Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.

Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² R; P = 10 10 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы. Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье « ». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1. Она рассчитывалась на ток до 4А.

Схема электронного предохранителя

В данной схеме в качестве ключа использован полевой транзистор с р каналом IRF4905, имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,02 Ом, при напряжении на затворе = 10В.

В принципе этой величиной ограничивается и минимальное напряжение питания данной схемы. При токе стока, равном 10А, на нем будет выделяться мощность 2 Вт, что повлечет за собой необходимость установки небольшого теплоотвода. Максимальное напряжение затвор-исток у этого транзистора равно 20В, поэтому для предотвращения пробоя структуры затвор-исток, в схему введен стабилитрон VD1, в качестве которого можно применить любой стабилитрон с напряжение стабилизации 12 вольт. Если напряжение на входе схемы будет менее 20В, то стабилитрон из схемы можно удалить. В случае установки стабилитрона, возможно, потребуется коррекция величины резистора R8. R8 = (Uпит — Uст)/Iст; Где Uпит – напряжение на входе схемы, Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Iст – ток стабилитрона. Например, Uпит = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ом.

Преобразователь ток — напряжения

В качестве датчика тока в схеме применен резистор R2, чтобы уменьшить мощность, выделяющуюся на этом резисторе, его номинал выбран всего в одну сотую Ома. При использовании SMD элементов его можно составить из 10 резисторов по 0,1 Ом типоразмера 1206, имеющих мощность 0,25Вт. Применение датчика тока с таким малым сопротивление повлекло за собой применение усилителя сигнала с этого датчика. В качестве усилителя применен ОУ DA1.1 микросхемы LM358N.

Коэффициент усиления этого усилителя равен (R3 + R4)/R1 = 100. Таким образом, с датчиком тока, имеющим сопротивление 0,01 Ом, коэффициент преобразования данного преобразователя ток – напряжения равен единице, т.е. одному амперу тока нагрузки равно напряжение величиной 1В на выходе 7 DA1.1. Корректировать Кус можно резистором R3. При указанных номиналах резисторов R5 и R6, максимальный ток защиты можно установить в пределах… . Сейчас посчитаем. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Найдем ток, протекающий через этот делитель: I = U/R = 5А/11000Ом = 0,00045А. Отсюда, максимальное напряжение, которое можно выставить на выводе 2 DA1, будет равно U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B. Таким образом, максимальный ток защиты будет равен примерно 4,5А.

Компаратор напряжения

На втором ОУ, входящем в состав данной МС, собран компаратор напряжения. На инвертирующий вход этого компаратора подано регулируемое резистором R6 опорное напряжение со стабилизатора DA2. На неинвертирующий вход 3 DA1.2 подается усиленное напряжение с датчика тока. Нагрузкой компаратора служит последовательная цепь, светодиод оптрона и гасящий регулировочный резистор R7. Резистором R7 выставляют ток, проходящий через эту цепь, порядка 15 мА.

Работа схемы

Работает схема следующим образом. Например, при токе нагрузки в 3А, на датчике тока выделится напряжение 0,01 х 3 = 0,03В. На выходе усилителя DA1.1 будет напряжение, равное 0,03В х 100 = 3В. Если в данном случае на входе 2 DA1.2 присутствует опорное напряжение выставленное резистором R6, меньше трех вольт, то на выходе компаратора 1 появится напряжение близкое к напряжению питания ОУ, т.е. пять вольт. В результате засветятся светодиод оптрона. Откроется тиристор оптрона и зашунтирует затвор полевого транзистора с его истоком. Транзистор закроется и отключит нагрузку. Вернуть схему в исходное состояние можно кнопкой SB1 или выключением и повторным включением БП.

Термином «короткое замыкание» в электротехнике называют аварийный режим работы источников напряжения. Он возникает при нарушениях технологических процессов передачи электроэнергии, когда на действующем генераторе или химическом элементе выходные клеммы замыкаются накоротко (закорачиваются).

При этом вся мощность источника мгновенно прикладывается к закоротке. Через нее протекают огромные токи, способные сжечь оборудование и нанести электрические травмы близкорасположенным людям. Для прекращения развития подобных аварий используются специальные защиты.

Какие бывают виды коротких замыканий

Природные электрические аномалии

Они проявляются во время грозовых разрядов, сопровождающихся .

Источниками их образования являются высокие потенциалы статического электричества различных знаков и величин, накопленные облаками при их перемещении ветром на огромные расстояния. В результате естественного охлаждения при подъеме на высоту пары влаги внутри облака конденсируются, образуя дождь.

Влажная среда обладает низким электрическим сопротивлением, которое создает пробой воздушной изоляции для прохождения тока в виде молнии.

Электрический разряд проскакивает между двумя объектами, обладающими разными потенциалами:

• на приближающихся облаках;

• между грозовой тучей и землей.

Первый вид молнии опасен для летательных аппаратов, а разряд на землю способен разрушить деревья, здания, промышленные объекты, воздушные линии электропередач. Для защиты от него устанавливают молниеотводы, которые последовательно выполняют функции:

1. приема, притяжения потенциала молнии на специальный улавливатель;

2. пропускания полученного тока по тоководу к контуру заземления здания;

3. отвода высоковольтного разряда этим контуром на потенциал земли.

Короткие замыкания в цепях постоянного тока

Гальванические источники напряжения либо выпрямители создают на выходных контактах разность положительных и отрицательных потенциалов, которые в нормальных условиях обеспечивают работу схемы, например, свечение лампочки от батарейки, как показано на рисунке ниже.

Электрические процессы, происходящие при этом описывает математическое выражение .

Электродвижущая сила источника распределяется на создание нагрузки во внутреннем и внешнем контурах за счет преодоления их сопротивлений «R» и «r».

В аварийном режиме между клеммами батарейки «+» и «-» возникает закоротка с очень низким электрическим сопротивлением, которая практически исключает протекание тока во внешней цепи, выводя эту часть схемы из работы. Поэтому по отношению к номинальному режиму можно считать, что R=0.

Весь ток циркулирует только во внутреннем контуре, обладающим маленьким сопротивлением, и определяется по формуле I=E/r .

Поскольку величина электродвижущей силы не изменилась, то значение тока очень резко возрастает. Такое короткое замыкание протекает по закорачиваемому проводнику и внутреннему контуру, вызывает внутри них огромное выделение тепла и последующее нарушение конструкции.

Короткие замыкания в цепях переменного тока

Все электрические процессы здесь тоже описываются действием закона Ома и происходят по аналогичному принципу. Особенности на их прохождение налагают:

применение схем однофазных или трехфазных сетей различной конфигурации;

наличие контура заземления.

Виды коротких замыканий в схемах переменного напряжения

Токи КЗ могут возникнуть между:

фазой и землей;

двумя разными фазами;

двумя разными фазами и землей;

тремя фазами;

тремя фазами и землей.

Для передачи электроэнергии по воздушным ЛЭП системы электроснабжения могут использовать разную схему подключения нейтрали:

1. изолированную;

2. глухозаземленную.

В каждом из этих случаев токи коротких замыканий будут формировать свой путь и иметь разную величину. Поэтому все перечисленные варианты сборки электрической схемы и возможности возникновения в них токов коротких замыканий учитываются в создании конфигурации токовых защит для них.

Внутри потребителей электроэнергии, например, электродвигателя тоже может возникнуть короткое замыкание. У однофазных конструкций потенциал фазы может пробить слой изоляции на корпус или нулевой проводник. В трехфазном электрооборудовании дополнительно может возникнуть неисправность между двумя или тремя фазами либо между их сочетаниями с корпусом/землей.

Во всех этих случаях, как и при КЗ в цепях постоянного тока, через образовавшуюся закоротку и всю подключенную к ней до генератора схему будет протекать ток короткого замыкания очень большой величины, вызывающий аварийный режим.

Для его предотвращения используют защиты, которые осуществляют автоматическое снятие напряжение с оборудования, подвергшегося действию повышенных токов.

Как выбирают границы срабатывания защиты от короткого замыкания

Все электрические приборы рассчитаны на потребление определенной величины электроэнергии в своем классе напряжения. Рабочую нагрузку принято оценивать не мощностью, а током. Его проще замерять, контролировать и создавать на нем защиты.

На картинке представлены графики токов, которые могут возникнуть в разных режимах работы оборудования. Под них подбираются параметры настройки и наладки защитных устройств.

На графике коричневым цветом показана синусоида номинального режима, который выбирается в качестве исходного при проектировании электрической схемы, учете мощности электропроводки, подборе токовых защитных устройств.

Частота промышленной синусоиды при этом режиме всегда стабильна, а период одного полного колебания происходит за время 0,02 секунды.

Синусоида рабочего режима на картинке показана синим цветом. Она обычно меньше номинальной гармоники. Люди редко полностью используют все резервы отведенной им мощности. Как пример, если в комнате висит пятирожковая люстра, то для освещения часто включают одну группу лампочек: две или три, а не все пять.

Чтобы электроприборы надежно работали при номинальной нагрузке, создают небольшой запас по току для настройки защит. Величину тока, на который их настраивают для отключения, называют уставкой. При ее достижении выключатели снимают напряжение с оборудования.

В интервале амплитуд синусоид между номинальным режимом и уставкой электросхема работает в режиме небольшого перегруза.

Возможная временна́я характеристика аварийного тока показана на графике черным цветом. У нее амплитуда превышает уставку защит, а частота колебаний резко изменилась. Обычно она имеет апериодический характер. Каждая полуволна изменяется по величине и частоте.

Любая защита от короткого замыкания включает в себя три основных этапа работы:

1. постоянное отслеживание состояния синусоиды контролируемого тока и определение момента возникновения неисправности;

2. анализ создавшейся ситуации и выдача логической частью команды на исполнительный орган;

3. снятие напряжения с оборудования коммутационными аппаратами.

Во многих устройствах используется еще один элемент - ввод задержки времени на срабатывание. Его используют для обеспечения принципа селективности в сложных, разветвленных схемах.

Поскольку синусоида достигает своей амплитуды за время 0,005 сек, то этого периода, как минимум, необходимо для ее замера защитами. Следующие два этапа работы тоже не совершаются мгновенно.

Общее время работы самых быстрых токовых защит по эти причинам чуть меньше периода одного колебания гармоники 0,02 сек.

Конструктивные особенности защит от короткого замыкания

Электрический ток, проходя по любому проводнику, вызывает:

термический нагрев токопровода;

наведение магнитного поля.

Эти два действия приняты за основу конструирования защитных аппаратов.

Защиты на основе принципа термического воздействия тока

Тепловое действие тока, описанное учеными Джоулем и Ленцем, используется для защиты предохранителями.

Защита предохранителями

Она основана на установке внутри пути тока плавкой вставки, которая оптимально выдерживает номинальную нагрузку, но перегорает при ее превышении, разрывая цепь.

Чем выше величина аварийного тока, тем быстрее создается разрыв схемы - снятие напряжения. При небольшом превышении тока отключение может произойти через длительный промежуток времени.

Предохранители успешно работают в электронных устройствах, электрооборудовании автомобилей, бытовой техники, промышленных устройствах до 1000 вольт. Отдельные их модели эксплуатируются в цепях высоковольтного оборудования.

Защиты на основе принципа электромагнитного воздействия тока

Принцип наведения магнитного поля вокруг проводника с током позволил создать огромный класс электромагнитных реле и защитных автоматов, использующих катушку отключения.

Ее обмотка расположена на сердечнике - магнитопроводе, в котором складываются магнитные потоки от каждого витка. Подвижный контакт механически связан с якорем, являющимся качающейся частью сердечника. Он прижимается к стационарно закрепленному контакту усилием пружины.

Ток номинальной величины, проходящий по виткам катушки отключения, создает магнитный поток, который не может преодолеть усилие пружины. Поэтому контакты постоянно находятся в замкнутом состоянии.

При возникновении аварийных токов якорь притягивается к стационарной части магнитопровода и разрывает цепь, созданную контактами.

Один из видов автоматических выключателей, работающих на основе электромагнитного снятия напряжения с защищаемой схемы, показан на картинке.

В нем используется:

автоматическое отключение аварийных режимов;

система гашения электрической дуги;

ручное или автоматическое включение в работу.

Цифровые защиты от короткого замыкания

Все рассмотренные выше защиты работают с аналоговыми величинами. Кроме них в последнее время в промышленности и особенно в энергетике начинают активно внедряются цифровые технологии на основе работы и статических реле. Такие же приборы с упрощенными функциями выпускаются для бытовых целей.

Замер величины и направления тока, проходящего по защищаемой схеме, выполняет встроенный понижающий трансформатор тока высокого класса точности. Замеренный им сигнал подвергается оцифровке посредством наложения по принципу амплитудной модуляции.

Затем он поступает на логическую часть микропроцессорной защиты, которая работает по определенному, заранее настроенному алгоритму. При возникновении аварийных ситуаций логика устройства выдает команду исполнительному отключающему механизму на снятие напряжения с сети.

Для работы защиты используется блок питания, берущий напряжение от сети или автономных источников.

Цифровые защиты от коротких замыканий обладают большим количеством функций, настроек и возможностей вплоть до регистрации предаварийного состояния сети и режима ее отключения.

Практически каждый начинающий радиолюбитель стремится вначале своего творчества сконструировать сетевой блок питания, чтобы впоследствии использовать его для питания различных экспериментальных устройств. И конечно, хотелось бы, чтобы этот блок питания "подсказывал" об опасности выхода из строя отдельных узлов при ошибках или неисправностях монтажа.

На сегодняшний день существует множество схем, в том числе и с индикацией короткого замыкания на выходе. Подобным индикатором в большинстве случаев обычно служит лампа накаливания, включенная в разрыв нагрузки. Но подобным включением мы увеличиваем входное сопротивление источника питания или, проще говоря, ограничиваем ток, что в большинстве случаев, конечно, допустимо, но совсем не желательно.

Схема, изображенная на рис.1, не только сигнализирует о коротком замыкании, абсолютно не влияя на выходное сопротивление устройства, но и автоматически отключает нагрузку при закорачивании выхода. Кроме того, светодиод HL1 напоминает, что устройство включено в сеть, a HL2 светится при перегорании плавкого предохранителя FU1, указывая на необходимость его замены.

Электрическая принципиальная схема самодельного блока питания с защитой от коротких замыканий

Рассмотрим работу самодельного блока питания . Переменное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки Т1, выпрямляется диодами VD1...VD4, собранными по мостовой схеме. Конденсатеры С1 и С2 препятствуют проникновению в сети высокочастотных помех, а оксидный конденсатор С3 сглаживает пульсации напряжения, поступающего на вход компенсационного стабилизатора, собранного на VD6, VT2, VT3 и обеспечивающего на выходе стабильное напряжение 9 В.

Напряжение стабилизации можно изменить, подбирая стабилитрон VD6, например, при КС156А оно составит 5 В, при Д814А - 6 В, при ДВ14Б - В В, при ДВ14Г -10 В, при ДВ14Д -12 В. При желании выходное напряжение можно сделать регулируемым, для этого между анодом и катодом VD6 включают переменный резистор сопротивлением 3-5 кОм, а базу VT2 подключают к движку этого резистора.

Рассмотрим работу защитного устройстваблока питания . Узел защиты от КЗ в нагрузке состоит из германиевого п-р-п транзистора VT1, электромагнитного реле К1, резистора R3 и диода VD5. Последний в данном случае выполняет функцию стабистора, поддерживающего на базе VT1 неизменное напряжение около 0,6 - 0,7 В относительно общего.

В обычном режиме работы стабилизатора транзистор узла защиты надежно закрыт, так как напряжение на его базе относительно эмиттера отрицательное. При возникновении короткого замыкания эмиттер VT1, как и эмиттер регулирующего VT3, оказывается соединенным с общим минусовым проводом выпрямителя.

Другими словами, напряжение на его базе относительно эмиттера становится положительным, вследствие чего VT1 открывается, срабатывает К1 и своими контактами отключает нагрузку, светится светодиод HL3. После устранения короткого замыкания напряжение смещения на эмиттерном переходе VT1 снова становится отрицательным и он закрывается, реле К1 обесточивается, подключая нагрузку к выходу стабилизатора.

Детали для изготовления блока питания. Электромагнитное реле любое с возможно меньшим напряжением срабатывания. В любом случае должно соблюдаться одно непременное условие: вторичная обмотка Т1 должна выдавать напряжение, равное сумме напряжений стабилизации и срабатывания реле, т.е. если напряжение стабилизации, как в данном случае 9 В, а U сраб реле 6 В, то на вторичной обмотке должно быть не менее 15 В, но и не превышать допустимое на коллекторе-эмиттере применяемого транзистора. В качестве Т1 на опытном образце автор использовал ТВК-110Л2. Печатная плата устройства изображена на рис.2.

Печатная плата блока питания

Это невероятно полезное приспособление, которое защитит ваш дом от короткого замыкания при проверке каких-либо тестируемых приборов. Бывают случаи, когда необходимо проверить электроприбор на отсутствие КЗ, к примеру, после ремонта. И чтобы не подвергать свою сеть опасности, подстраховаться и избежать неприятных последствий, как раз и поможет это очень простое устройство.

Понадобится

• Розетка накладная.
• Выключатель клавишный, накладной.
• Лампочка накаливания 40 - 100 Вт с патроном.
• Провод двухжильный в двойной изоляции 1 метр.
• Вилка разборная.
• Саморезы.

Все детали будут крепиться к деревянному квадрату из ДСП или другого материала.

Патрон для лампочки лучше использовать настенный, но если у вас такого нет делаем скобу для обхвата из тонкой жести.

И вываливаем квадратик из толстой древесины.

Будет крепится так.

Сборка розетки с защитой от короткого замыкания

Схема всей установки.

Как видите, все элементы соединены последовательно.
Первым делом собираем вилку, подключая к ней провод.

Так как розетка и выключатель настенные, круглым напильником сбоку сделаем пропилы для провода. Это можно сделать острым ножом.

Приворачиваем деревянный квадратик к основанию саморезами. Подберите такие, чтобы они не прошли насквозь.

Приворачиваем патрон с лампой скобой к деревянному квадратику.

Разбираем розетку и выключатель. Приворачиваем саморезами к основанию.

Подключаем провода к патрону.

Для полной надежности все провода пропаяны. То есть: зачищаем, сгибаем колечко, пропаиваем паяльником с припоем и флюсом.

Провод питания фиксируем капроновыми стяжками.

Схема собрана, установка готова к проверке.

Для пробы в розетку вставляем зарядник от сотового телефона. Нажимаем выключатель - лампа не светит. Значит короткого замыкания нет.

Затем берем нагрузку помощнее: блок питания от компьютера. Включаем. Лампа накаливания в начале вспыхивает, а затем гаснет. Это нормально, так как в блоке имеются мощные конденсаторы, которые в начале заражаются.

Имитируем КЗ - вставляем в розетку пинцет. Включаем, лампа светит.

Вот такой замечательный и очень нужный прибор.

Такая установка подходит не только для маломощных приборов, но и для мощных. Конечно стиральная машинка или электрическая плитка не заработают, но по яркости свечения можно понять, что КЗ отсутствует.
Лично я, почти всю свою жизнь пользуюсь подобным девайсом, проверяя на ней все вновь собранные .

Похожие статьи