Elektronický spínač s nadproudovou ochranou

-1-
Elektronický spínač s ochranou proti zkratu
(c) Ing. Ladislav Kopecký
Při experimentování s elektronickými obvody, zejména ve výkonové elektronice, jsou
užitečné elektronické spínací prvky s ochranou proti zkratu. Mohou nám ušetřit mnoho
zklamání a zbytečných výdajů za součástky, především výkonové tranzistory. V tomto článku
je popsán jeden takový elektronický spínač. Na obrázku 1 je zobrazen elektronický spínač bez
zapojené zkratové ochrany, který spíná induktivní zátěž a rezistor v sérii proti zemi.
L1
V3
V1
10m
R12
10
12
24
M1
X1
IN+
V2
VCC
D1
IRF530
OUT
1N5819
driver-ik
IN-
GND
SEN
.tran .1
PULSE(0 12 1u 1u 1u 10m 20m)
13V
12V
11V
10V
9V
8V
7V
6V
5V
4V
3V
2V
1V
0V
-1V
0ms
V(n005)
I(L1)
2.4A
2.1A
1.8A
1.5A
1.2A
0.9A
0.6A
0.3A
0.0A
-0.3A
10ms
20ms
30ms
40ms
50ms
60ms
70ms
80ms
90ms
-0.6A
100ms
Obr. 1. Elektronický spínač bez ochrany proti zkratu.
Ve spodní části obrázku si všimněte, že po odeznění přechodového děje teče cívkou L1 proud
téměř 2,4A. Podle Ohmova zákona by to mělo být rovných 2,4A, protože odpor má hodnotu
10Ω. Nesmíme zapomenout, že spínací tranzistor IRF530 má v sepnutém stavu
nezanedbatelný odpor.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
-2Nyní budeme aktivovat zkratovou ochranu (obr. 2).
L1
V3
V1
10m
R12
10
12
24
M1
X1
IN+
V2
VCC
D1
IRF530
OUT
1N5819
driver-ik
IN-
GND
SEN
R1
1
.tran .1
PULSE(0 12 1u 1u 1u 10m 20m)
13V
12V
11V
10V
9V
8V
7V
6V
5V
4V
3V
2V
1V
0V
-1V
0ms
V(n005)
10ms
20ms
I(L1)
30ms
40ms
50ms
60ms
70ms
80ms
90ms
1.1A
1.0A
0.9A
0.8A
0.7A
0.6A
0.5A
0.4A
0.3A
0.2A
0.1A
0.0A
-0.1A
-0.2A
-0.3A
100ms
Obr. 2. Elektronický spínač s ochranou proti zkratu.
Všimněte si, že ve schématu přibyl odpor R1 o hodnotě 1Ω, jehož horní konec je připojen
k tranzistoru M1 a na vstup SEN (sense) budiče X1. Účinek tohoto opatření můžete vidět ve
spodní části obrázku. Všimněte si, že proud jen nepatrně překročí 1A, na který je proudová
ochrana nastavena. Rychlost reakce nadproudové ochrany je totiž konečná, proto by v obvodu
spínače měla být zařazena malá indukčnost, aby ochrana stihla zareagovat. Velikost
indukčnosti by měla odpovídat rychlosti proudové pojistky.
Nakonec se podíváme, co se ukrývá pod blokem X1. Budič (obr. 3) má galvanicky oddělený
vstup pomocí optočlenu U1. Když na vstup připojíme kladné napětí, např. 12V, zavře se
tranzistor Q2 a začne se nabíjet kondenzátor C1 přes odpor R2. Když napětí na kondenzátoru
přesáhne polovinu napájecího napětí, na výstupu operačního zesilovače U2 se objeví kladné
saturační napětí, které sepne připojený tranzistor MOSFET nebo IGBT. Když na vstup IN
budiče přivedeme nulové napětí, tak se přes sepnutý tranzistor Q2 kondenzátor C1 rychle
vybije a výstup OUT budiče rychle přejde do nuly. Pokud napětí na vstupu SEN je větší než
napětí na děliči R7, R8, zaúčinkuje nadproudová ochrana: Otevře se tranzistor Q1, který
zkratuje vstup + obvodu U2 a vybije kondenzátor C1, čímž výstup budiče OUT přejde do
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
-3-
VCC
nízké úrovně. Výstupní tranzistor rozepne a sepne opět po nabití kondenzátoru C1. Velikostí
kapacity C1 tedy můžeme řídit frekvenci spínání výstupního tranzistoru při zkratu a zároveň
tzv. dead time, když dva spínače zapojíme do polovičního můstku, pro zabránění současnému
sepnutí obou výkonových tranzistorů.
R10
R2
10k
10k
100k
R8
R5
11k
U2
R4
R6
C1
Q2
IN+
2k2
R3
22n
100k
OUT
U1
LT1006 10
LT1006
U3
2N3904
IN-
R11
PC817A
SEN
Q1
2N3904
100k
R7
1k
GND
1k
R9
Obr. 3. Schéma zapojení budiče se zkratovou ochranou.
Operační zesilovač LT1006, který je použit ve schématu, byl použit hlavně proto, že se
vyskytuje v knihovně simulačního programu a proto, že ho lze napájet jedním,
nesymetrickým zdrojem (single supply). Pro tyto aplikace se příliš hodit nebude, protože je
asi dost drahý a obtížně dostupný. Vhodnou náhradou je např. integrovaný obvod LM358
nebo LM2904, který se rovněž dá použít s nesymetrickým napájením a má dostatečný
výstupní proud pro rychlé otevření tranzistoru (MOSFET nebo IGBT).
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com