Wyłącznik nadmiarowo- prądowy.pdf

Wy ł ączn i k

nadmi a r owo − p r ądowy

2471

Do czego to służy?

W każdej przyzwoitej pracowni elektronicznej

powinien znajdować się zasilacz sieciowy,

w którym obwody wyjściowe są zabezpieczo−

ne bezpiecznikiem. Z pewnością niejeden

elektronik znalazł się w sytuacji, w której te−

stując jakiś układ co chwilę przeciążał zasilacz

i... do kosza na śmieci lądowało mnóstwo prze−

palonych bezpieczników. Opisywane urządze−

nie zapobiega takim przykrym sytuacjom. Jak

sama nazwa wskazuje jest to wyłącznik, ale

o specyficznych właściwościach. Jego zada−

niem jest automatyczne wyłączenie obwodu,

przez który popłynął nadmierny prąd. Układ

ten kontroluje na bieżąco wartość prądu płyną−

cego w danym obwodzie. Jeże−

li stwierdzi, że prąd ten jest

większy od ustawionego, wyłą−

cza odbiornik. Wyłącznik ten

posiada dwa wyzwalacze:

nadmiarowo−prądowy oraz

zwarciowy, które działają bez−

pośrednio na przekaźnik.

Wyzwalacz nadmiarowo−

prądowy posiada dodatkową

cechę: może zadziałać

z opóźnieniem. Jednak ktoś

zapyta: skoro popłynął zbyt

duży prąd, to po co zwlekać?

Trzeba natychmiast wyłączyć

obwód! Niestety tak nie jest.

Istnieją przecież takie odbior−

niki, które po włączeniu zasi−

lania przez chwilę pobierają

znacznie większy prąd niż

w stanie normalnej pracy (jest

to tzw. prąd rozruchu). Takimi

odbiornikami są np. silniki in−

dukcyjne. Opóźnienie to jest

zastosowane w tym celu, aby przeczekać

prąd rozruchu.

Natomiast wyzwalacz zwarciowy nie po−

siada żadnej zwłoki. Natychmiast po wykry−

ciu zwarcia wyłącza obwód.

Opisywany wyłącznik nadmiarowo−prą−

dowy posiada jeszcze jedną cechę, która po−

woduje, że jest on bardzo przydatnym urzą−

dzeniem. Otóż po jego zadziałaniu, czyli wy−

łączeniu obwodu, nie trzeba nic wymieniać,

jak to ma miejsce w przypadku użycia bez−

pieczników. Wystarczy nacisnąć jeden przy−

cisk i obwód jest ponownie włączony. Układ

można również samodzielnie wyłączyć za

pomocą przycisku.

Opis działania

Schemat ideowy wyłącznika pokazany jest

na rysunku 1 . Układ zasilany jest napięciem

stałym, niestabilizowanym, w zakresie od 14

do 35V.

Podczas przepływu prądu przez rezystor

R1 odkłada się na nim spadek napięcia zgo−

dnie z prawem Ohma. Napięcie to jest wzmac−

niane przez dwa niezależne wzmacniacze ope−

racyjne zawarte w kostce U1. Wzmacniacz

U1A jest początkiem obwodu wyzwalacza

przeciążeniowego, natomiast U1B wyzwalacza

Rys. 1

Elektronika dla Wszystkich

zwarciowego. Wyjścia obydwóch wzmacnia−

czy sterują bramkami NAND z obwodami

Schmitta. Górne napięcie progowe takiej

bramki wynosi ok. 2,8V, czyli po przekrocze−

niu tej wartości bramka przechodzi w stan ni−

ski. Wynika z tego, że wzmocnienie wzmac−

niaczy operacyjnych powinno być tak dobra−

ne, aby w momencie przepływu określonego

prądu przez rezystor R1 napięcie na ich wyj−

ściu przekroczyło 2,8V.

Wzmocnienie wzmacniacza U1A można

regulować za pomocą potencjometru P1. Za−

leży ono również od wartości rezystancji re−

zystora R3. Z wartościami podanymi na sche−

macie można regulować prąd, przy którym

zadziała wyłącznik, od ok. 400mA do 2A. Za−

miast potencjometru P1 można zastosować

zwykły rezystor. Wówczas najlepiej skorzy−

stać z tabeli 1 , gdzie umieszczone są wartości

rezystorów, od których zależy wzmocnienie

wzmacniaczy oraz odpowiadające im warto−

ści prądów, przy których zadziała wyłącznik.

Bramki U2D i U2C oraz elementy P2 i C5

tworzą typowy obwód opóźniający impuls po−

chodzący ze wzmacniacza U1A. Opóźnienie

to reguluje się za pomocą potencjometru P2.

Maksymalne opóźnienie jakie można uzyskać

wynosi ok. 1,5s. Oczywiście jest możliwe

uzyskanie dłuższego czasu, wystarczy zwięk−

szyć wartość kondensatora C5. Jednak obecny

czas jest wystarczająco długi, aby przeczekać

ewentualny prąd rozruchu. Należy również

zwrócić uwagę na to, iż podczas przepływu

zbyt dużego prądu (powyżej ustawionej war−

tości), w przeciągu 1,5s prąd ten nie spowodu−

je żadnych uszkodzeń. Natomiast zwiększenie

tego czasu może mieć nieprzyjemne skutki.

Wzmacniacz U1B, który jest początkiem

wyzwalacza zwarciowego, nie posiada płyn−

nej regulacji wzmocnienia. Wzmocnienie to

należy dobrać do konkretnego urządzenia,

w którym wyłącznik zostanie zamontowany.

Postępuje się tak, ponieważ wartość prądu

zwarcia w danym urządzeniu np. na zaci−

skach transformatora jest stała i zależy od je−

go parametrów. Sposób dobierania wzmoc−

nienia dla obydwóch wzmacniaczy zostanie

opisany w dalszej części artykułu.

Wyjścia obydwóch wyzwalaczy, przecią−

żeniowego i zwarciowego, doprowadzone są

do bramki U3C. Jeżeli jeden z wyzwalaczy

zasygnalizuje nadmierny przepływ prądu

w obwodzie głównym, to na wyjściu bramki

U3D pojawi się stan niski, który jest jedno−

cześnie informacją, iż należy natychmiast

rozłączyć obwód główny. Sygnał ten jest do−

prowadzony do wejścia RESET przerzutnika

RS zrealizowanego na bramkach U3A i B.

Przerzutnik ten za pośrednictwem tranzystora

T1 steruje przekaźnikiem K1, który jest ele−

mentem wykonawczym całego układu, czyli

dokonuje rozłączania obwodu głównego.

Za pomocą jumpera JP1 można tak skon−

figurować układ, że po załączeniu zasilania

styki przekaźnika K1 będą zwarte lub rozwar−

te. Jest to bardzo przydatna funkcja, która po−

zwala wykorzystać układ np. jako dodatkowy

włącznik zasilania. Przyciski S1 i S2 zwiera−

ją wejścia SET i RESET do masy, przez co

można manewrować przekaźnikiem.

ksymalny prąd pracy wyłącznika. Aby uniknąć

szybkiego przepalenia styków przekaźnika lub

nadmiernego przegrzewania się rezystora, war−

tość prądu znamionowego tych elementów po−

winna być znacznie większa od przewidywane−

go prądu, który będzie przez nie przepływał.

W żadnym wypadku nie wolno zastosować

w roli rezystora R1 typowych oporników o mo−

cy 0,125W. W celu zwiększenia mocy rezysto−

ra R1 można połączyć równolegle dwa rezysto−

ry o rezystancji 0,3W i mocy 5W.

Na rysunku 3 pokazano sposób podłącze−

nia wyłącznika w typowym zasilaczu siecio−

wym. Układ powinien być zasilony z osob−

nego transformatora małej mocy (wystarczy

o wydajności 100mA), ze względu na znacz−

ne spadki napięć podczas obciążania trans−

formatora większej mocy.

W celu przetestowania wyłącznika należy

połączyć układ z rysunku 3. W roli obciąże−

nia najlepiej użyć obciążenie aktywne

o płynnej regulacji. Jeżeli jednak ktoś nie po−

siada takiego urządzenia, może śmiało zasto−

sować zespół kilku żarówek na 12V i mocy

np. 6W. Potencjometr P1 ustawiamy w takiej

pozycji, gdzie jego rezystancja jest najmniej−

sza i uruchamiamy cały układ. Obserwując

wskazania amperomierza włączamy np. trzy

żarówki i tak manewrujemy potencjometrem

P1 aż wyłącznik rozłączy obwód. Następnie

odłączamy obciążenie, przyciskiem S1 po−

nownie uruchamiamy układ i włączamy tym

razem jedną lub dwie żarówki. Jeżeli się

świecą to po chwili włączamy trzecią żarów−

kę i... wyłącznik powinien rozłączyć obwód.

Ciąg dalszy na stronie 98

Montaż i uruchomienie

Na rysunku 2 została pokazana mozaika ście−

żek płytki obwodu drukowanego i rozmie−

szczenie na niej elementów. Przy samodziel−

nym projektowaniu płytki należy zwrócić

uwagę na przekrój ścieżek obwodu głównego,

przez który może płynąć prąd rzędu kilku am−

perów. Ścieżki więc nie powinny być węższe

niż 3mm. Ich przekrój można jeszcze zwięk−

szyć, pokrywając je niewielką warstwą cyny.

Bardzo ważnym krokiem podczas montażu

tego układu jest odpowiednie dobranie elemen−

tów R1 i K1, ponieważ to od nich zależy ma−

Wykaz elementów

Rezysttory

R1.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,,15

Ω

R3 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,,2k

Ω

R1 = 0,15

R3 P1

Ω

R6 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12k

Ω

R5,,R7−R9 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10k

Ω

Prąd

zadziałania

wyłącznika

P1,,P2 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100k

Ω

(poziiomy)

Kondensattory

C1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

R5 R6

Rys. 2 Schemat montażowy

F/35V

Ω

70k

Ω

200mA

C2 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

F/16V

F/10V

C4 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100nF

C5,,C6 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,,7

Ω

48k

Ω

300mA

Półłprzewodniikii

D1.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1N4001

T1.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BC547

U2,,U3 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4093

U4 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78L12

U5 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78L05

IInne

JP1.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . golldpiin 1x3 + jumper

K1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . przekaźniik 12V/2x8A

S1,,S2 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . dowollne przyciiskii

Z1,,Z2,,Z3.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARK2(3,,5mm)

Z4,,Z5.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . golldpiin 1x2

2,2k

Ω

60k

Ω

500mA

2,2k

Ω

28k

Ω

2,2k

Ω

16,5k

Ω

1,5A

10k

Ω

57k

Ω

10k

Ω

46k

Ω

2,5A

10k

Ω

36k

Ω

10k

Ω

30k

Ω

3,5A

Kompllett podzespołłów z płłyttką

jjestt dosttępny w siiecii handllowejj AVT

jjako kiitt szkollny AVT−2471

10k

Ω

26,5k

Ω

10k

Ω

23k

Ω

4,5A

Elektronika dla Wszystkich

/5 W

R2,,R4 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100k

C3 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

Jak łatwo wywnioskować, potencjome−

trem P1 został ustawiony prąd, przy którym

wyłącznik powinien zadziałać.

Natomiast potencjometrem P2 można re−

gulować czas, po którym wyłącznik rozłączy

obwód. Czas ten dotyczy tylko wyzwalacza

przeciążeniowego. Aby zrozumieć zastoso−

wanie zwłoki należy w roli obciążenia

podłączyć niewielki silniczek indukcyjny.

Jeżeli po załączeniu zasilania wyłącznik na−

tychmiast rozłączy obwód to należy zwięk−

szyć czas zwłoki. Postępujemy tak aż do mo−

mentu, kiedy silniczek zacznie normalnie

pracować.

Wyzwalacz zwarciowy działa bezzwłocz−

nie. Jak wiadomo podczas zwarcia płynie

prąd o znacznych wartościach. Od elemen−

tów R5 i R6 zależy przy jakim prądzie zare−

aguje człon zwarciowy. Z wartościami poda−

nymi na schemacie

wynosi on ok. 10A.

Chciałbym je−

szcze zaznaczyć, iż

wyłącznik ten pracuje

tylko i wyłącznie

przy prądach o stałej

polaryzacji. W żad−

nym wypadku nie

wolno podłączać go

bezpośrednio do sieci

energetycznej.

Krzysztof Rudnicki

saymon@pertus.com.pl

Rys. 3

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: