[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Elekt roniczny
bezpiecznik
Do czego to służy?
Do czego służy bezpiecznik, wie każdy − ma
on przerwać obwód, jeśli prąd przekroczy
dopuszczalną wartość. Popularne bezpieczni−
ki topikowe mają swoje zalety, ale też liczne
wady. Większość bezpieczników wcale nie
chroni układu elektronicznego przed uszko−
dzeniem, a jedynie zapobiega zwarciu i poża−
rowi w przypadku, gdy chroniony układ
elektroniczny ulega awarii. Niekorzystne
właściwości bezpieczników topikowych są
przyczyną, że są one rzadko stosowane po
stronie wtórnej transformatora sieciowego.
Są umieszczane jedynie w obwodzie sieci
energetycznej, gdzie chronią nie tyle trans−
formator i układ, co przewody i inne bez−
pieczniki w obwodach sieci.
Wydawałoby się, że po stronie wtórnej
transformatora można zastosować układy
elektroniczne, które będą pełnić funkcje bez−
pieczników. Jednak zaprojektowanie i wyko−
nanie dobrego bezpiecznika elektronicznego
nie jest wcale łatwe, o czym przekonało się
już wielu elektroników. Trzeba bowiem po−
godzić różne, częściowo wzajemnie sprzecz−
ne, wymagania na przykład:
− niewielki spadek napięcia,
− szybkość dostosowaną do potrzeb
− regulowany próg zadziałania
2 6 1 7
pomiarowego nie ma. Pomiar zrealizowano
w niecodzienny sposób. Idea przedstawiona
jest w uproszczeniu na
rysunku 1
. Podczas
normalnej pracy MOSFET jest w pełni
otwarty, to znaczy, że na jego bramce napię−
cie, że jest rzędu 8V lub więcej. Otwarty
MOSFET przedstawia sobą niewielką rezy−
stancję. Wartość tej rezystancji to oczywiście
podawany w katalogach parametr R
DSon
.
Właśnie rezystancja otwartego MO−
SFET−a pełni rolę rezystora pomiarowego.
Prąd płynący przez tę rezystancję wywołuje
niewielki spadek napięcia, rzędu setek lub
dziesiątek miliwoltów. Napięcie to jest dopro−
wadzone przez rezystor Rb do wejścia
wzmacniacza operacyjnego, który tu pełni ro−
lę komparatora. Komparator porównuje ten
spadek napięcia z niewielkim napięciem z po−
tencjometru P. Nadmierny prąd spowoduje
wystąpienie na rezystancji MOSFET−a spad−
ku napięcia większego niż napięcie z poten−
cjometru, a to spowoduje reakcję komparato−
ra i wyłączenie MOSFET−a. Napięcie na wej−
ściu odwracajacym komparatora wzrośnie je−
szcze bardziej i układ się zatrzaśnie. Tranzy−
stor zostanie na trwałe odcięty, a powrót do
normalnej pracy może nastąpić dopiero wsku−
tek świadomej ingerencji człowieka.
Przedstawiona idea została zrealizowana.
Powstał i został starannie przebadany model,
pokazany na
fotografii 1
. Układ pracował
w różnych warunkach, przy czym zależnie od
warunków i potrzeb był w istotny sposób
modyfikowany. Wyniki pomiarów okazały
się więcej niż obiecujące i okazało się, iż war−
to zaprojektować dwa oddzielne układy: „do−
datni“ i „ujemny”. Ich działanie jest w sumie
jednakowe, a różnica polega na tym, która
szyna zasilania jest przerywana. Sposób włą−
czenia i uproszczony schemat wewnętrzny
obu wersji jest pokazany na
rysunku 2
.
Pełny schemat ideowy wersji „ujemnej”
jest pokazany na
rysunku 3
. Stabilizator U1
zasila układ sterujący napięciem stabilizowa−
nym o wartości 9V. Kondensatory C1, C2 są
potrzebne, by wyeliminować jakiekolwiek
ryzyko samowzbudzenia stabilizatora, co
mogłoby nastąpić w niesprzyjających warun−
Jak to działa?
W bezpiecznikach elektronicznych z reguły
sprawdza się spadek napięcia na rezystorze
pomiarowym o niewielkiej wartości. W pre−
zentowanych rozwiązaniach takiego rezystora
Fot. 1
Rys. 2 Wykorzystanie
Rys. 1 Zasada działania
52
Luty 2002
Elektronika dla Wszystkich
kach pracy. Dzięki stabilizatorowi U1 układ
bezpiecznika może poprawnie pracować przy
napięciu wejściowym 10...35V.
Należy zwrócić uwagę, że do poprawnej
pracy układu konieczne jest napięcie, które
w pełni otworzy MOSFET−a. Do pełnego
otwarcia typowego MOSFET−a mocy wyma−
gane jest napięcie co najmniej 8V. Właśnie dla−
tego w układzie zastosowano stabilizator 9−
woltowy. Tylko tak zwane logiczne MOSFET−
y mocy, zwykle mające w oznaczeniu literkę
L, mające obniżone napięcie progowe, oraz
MOSFET−y małej mocy, otworzą się w pełni
przy napięciu bramka−źródło równym 4,5...5V.
żeby niezawodnie „ściągnąć do dołu” napięcie
na wejściu odwracającym w sytuacji, gdy na
przykład obciążenie nie jest podłączone. War−
tość R9 nie jest krytyczna. Warto zauważyć,
że przy podanych na schemacie wartościach
R9, R10, na wejście przekazywane jest prawie
całe napięcie z tranzystora T2. Wbrew pozo−
rom, w czasie normalnej pracy dioda LED D1
i brzęczyk piezo Y1 nie wpływają na działanie
układu, bowiem spadek napięcia na tranzysto−
rze T2 podczas pracy nie przekracza 400mV,
a przy takich napięciach ani dioda LED, ani
brzęczyk praktycznie nie przewodzą prądu.
Oba te elementy pełnią w układzie ważną
rolę. Brzęczyk sygnalizuje dźwiękiem fakt
niezrównoważenia za pomocą potencjometru
PR2 (do czego potrzebny jest dzielnik R7, R8).
Bardzo ważną rolę odgrywają w układzie
kondensator C4 i obwód jego rozładowania
z tranzystorem T1. Od stałej czasowej R6C4
zależy szybkość zadziałania bezpiecznika
w przypadku gwałtownego wzrostu prądu.
Czas zadziałania w większości przypadków
nie powinien być bliski zeru. W proponowa−
nej wersji czas zadziałania wynosi kilkadzie−
siąt milisekund lub mniej, zależnie od warto−
ści prądu udarowego.
Kondensator C4 zapobiega też zadziała−
niu bezpiecznika przy włączeniu napięcia za−
silającego oraz po dołączeniu obciążenia −
rozładowany kondensator C4 przez krótki
czas utrzymuje na wejściu odwracającym na−
pięcie niższe, niż na wejściu nieodwracają−
cym, przez co wymusza „stan wysoki” na
wyjściu wzmacniacza, a tym samym zapew−
nia niezawodne otwarcie tranzystora T2.
Obwód z tranzystorem T1 i przyciskiem
S1 jest potrzebny, by ręcznie „wyzerować”
układ po zadziałaniu bezpiecznika, gdy tran−
zystor T2 zostanie zatkany. Tranzystor T1
szybko rozładuje kondensator C4 i zwierając
nóżkę 2 wzmacniacza U2 do masy wymusi
na jego wyjściu stan wysoki, który otworzy
tranzystor. Na pierwszy rzut oka wydaje się,
że przycisk S1 mógłby być włączony za−
miast tranzystora T1. Należy jednak pamię−
tać, że w tym czasie, gdy przewodzi tranzy−
stor T1, wymuszone jest otwarcie także tran−
zystora T2 nawet wtedy, gdy przez obciąże−
nie płynie nadmiernie duży prąd. Jeśli więc
przycisk S1 byłby włączony zamiast tranzy−
stora T1, bezpiecznik zupełnie nie pełniłby
swojej roli przy ciągłym naciskaniu przyci−
sku. Żeby wyeliminować ryzyko uszkodze−
nia obciążenia, zastosowano obwód z kon−
densatorem C3. Stała czasowa R4C3 okre−
śla, na jak długo zostaną włączone tranzysto−
ry T1 i T2 przy dowolnie długim naciśnięciu
przycisku S1.
Pełny schemat wersji „dodatniej” pokaza−
ny jest na
rysunku 4
. Jest to niemal identycz−
ny układ, tylko w pewnym sensie odwrotny,
co wynika z konieczności zastosowania tu
tranzystora MOSFET z kanałem P. Dlatego
zastosowano stabilizator 79L09 i wzmac−
niacz operacyjny TL081. Z łatwością można
zidentyfikować poszczególne obwody, zwła−
szcza że numeracja elementów jest analo−
giczna jak w wersji „ujemnej”. Różnica pole−
ga na uproszczonym obwodzie korekcji na−
pięcia niezrównoważenia − suwak PR2 jest
dołączony wprost do szyny zasilania i nie ma
rezystorów R7, R8. Dodatkowo przewidzia−
no też możliwość zastąpienia stabilizatora
79L09 „programowaną dioda Zenera”, czyli
układem TLC431, co wymaga dodatkowych
rezystorów R11...R13. W wersji podstawo−
wej wykorzystany będzie stabilizator 79L09,
a wspominane opcjonalne elementy nie będą
stosowane.
Rys. 3 Schemat ideowy wersji „ujemnej”
*)
*)
Rys. 4 Schemat ideowy wersji „dodatniej“
zadziałania bezpiecznika, co pozwoli unik−
nąć niepotrzebnego szukania przyczyny bra−
ku reakcji zasilanego układu. Dioda LED też
może pełnić funkcje sygnalizatora świetlne−
go, jednak jej główne zadanie jest inne. Nie−
zależnie od wartości napięcia zasilającego
układ, nie dopuszcza do niekontrolowanego
wzrostu napięcia na wejściu wzmacniacza
operacyjnego, co pozwala uniknąć trwałego
zatrzaśnięcia lub innych kłopotów, np. z tzw.
inwersją.
W układzie pracuje wzmacniacz operacyj−
ny TLC271 w trybie
high bias
, co uzyskuje
się dołączając nóżkę 8 do ujemnej szyny za−
silania. Właśnie ten tryb pracy jest w tym
wypadku optymalny, ale nie ze względu na
szerokie pasmo przenoszenia i dużą szybkość
zmian napięcia wyjściowego (slew rate), tyl−
ko z uwagi na korzystne parametry wejścia
i możliwość pełnej korekcji napięcia
Oznacza to, że układ będzie pracował pra−
widłowo przy napięciach zasilania wynoszą−
cych co najmniej 10V. Jeśli konieczna byłaby
praca przy napięciu niższym, obwód stabili−
zatora należy zasilać z oddzielnego źródła
napięciem większym niż 10V.
Kluczową rolę w układzie pełni wzmac−
niacz operacyjny U2, który porównuje napię−
cia na obu swych wejściach. Napięcie na wej−
ściu nieodwracającym pochodzi z suwaka po−
tencjometru PR1 i może być regulowane
w granicach mniej więcej 3,6mV...360mV (co
teoretycznie daje zakres regulacji „prądu za−
działania” w granicach 0,1A...10A). Napięcie
to jest porównywane z napięciem na rezystan−
cji otwartego MOSFET−a, które jest podawane
na wejście odwracające przez sieć rezystorów
R10, R9, R6. Rezystor R9 jest potrzebny,
Elektronika dla Wszystkich
Luty 2002
53
Montaż i uruchomienie
Wersję „ujemną” można zmontować na płytce
pokazanej na
rysunku 5
. Montaż nie sprawi
trudności. Układ scalony należy włożyć do
podstawki na końcu, po zmontowaniu wszyst−
kich elementów. W układzie podstawowym
nie trzeba montować rezystorów R7, R8 i po−
tencjometru PR2. Są one potrzebne, jeśli uży−
ty egzemplarz wzmacniacza operacyjnego ma
znaczne napięcie niezrównoważenia, a układ
ma działać także przy małych prądach.
Wersję „dodatnią” można zmontować na
płytce pokazanej na
rysunku 6.
Elementy
R11, R12, R13 i U3 nie będą montowane.
W układzie podstawowym nie trzeba też
montować potencjometru PR2.
Układy zmontowane prawidłowo ze spraw−
nych elementów będą pracować od razu. Trze−
ba tylko za pomocą P1 ustawić pożądany prąd
zadziałania. W przypadku wersji „ujemnej
z tranzystorem BUZ11 zakres regulacji powi−
nien wynosić mniej więcej 0,1...10A. W wersji
„dodatniej” z tranzystorem IRF9540 zakres re−
gulacji wyniesie mniej więcej 30mA...3A.
Wartości te będą różne, zależnie od rezystancji
danego egzemplarza tranzystora i od napięcia
niezrównoważenia egzemplarza wzmacniacza
operacyjnego. Jeśliby okazało się, że nie moż−
na uzyskać małych prądów zadziałania nawet
w skrajnej pozycji suwaka PR1, należy wluto−
wać elementy do korekcji napięcia niezrówno−
ważenia (potencjometr PR2, R7, R8).
Jeśli bezpiecznik będzie pracował przy
dużych prądach, rzędu amperów, należy klu−
czowe obwody wykonać grubymi przewoda−
mi o przekroju co najmniej 1,5mm
2
, a moduł
bezpiecznika włączyć według
rysunku 7
,
a nie tak, jak pokazuje rysunek 2.
można znaleźć zależność R
DSon
od temperatu−
ry.
Rysunek 8
pokazuje, że rezystancja ta
wzrasta mniej więcej dwukrotnie przy wzro−
ście temperatury do górnej dopuszczalnej gra−
nicy +150
o
C.
Możliwości zmian
Jak podano, zakres regulacji prądu zadziała−
nia bezpiecznika można zmieniać za pomocą
PR1 w bardzo szerokich granicach, mniej
więcej stukrotnie. Dokładne wartości naj−
mniejszego i największego prądu zadziałania
zależą nie tylko od napięcia na suwaku po−
tencjometru, ale też od rezystancji otwartego
MOSFET−a. W układach modelowych wyko−
rzystano MOSFET−y mocy o bardzo małej
rezystancji R
DSon
, przez co zakres regulacji
sięga co najmniej kilku amperów. Kto chciał−
by zbudować bezpiecznik o mniejszych prą−
dach nominalnych, powinien po prostu zasto−
sować MOSFET−y o większej rezystancji
R
DSon
, nawet małe BS170 czy BS107.
Warto pamiętać, że generalnie rezystancja
w stanie otwarcia tranzystorów MOSFET
z kanałem P jest dwukrotnie większa, niż od−
powiadających im tranzystorów z kanałem
N. Przykładowo dla tranzystorów z kanałem
N maksymalna wartość R
DSon
w temperaturze
pokojowej wynosi:
BUZ10 − 0,07Ω
BUZ11 − 0,04
Rys. 8 Charakterystyka cieplna R
DSon
Ω
BUZ11A − 0,055
Radiator dla MOSFET−a nie jest potrzeb−
ny jeśli moc strat przy temperaturze złącza
nie wyższej od +150
o
C nie przekroczy 1W.
Przy tranzystorze BUZ11 oznacza to mozli−
wość pracy bez radiatora z prądami rzędu kil−
ku amperów. Aby jednak uniezależnić się od
omówionych zmian termicznych warto za−
stosować niewielki radiator.
Wartości elementów podane na schemacie
i w wykazie okażą się odpowiednie do wielu
zastosowań. Kto chciałby jednak wykonać
bezpiecznik o innej charakterystyce czaso−
wo−prądowej, może śmiało zmieniać warto−
ści kondensatorów C4 w szerokim zakresie
od zera do 1
IRF540 − 0,052Ω
IRF530 − 0,16Ω
BS170 − 5
F oraz C3 w zakresie
1nF...220nF. Wartość C3 powinna być pro−
porcjonalna do wartości C4 − przy maleńkiej
wartości C3 i wielokrotnie większej C4 czas
otwarcia T1 może okazać się za mały do roz−
ładowania C4. W razie wątpliwości trzeba to
sprawdzić za pomocą oscyloskopu.
Jeśli ktoś w wersji „dodatniej” zechce wy−
korzystać stabilizator U3 zamiast U1 powi−
nien dobrać wartość R11 w zależności od na−
pięcia zasilającego, by prąd płynący przez
kostkę TLC431 nie spadał poniżej 1mA.
.
Dla tranzystorów
z kanałem P:
IRF9540 − 0,117
BUZ271 − 0,15
BUZ171 − 0,3Ω
Podane wartości
dotyczą temperatu−
ry pokojowej. Przy
wzroście temperatu−
ry złącza rezystan−
cja zauważalnie ro−
śnie. W katalogach
Leszek Potocki
Wykaz elementów
R1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..24k
T2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..IIRF9540
U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..79L09
U2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TL081
U3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TLC431
S1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..mswiittch
Y1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..piiezo z generattorem
Wersja „ujemna”
R7,,R8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować
w ukłładziie podsttawowym
PR2 .. .. ..niie monttować w ukłładziie podsttawowym
Wersja „dodatnia”
PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować
w ukłładziie podsttawowym
R11,,R12,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować
w ukłładziie podsttawowym
U3 .. ..niie monttować w ukłładziie podsttawowym
R2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
R3,,R6 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1M
R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
R5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
ΩΩ
R10,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k
Rys. 5 Schemat montażowy wersji „ujemnej“
Rys. 6 Schemat montażowy wersji „dodatniej“
ΩΩ
R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..*
R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2k
PR1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k
miiniiatturowy
miiniiatturowy
C1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
Rys. 7 Praca przy dużych prądach
F/50V
F/16V
C3,,C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF
D1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LED żółłtta
T1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..BC548
W skład zestawu AVT−2617 wchodzą płytki i elementy
dla wersji „ujemnej” i „dodatniej”.
54
Luty 2002
Elektronika dla Wszystkich
BS107 − 26
R9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10k
PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..22k
C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl jajeczko.pev.pl
Elekt roniczny
bezpiecznik
Do czego to służy?
Do czego służy bezpiecznik, wie każdy − ma
on przerwać obwód, jeśli prąd przekroczy
dopuszczalną wartość. Popularne bezpieczni−
ki topikowe mają swoje zalety, ale też liczne
wady. Większość bezpieczników wcale nie
chroni układu elektronicznego przed uszko−
dzeniem, a jedynie zapobiega zwarciu i poża−
rowi w przypadku, gdy chroniony układ
elektroniczny ulega awarii. Niekorzystne
właściwości bezpieczników topikowych są
przyczyną, że są one rzadko stosowane po
stronie wtórnej transformatora sieciowego.
Są umieszczane jedynie w obwodzie sieci
energetycznej, gdzie chronią nie tyle trans−
formator i układ, co przewody i inne bez−
pieczniki w obwodach sieci.
Wydawałoby się, że po stronie wtórnej
transformatora można zastosować układy
elektroniczne, które będą pełnić funkcje bez−
pieczników. Jednak zaprojektowanie i wyko−
nanie dobrego bezpiecznika elektronicznego
nie jest wcale łatwe, o czym przekonało się
już wielu elektroników. Trzeba bowiem po−
godzić różne, częściowo wzajemnie sprzecz−
ne, wymagania na przykład:
− niewielki spadek napięcia,
− szybkość dostosowaną do potrzeb
− regulowany próg zadziałania
2 6 1 7
pomiarowego nie ma. Pomiar zrealizowano
w niecodzienny sposób. Idea przedstawiona
jest w uproszczeniu na
rysunku 1
. Podczas
normalnej pracy MOSFET jest w pełni
otwarty, to znaczy, że na jego bramce napię−
cie, że jest rzędu 8V lub więcej. Otwarty
MOSFET przedstawia sobą niewielką rezy−
stancję. Wartość tej rezystancji to oczywiście
podawany w katalogach parametr R
DSon
.
Właśnie rezystancja otwartego MO−
SFET−a pełni rolę rezystora pomiarowego.
Prąd płynący przez tę rezystancję wywołuje
niewielki spadek napięcia, rzędu setek lub
dziesiątek miliwoltów. Napięcie to jest dopro−
wadzone przez rezystor Rb do wejścia
wzmacniacza operacyjnego, który tu pełni ro−
lę komparatora. Komparator porównuje ten
spadek napięcia z niewielkim napięciem z po−
tencjometru P. Nadmierny prąd spowoduje
wystąpienie na rezystancji MOSFET−a spad−
ku napięcia większego niż napięcie z poten−
cjometru, a to spowoduje reakcję komparato−
ra i wyłączenie MOSFET−a. Napięcie na wej−
ściu odwracajacym komparatora wzrośnie je−
szcze bardziej i układ się zatrzaśnie. Tranzy−
stor zostanie na trwałe odcięty, a powrót do
normalnej pracy może nastąpić dopiero wsku−
tek świadomej ingerencji człowieka.
Przedstawiona idea została zrealizowana.
Powstał i został starannie przebadany model,
pokazany na
fotografii 1
. Układ pracował
w różnych warunkach, przy czym zależnie od
warunków i potrzeb był w istotny sposób
modyfikowany. Wyniki pomiarów okazały
się więcej niż obiecujące i okazało się, iż war−
to zaprojektować dwa oddzielne układy: „do−
datni“ i „ujemny”. Ich działanie jest w sumie
jednakowe, a różnica polega na tym, która
szyna zasilania jest przerywana. Sposób włą−
czenia i uproszczony schemat wewnętrzny
obu wersji jest pokazany na
rysunku 2
.
Pełny schemat ideowy wersji „ujemnej”
jest pokazany na
rysunku 3
. Stabilizator U1
zasila układ sterujący napięciem stabilizowa−
nym o wartości 9V. Kondensatory C1, C2 są
potrzebne, by wyeliminować jakiekolwiek
ryzyko samowzbudzenia stabilizatora, co
mogłoby nastąpić w niesprzyjających warun−
Jak to działa?
W bezpiecznikach elektronicznych z reguły
sprawdza się spadek napięcia na rezystorze
pomiarowym o niewielkiej wartości. W pre−
zentowanych rozwiązaniach takiego rezystora
Fot. 1
Rys. 2 Wykorzystanie
Rys. 1 Zasada działania
52
Luty 2002
Elektronika dla Wszystkich
kach pracy. Dzięki stabilizatorowi U1 układ
bezpiecznika może poprawnie pracować przy
napięciu wejściowym 10...35V.
Należy zwrócić uwagę, że do poprawnej
pracy układu konieczne jest napięcie, które
w pełni otworzy MOSFET−a. Do pełnego
otwarcia typowego MOSFET−a mocy wyma−
gane jest napięcie co najmniej 8V. Właśnie dla−
tego w układzie zastosowano stabilizator 9−
woltowy. Tylko tak zwane logiczne MOSFET−
y mocy, zwykle mające w oznaczeniu literkę
L, mające obniżone napięcie progowe, oraz
MOSFET−y małej mocy, otworzą się w pełni
przy napięciu bramka−źródło równym 4,5...5V.
żeby niezawodnie „ściągnąć do dołu” napięcie
na wejściu odwracającym w sytuacji, gdy na
przykład obciążenie nie jest podłączone. War−
tość R9 nie jest krytyczna. Warto zauważyć,
że przy podanych na schemacie wartościach
R9, R10, na wejście przekazywane jest prawie
całe napięcie z tranzystora T2. Wbrew pozo−
rom, w czasie normalnej pracy dioda LED D1
i brzęczyk piezo Y1 nie wpływają na działanie
układu, bowiem spadek napięcia na tranzysto−
rze T2 podczas pracy nie przekracza 400mV,
a przy takich napięciach ani dioda LED, ani
brzęczyk praktycznie nie przewodzą prądu.
Oba te elementy pełnią w układzie ważną
rolę. Brzęczyk sygnalizuje dźwiękiem fakt
niezrównoważenia za pomocą potencjometru
PR2 (do czego potrzebny jest dzielnik R7, R8).
Bardzo ważną rolę odgrywają w układzie
kondensator C4 i obwód jego rozładowania
z tranzystorem T1. Od stałej czasowej R6C4
zależy szybkość zadziałania bezpiecznika
w przypadku gwałtownego wzrostu prądu.
Czas zadziałania w większości przypadków
nie powinien być bliski zeru. W proponowa−
nej wersji czas zadziałania wynosi kilkadzie−
siąt milisekund lub mniej, zależnie od warto−
ści prądu udarowego.
Kondensator C4 zapobiega też zadziała−
niu bezpiecznika przy włączeniu napięcia za−
silającego oraz po dołączeniu obciążenia −
rozładowany kondensator C4 przez krótki
czas utrzymuje na wejściu odwracającym na−
pięcie niższe, niż na wejściu nieodwracają−
cym, przez co wymusza „stan wysoki” na
wyjściu wzmacniacza, a tym samym zapew−
nia niezawodne otwarcie tranzystora T2.
Obwód z tranzystorem T1 i przyciskiem
S1 jest potrzebny, by ręcznie „wyzerować”
układ po zadziałaniu bezpiecznika, gdy tran−
zystor T2 zostanie zatkany. Tranzystor T1
szybko rozładuje kondensator C4 i zwierając
nóżkę 2 wzmacniacza U2 do masy wymusi
na jego wyjściu stan wysoki, który otworzy
tranzystor. Na pierwszy rzut oka wydaje się,
że przycisk S1 mógłby być włączony za−
miast tranzystora T1. Należy jednak pamię−
tać, że w tym czasie, gdy przewodzi tranzy−
stor T1, wymuszone jest otwarcie także tran−
zystora T2 nawet wtedy, gdy przez obciąże−
nie płynie nadmiernie duży prąd. Jeśli więc
przycisk S1 byłby włączony zamiast tranzy−
stora T1, bezpiecznik zupełnie nie pełniłby
swojej roli przy ciągłym naciskaniu przyci−
sku. Żeby wyeliminować ryzyko uszkodze−
nia obciążenia, zastosowano obwód z kon−
densatorem C3. Stała czasowa R4C3 okre−
śla, na jak długo zostaną włączone tranzysto−
ry T1 i T2 przy dowolnie długim naciśnięciu
przycisku S1.
Pełny schemat wersji „dodatniej” pokaza−
ny jest na
rysunku 4
. Jest to niemal identycz−
ny układ, tylko w pewnym sensie odwrotny,
co wynika z konieczności zastosowania tu
tranzystora MOSFET z kanałem P. Dlatego
zastosowano stabilizator 79L09 i wzmac−
niacz operacyjny TL081. Z łatwością można
zidentyfikować poszczególne obwody, zwła−
szcza że numeracja elementów jest analo−
giczna jak w wersji „ujemnej”. Różnica pole−
ga na uproszczonym obwodzie korekcji na−
pięcia niezrównoważenia − suwak PR2 jest
dołączony wprost do szyny zasilania i nie ma
rezystorów R7, R8. Dodatkowo przewidzia−
no też możliwość zastąpienia stabilizatora
79L09 „programowaną dioda Zenera”, czyli
układem TLC431, co wymaga dodatkowych
rezystorów R11...R13. W wersji podstawo−
wej wykorzystany będzie stabilizator 79L09,
a wspominane opcjonalne elementy nie będą
stosowane.
Rys. 3 Schemat ideowy wersji „ujemnej”
*)
*)
Rys. 4 Schemat ideowy wersji „dodatniej“
zadziałania bezpiecznika, co pozwoli unik−
nąć niepotrzebnego szukania przyczyny bra−
ku reakcji zasilanego układu. Dioda LED też
może pełnić funkcje sygnalizatora świetlne−
go, jednak jej główne zadanie jest inne. Nie−
zależnie od wartości napięcia zasilającego
układ, nie dopuszcza do niekontrolowanego
wzrostu napięcia na wejściu wzmacniacza
operacyjnego, co pozwala uniknąć trwałego
zatrzaśnięcia lub innych kłopotów, np. z tzw.
inwersją.
W układzie pracuje wzmacniacz operacyj−
ny TLC271 w trybie
high bias
, co uzyskuje
się dołączając nóżkę 8 do ujemnej szyny za−
silania. Właśnie ten tryb pracy jest w tym
wypadku optymalny, ale nie ze względu na
szerokie pasmo przenoszenia i dużą szybkość
zmian napięcia wyjściowego (slew rate), tyl−
ko z uwagi na korzystne parametry wejścia
i możliwość pełnej korekcji napięcia
Oznacza to, że układ będzie pracował pra−
widłowo przy napięciach zasilania wynoszą−
cych co najmniej 10V. Jeśli konieczna byłaby
praca przy napięciu niższym, obwód stabili−
zatora należy zasilać z oddzielnego źródła
napięciem większym niż 10V.
Kluczową rolę w układzie pełni wzmac−
niacz operacyjny U2, który porównuje napię−
cia na obu swych wejściach. Napięcie na wej−
ściu nieodwracającym pochodzi z suwaka po−
tencjometru PR1 i może być regulowane
w granicach mniej więcej 3,6mV...360mV (co
teoretycznie daje zakres regulacji „prądu za−
działania” w granicach 0,1A...10A). Napięcie
to jest porównywane z napięciem na rezystan−
cji otwartego MOSFET−a, które jest podawane
na wejście odwracające przez sieć rezystorów
R10, R9, R6. Rezystor R9 jest potrzebny,
Elektronika dla Wszystkich
Luty 2002
53
Montaż i uruchomienie
Wersję „ujemną” można zmontować na płytce
pokazanej na
rysunku 5
. Montaż nie sprawi
trudności. Układ scalony należy włożyć do
podstawki na końcu, po zmontowaniu wszyst−
kich elementów. W układzie podstawowym
nie trzeba montować rezystorów R7, R8 i po−
tencjometru PR2. Są one potrzebne, jeśli uży−
ty egzemplarz wzmacniacza operacyjnego ma
znaczne napięcie niezrównoważenia, a układ
ma działać także przy małych prądach.
Wersję „dodatnią” można zmontować na
płytce pokazanej na
rysunku 6.
Elementy
R11, R12, R13 i U3 nie będą montowane.
W układzie podstawowym nie trzeba też
montować potencjometru PR2.
Układy zmontowane prawidłowo ze spraw−
nych elementów będą pracować od razu. Trze−
ba tylko za pomocą P1 ustawić pożądany prąd
zadziałania. W przypadku wersji „ujemnej
z tranzystorem BUZ11 zakres regulacji powi−
nien wynosić mniej więcej 0,1...10A. W wersji
„dodatniej” z tranzystorem IRF9540 zakres re−
gulacji wyniesie mniej więcej 30mA...3A.
Wartości te będą różne, zależnie od rezystancji
danego egzemplarza tranzystora i od napięcia
niezrównoważenia egzemplarza wzmacniacza
operacyjnego. Jeśliby okazało się, że nie moż−
na uzyskać małych prądów zadziałania nawet
w skrajnej pozycji suwaka PR1, należy wluto−
wać elementy do korekcji napięcia niezrówno−
ważenia (potencjometr PR2, R7, R8).
Jeśli bezpiecznik będzie pracował przy
dużych prądach, rzędu amperów, należy klu−
czowe obwody wykonać grubymi przewoda−
mi o przekroju co najmniej 1,5mm
2
, a moduł
bezpiecznika włączyć według
rysunku 7
,
a nie tak, jak pokazuje rysunek 2.
można znaleźć zależność R
DSon
od temperatu−
ry.
Rysunek 8
pokazuje, że rezystancja ta
wzrasta mniej więcej dwukrotnie przy wzro−
ście temperatury do górnej dopuszczalnej gra−
nicy +150
o
C.
Możliwości zmian
Jak podano, zakres regulacji prądu zadziała−
nia bezpiecznika można zmieniać za pomocą
PR1 w bardzo szerokich granicach, mniej
więcej stukrotnie. Dokładne wartości naj−
mniejszego i największego prądu zadziałania
zależą nie tylko od napięcia na suwaku po−
tencjometru, ale też od rezystancji otwartego
MOSFET−a. W układach modelowych wyko−
rzystano MOSFET−y mocy o bardzo małej
rezystancji R
DSon
, przez co zakres regulacji
sięga co najmniej kilku amperów. Kto chciał−
by zbudować bezpiecznik o mniejszych prą−
dach nominalnych, powinien po prostu zasto−
sować MOSFET−y o większej rezystancji
R
DSon
, nawet małe BS170 czy BS107.
Warto pamiętać, że generalnie rezystancja
w stanie otwarcia tranzystorów MOSFET
z kanałem P jest dwukrotnie większa, niż od−
powiadających im tranzystorów z kanałem
N. Przykładowo dla tranzystorów z kanałem
N maksymalna wartość R
DSon
w temperaturze
pokojowej wynosi:
BUZ10 − 0,07Ω
BUZ11 − 0,04
Rys. 8 Charakterystyka cieplna R
DSon
Ω
BUZ11A − 0,055
Radiator dla MOSFET−a nie jest potrzeb−
ny jeśli moc strat przy temperaturze złącza
nie wyższej od +150
o
C nie przekroczy 1W.
Przy tranzystorze BUZ11 oznacza to mozli−
wość pracy bez radiatora z prądami rzędu kil−
ku amperów. Aby jednak uniezależnić się od
omówionych zmian termicznych warto za−
stosować niewielki radiator.
Wartości elementów podane na schemacie
i w wykazie okażą się odpowiednie do wielu
zastosowań. Kto chciałby jednak wykonać
bezpiecznik o innej charakterystyce czaso−
wo−prądowej, może śmiało zmieniać warto−
ści kondensatorów C4 w szerokim zakresie
od zera do 1
IRF540 − 0,052Ω
IRF530 − 0,16Ω
BS170 − 5
F oraz C3 w zakresie
1nF...220nF. Wartość C3 powinna być pro−
porcjonalna do wartości C4 − przy maleńkiej
wartości C3 i wielokrotnie większej C4 czas
otwarcia T1 może okazać się za mały do roz−
ładowania C4. W razie wątpliwości trzeba to
sprawdzić za pomocą oscyloskopu.
Jeśli ktoś w wersji „dodatniej” zechce wy−
korzystać stabilizator U3 zamiast U1 powi−
nien dobrać wartość R11 w zależności od na−
pięcia zasilającego, by prąd płynący przez
kostkę TLC431 nie spadał poniżej 1mA.
.
Dla tranzystorów
z kanałem P:
IRF9540 − 0,117
BUZ271 − 0,15
BUZ171 − 0,3Ω
Podane wartości
dotyczą temperatu−
ry pokojowej. Przy
wzroście temperatu−
ry złącza rezystan−
cja zauważalnie ro−
śnie. W katalogach
Leszek Potocki
Wykaz elementów
R1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..24k
T2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..IIRF9540
U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..79L09
U2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TL081
U3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TLC431
S1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..mswiittch
Y1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..piiezo z generattorem
Wersja „ujemna”
R7,,R8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować
w ukłładziie podsttawowym
PR2 .. .. ..niie monttować w ukłładziie podsttawowym
Wersja „dodatnia”
PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować
w ukłładziie podsttawowym
R11,,R12,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..niie monttować
w ukłładziie podsttawowym
U3 .. ..niie monttować w ukłładziie podsttawowym
R2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
R3,,R6 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1M
R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
R5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
ΩΩ
R10,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k
Rys. 5 Schemat montażowy wersji „ujemnej“
Rys. 6 Schemat montażowy wersji „dodatniej“
ΩΩ
R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..*
R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2k
PR1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k
miiniiatturowy
miiniiatturowy
C1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
Rys. 7 Praca przy dużych prądach
F/50V
F/16V
C3,,C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF
D1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LED żółłtta
T1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..BC548
W skład zestawu AVT−2617 wchodzą płytki i elementy
dla wersji „ujemnej” i „dodatniej”.
54
Luty 2002
Elektronika dla Wszystkich
BS107 − 26
R9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10k
PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..22k
C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
[ Pobierz całość w formacie PDF ]