- Τι είναι η προστασία από υπέρταση και γιατί είναι τόσο σημαντικό;
- Πώς λειτουργεί το κύκλωμα προστασίας από υπέρταση τάσης 230V;
- Υπολογισμός των τιμών των στοιχείων για προστασία από υπερβολική τάση
- Σχεδίαση PCB κυκλώματος προστασίας από τάση
- Δοκιμή κυκλώματος υπέρτασης και ρεύματος
- Περαιτέρω βελτιώσεις
Το μεγαλύτερο μέρος της παροχής ρεύματος αυτές τις μέρες είναι πολύ αξιόπιστο λόγω της προόδου στην τεχνολογία και των καλύτερων προτιμήσεων σχεδιασμού, αλλά υπάρχει πάντα μια πιθανότητα αστοχίας λόγω κατασκευαστικού ελαττώματος ή μπορεί να είναι το κύριο τρανζίστορ μεταγωγής ή το MOSFET να πάει άσχημα. Επίσης, υπάρχει πιθανότητα να αποτύχει λόγω υπερβολικής τάσης στην είσοδο, αν και συσκευές προστασίας όπως το Metal Oxide Varistor (MOVs) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προστασία εισόδου, αλλά μόλις ενεργοποιηθεί ένα MOV, καθιστά τη συσκευή άχρηστη.
Για να λύσουμε αυτό το πρόβλημα, πρόκειται να δημιουργήσουμε μια συσκευή προστασίας από τάση με ένα op-amp, η οποία μπορεί να ανιχνεύσει υψηλές τάσεις και να μειώσει την ισχύ εισόδου σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου που προστατεύει τη συσκευή από ένα κύμα υψηλής τάσης. Επίσης, θα υπάρξει μια λεπτομερής δοκιμή του κυκλώματος για την επαλήθευση του σχεδιασμού και της λειτουργίας του κυκλώματος. Η ακόλουθη εξέταση σάς δίνει μια ιδέα για τη διαδικασία κατασκευής και δοκιμής για αυτό το κύκλωμα. Αν είστε στο SMPS Design, μπορείτε να δείτε τα προηγούμενα άρθρα μας σχετικά με SMPS PCB Design Συμβουλές και SMPS EMI Reduction Techniques.
Τι είναι η προστασία από υπέρταση και γιατί είναι τόσο σημαντικό;
Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους ένα κύκλωμα τροφοδοσίας μπορεί να αποτύχει, ένας από αυτούς οφείλεται στην υπέρταση. Σε ένα προηγούμενο άρθρο, έχουμε δημιουργήσει ένα κύκλωμα προστασίας από υπερβολική τάση για το κύκλωμα DC, μπορείτε να το ελέγξετε αν αυτό κορυφώνει το ενδιαφέρον σας. Η προστασία από υπέρταση μπορεί να απεικονιστεί ως ένα χαρακτηριστικό όπου η παροχή ρεύματος διακόπτεται όταν συμβαίνει μια κατάσταση υπερβολικής τάσης, αν και μια κατάσταση υπέρτασης εμφανίζεται λιγότερο συχνά, όταν συμβαίνει αυτό, καθιστά το τροφοδοτικό άχρηστο. Επίσης, η επίδραση μιας κατάστασης υπέρτασης μπορεί να πραγματοποιηθεί από την παροχή ρεύματος στο κύριο κύκλωμα, όταν συμβεί αυτό, θα καταλήξετε όχι μόνο με μια διακοπή τροφοδοσίας αλλά και με ένα σπασμένο κύκλωμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένα κύκλωμα προστασίας από υπέρταση καθίσταται σημαντικό σε κάθε ηλεκτρονικό σχεδιασμό.
Έτσι, για να σχεδιάσουμε ένα κύκλωμα προστασίας για καταστάσεις υπέρτασης, πρέπει να ξεκαθαρίσουμε τα βασικά της προστασίας από υπέρταση. Στα προηγούμενα μαθήματα κυκλώματος προστασίας, έχουμε σχεδιάσει πολλά βασικά κυκλώματα προστασίας που μπορούν να προσαρμοστούν στο κύκλωμα σας, συγκεκριμένα, Προστασία υπέρ τάσης, Προστασία βραχυκυκλώματος, Προστασία αντίστροφης πολικότητας, Προστασία υπερέντασης κ.λπ.
Σε αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε σε ένα μόνο πράγμα, δηλαδή να κάνουμε ένα κύκλωμα προστασίας από υπέρταση τάσης εισόδου για να αποτρέψουμε την καταστροφή του.
Πώς λειτουργεί το κύκλωμα προστασίας από υπέρταση τάσης 230V;
Για να κατανοήσουμε τα βασικά του κυκλώματος προστασίας από υπέρταση, ας χωρίσουμε το κύκλωμα προκειμένου να κατανοήσουμε τη βασική αρχή λειτουργίας κάθε τμήματος του κυκλώματος.
Η καρδιά αυτού του κυκλώματος είναι ένα OP-Amp, το οποίο έχει διαμορφωθεί ως συγκριτικό. Στο σχηματικό, έχουμε ένα βασικό LM358 OP-amp και στο Pin-6 του, έχουμε την τάση αναφοράς που παράγεται από ένα IC ρυθμιστή τάσης LM7812 και στον ακροδέκτη 5, έχουμε την τάση εισόδου μας που προέρχεται από την κύρια τάση τροφοδοσίας. Σε αυτήν την περίπτωση, εάν η τάση εισόδου υπερβεί την τάση αναφοράς, η έξοδος του op-amp θα πάει υψηλή, και με αυτό το υψηλό σήμα, μπορούμε να οδηγήσουμε ένα τρανζίστορ που ενεργοποιεί ένα ρελέ, αλλά υπάρχει ένα τεράστιο πρόβλημα σε αυτό το κύκλωμα Λόγω θορύβου στο σήμα εισόδου, το Op-amp θα ταλαντευτεί πολλές φορές πριν φτάσει σε σταθερό
Η λύση είναι να προσθέσετε υστέρηση της δράσης ενεργοποίησης Schmitt στην είσοδο. Προηγουμένως είχαμε κάνει κυκλώματα όπως το Frequency Counter χρησιμοποιώντας Arduino και Capacitance Meter χρησιμοποιώντας το Arduino και τα δύο χρησιμοποιούν εισόδους ενεργοποίησης Schmitt, αν θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτά τα έργα, ελέγξτε τα. Διαμορφώνοντας το op-amp με θετικά σχόλια, μπορούμε να διευρύνουμε το περιθώριο στην είσοδο σύμφωνα με τις ανάγκες μας. Όπως μπορείτε να δείτε στην παραπάνω εικόνα, παρέχουμε σχόλια με τη βοήθεια των R18 & R19 κάνοντας αυτό, έχουμε προσθέσει πρακτικά δύο τάσεις κατωφλίου, το ένα είναι η ανώτερη τάση κατωφλίου, το άλλο είναι η χαμηλότερη τάση κατωφλίου.
Υπολογισμός των τιμών των στοιχείων για προστασία από υπερβολική τάση
Αν κοιτάξουμε το σχηματικό, έχουμε την είσοδο του δικτύου μας, την οποία το διορθώνουμε με τη βοήθεια ενός ανορθωτή γέφυρας, στη συνέχεια το βάζουμε μέσω ενός διαχωριστή τάσης που κατασκευάζεται με R9, R11 και R10, τότε το φιλτράρουμε μέσω ενός 22uF 63V πυκνωτή.
Αφού κάνουμε τον υπολογισμό για το διαχωριστικό τάσης, θα λάβουμε τάση εξόδου 3,17V, τώρα, πρέπει να υπολογίσουμε τις ανώτερες και κατώτατες τάσεις κατωφλίου, Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να μειώσουμε την ισχύ όταν η τάση εισόδου φτάσει τα 270V. Τώρα αν κάνουμε ξανά τον υπολογισμό του διαχωριστή τάσης, θα λάβουμε τάση εξόδου 3,56V, που είναι το ανώτατο όριό μας. Το χαμηλότερο κατώτατο όριο παραμένει στα 3,17V καθώς γειώσαμε το Op-amp.
Τώρα, με τη βοήθεια ενός απλού τύπου διαχωριστικού τάσης, μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε την ανώτερη και την κατώτερη τάση κατωφλίου. Λαμβάνοντας το σχήμα ως αναφορά, ο υπολογισμός φαίνεται παρακάτω, UT = R18 / (R18 + R19) * Vout = 62K / (1,5M + 62K) = 0,47V LT = R18 / (R18 + R19) * -Vout = 62K / (1,5M + 62K) = 0V
Τώρα, μετά τον υπολογισμό, μπορούμε να δούμε ξεκάθαρα ότι έχουμε ρυθμίσει το ανώτατο όριο τάσης σας στα 0,47V πάνω από το επίπεδο της σκανδάλης με τη βοήθεια της θετικής ανάδρασης.
Σημείωση: Σημειώστε ότι οι πρακτικές μας τιμές θα διαφέρουν λίγο από τις υπολογισμένες τιμές μας λόγω των ανοχών αντίστασης.
Σχεδίαση PCB κυκλώματος προστασίας από τάση
Το PCB για το κύκλωμα προστασίας από την τάση δικτύου έχει σχεδιαστεί για έναν μόνο μπουφέ. Έχω χρησιμοποιήσει το Eagle για να σχεδιάσω το PCB μου, αλλά μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε λογισμικό σχεδίασης της επιλογής σας. Η δισδιάστατη εικόνα του σχεδιασμού του πίνακα μου φαίνεται παρακάτω.
Χρησιμοποιείται επαρκής διάμετρος ιχνών για να κάνει τα ίχνη ισχύος να ρέουν το ρεύμα μέσω της πλακέτας κυκλώματος. Η είσοδος AC και το τμήμα εισόδου Transformer δημιουργούνται στην αριστερή πλευρά και η έξοδος δημιουργείται στην κάτω πλευρά για καλύτερη χρηστικότητα. Μπορείτε να κατεβάσετε το πλήρες αρχείο σχεδίασης για το Eagle μαζί με το Gerber από τον παρακάτω σύνδεσμο.
- GERBER για κύκλωμα προστασίας από υπέρταση δικτύου
Τώρα, που το σχέδιό μας είναι έτοιμο, είναι η ώρα να κολλήσει ο πίνακας. Αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία χάραξης, διάτρησης και συγκόλλησης, ο πίνακας μοιάζει με την παρακάτω εικόνα.
Δοκιμή κυκλώματος υπέρτασης και ρεύματος
Για την επίδειξη, χρησιμοποιείται η ακόλουθη συσκευή
- Πολύμετρο Meco 108B + TRMS
- Πολύμετρο Meco 450B + TRMS
- Hantek 6022BE παλμογράφος
- Μετασχηματιστής 9-0-9
- Λάμπα 40W (δοκιμαστικό φορτίο)
Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, έχω προετοιμάσει αυτήν τη ρύθμιση δοκιμής για να δοκιμάσω αυτό το κύκλωμα, έχω συγκολλήσει δύο καλώδια στο pin5 και pin6 του Op-amp και το meco 108B + Multimeter δείχνει την τάση εισόδου και το meco 450B + Multimeter δείχνει την τάση αναφοράς.
Σε αυτό το κύκλωμα, ο μετασχηματιστής τροφοδοτείται από παροχή ρεύματος 230V και από εκεί η τροφοδοσία τροφοδοτείται στο κύκλωμα ανορθωτή ως είσοδος, η έξοδος από τον μετασχηματιστή τροφοδοτείται επίσης στην πλακέτα καθώς παρέχει ισχύ και τάση αναφοράς στο κύκλωμα.
Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, το κύκλωμα είναι ενεργοποιημένο και η τάση εισόδου στο Meco 450B + Multimeter είναι μικρότερη από την τάση αναφοράς, που σημαίνει ότι η έξοδος είναι ενεργοποιημένη.
Τώρα για να προσομοιώσετε την κατάσταση εάν μειώσουμε την τάση αναφοράς, η έξοδος θα απενεργοποιηθεί, ανιχνεύοντας μια κατάσταση υπερβολικής τάσης, επίσης θα ανάψει ένα κόκκινο LED στην πλακέτα, μπορείτε να το παρατηρήσετε στην παρακάτω εικόνα.
Περαιτέρω βελτιώσεις
Για την επίδειξη, το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε PCB με τη βοήθεια του σχήματος, αυτό το κύκλωμα μπορεί εύκολα να τροποποιηθεί για να βελτιώσει την απόδοσή του, για παράδειγμα, οι αντιστάσεις που έχω χρησιμοποιήσει όλες έχουν ανοχές 5%, χρησιμοποιώντας 1% ονομαστικές αντιστάσεις μπορούν να βελτιωθούν την ακρίβεια του κυκλώματος.
Ελπίζω να απολαύσατε το άρθρο και να μάθετε κάτι χρήσιμο. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις, μπορείτε να τις αφήσετε στην ενότητα σχολίων παρακάτω ή να χρησιμοποιήσετε τα φόρουμ μας για να δημοσιεύσετε άλλες τεχνικές ερωτήσεις.