автором нескольких книг, в том числе «Контрольный список возможностей готовности» и «Выживание в условиях ЭМИ». Он также является основателем и ведущим http://ThePreparednessPodcast.com/. .