Электромеханический автоматический выключатель нагрузки

Быстродействующий электромеханический автоматический выключатель нагрузки своими руками

Быстродействующий электромеханический автоматический выключатель, предназначенный под использование в составе низковольтных систем переменного и постоянного тока – конструкция нужная. Тем более универсальная модель, поддерживающая защиту источника напряжения постоянной или переменной величины, по выбору пользователя. Рассмотрим схему автоматического электромеханического выключателя нагрузки с регулировкой по току, которую доступно собрать своими руками. Схема разрабатывалась для защиты сильноточных дросселей и систем управления на железных дорогах, но подходит для любых других применений, где высокая токовая нагрузка и низкие напряжения.

Схема автоматического электромеханического выключателя нагрузки

Представленная схема для сборки своими руками поддерживает регулировку отключения в зависимости от токовой составляющей. Точка отключения регулируется в диапазоне 0,5 — 10А переменного / постоянного тока. В схеме используются чип ACS712ELCTR-20A-1 (МС1) — датчик линейного тока на основе эффекта Холла. Чип предназначен для измерения тока и обеспечения электрической изоляции между нагрузкой и цепью управления.

Среди особенностей электронной схемы устройства следует выделить следующие технические моменты:

  • быстродействие на уровне 1/60 секунды,
  • регулировка тока отключения в пределах 0,5 — 10А,
  • отсутствие потерь напряжения в цепи нагрузки,
  • наличие индикаторов работы,
  • малое энергопотребление в режиме сброса,
  • переменные, фиксированные, асимметричные моменты отключения.

Согласно спецификации реле, используемого в схеме автоматического электромеханического выключателя, максимальное ожидаемое время размыкания контактов составляет 15 миллисекунд (1/66 секунды). Соответственно, имеет место мгновенная работа электронной чувствительной и управляющей части автоматического электромеханического выключателя.

Ограничения регулируемого автоматического электромеханического выключателя нагрузки

Требуется отдельный источник питания для работы в системах переменного напряжения. В случае отключения питания цепь нагрузки замыкается. Схема не предназначена для использования в системах цифрового командного управления (DCC – Digital Command Control), но вполне допускает такой вариант, если параметры на отключение увеличить на 10–15% по сравнению с настройками допустимых систем.

Описание работы электронной схемы устройства выключения

Отсутствие питания схемы автоматического электромеханического выключателя приводит к обесточиванию реле цепи нагрузки, контакты которого остаются замкнутыми, чем обеспечивается подача питания нагрузки. Датчик тока на основе эффекта Холла, включенный в состав микросхемы МС1, выдаёт выходной сигнал, пропорциональный переменному или постоянному току, протекающему через цепь нагрузки.

ДАТЧИК ХОЛЛА

Электромеханический автоматический выключатель нагрузки - принципиальная схема
Принципиальная схема автоматического электромеханического выключателя постоянного/переменного тока с функцией регулировки срабатывания по току, собранного на основе микросхем ACS712ELCTR-20A-T и LM339

Клемма, помеченная на схеме цифрой 2, не подключена к цепям схемы автоматического электромеханического выключателя и не требует подключения для работы в целом.

Таблица электронных компонентов схемы электромеханического автоматического выключателя

Обозначение Элемент Номинал
МС1, МС2, МС3 микросхема ACS712ELCTR-20A-T, LM339, LM7805
Q1 транзистор 2N3906
D1, D2 Светодиод зелёный, красный
D3, D4, D5, D6, D7 Диод 1N4002
R1, R5, R7, 8 Резистор 10 кОм
R2, R4 резистор точный +/- 1% 3,740 Ом
R3 потенциометр 10 кОм
R6, R9 (R11), R10 Резистор 3,3 кОм, 470 Ом, 100 кОм
C1, C2, C3, C4, C5, C6 Конденсатор 0,1 мкФ; 0,001 мкФ; 2,2 мкФ; 10 мкФ; 1 мкФ; 330 мкФ/35В
S1, S2 Кнопка без фиксации 1N4002
RY1 Реле механическое RTE24005F

Датчик тока с эффектом Холла микросхемы ACS712 способен создавать положительное или отрицательное выходное напряжение, в зависимости от направления протекания тока. Следовательно, допускается использование с постоянным током любой полярности.

Применение компараторов напряжения в составе схемы устройства

Компараторы напряжения – секции микросхемы МС2A и МС2B, образуют схему детектора напряжения «оконного» типа. Выход одного из компараторов имеет низкий уровень в зависимости от того, высокое или низкое значение напряжения на входах, установленных делителем напряжения, образованным резисторами R2, R3 и R4.

Компаратор напряжения МС2C используется в качестве базового компаратора, выход которого приобретает высокий уровень, когда напряжение на входе в пределах отрицательного диапазона. Микросхемой МС2C зажигается зелёный светодиод — D1 (отключено), когда электромеханический автоматический выключатель переходит в режим «отключено». Компаратор МС2C подчинён компаратору МС2D.

Светодиод D1 также указывает подачу управляющего питания на автоматический электромеханический выключатель. Компаратор напряжения МС2D используется как триггер типа «установка / сброс», выход которого становится низким, если напряжение на входе «плюса» также приобретает низкий уровень. Выход триггера остаётся на низком уровне до момента сброса путём активации кнопки S1 или выключения / включения питания.

Микросхемой МС2D активируется реле RY 1, размыкающее цепь нагрузки. Когда реле активировано, загорается красный светодиод D2, указывающий на отключение автоматического выключателя. Конденсатор С3 гарантирует переключение автоматического выключателя при подаче управляющего напряжения в цепь.

Автоматический электромеханический выключатель: регулировка границ отключения

Потенциометр R3 устанавливает уровень тока отключения для автоматического электромеханического выключателя. Диапазон настройки составляет 0,5 — 10 ампер для переменной / постоянной формы. Схема также может быть построена по принципу нерегулируемого отключения, путём замены потенциометра R3 резистором с фиксированным значением. Значение фиксированного резистора рассчитывается с учётом желаемой настройки границы отключения.

КОМПАРАТОР

Параметры значений настройки тока отключения
Таблица номинальных и максимально возможных параметров настройки автоматического электромеханического выключателя на отключение по току. На схеме слева: 1, 6 – питание +5В; 2 – выход сенсора; 3, 8 – земля; 4, 5 – точки подключения вольтметра; 7 – выход на реле

Поддерживается асимметричная настройка с использованием фиксированных резисторов. Например, отключение прямого тока может быть установлено граничным значением 5A, а точка отключения для обратного тока на граничное значение 1A. Этот способ видится полезным в системах с батарейным питанием, где используется функция зарядки.

Кнопочный переключатель S1 используется для сброса автоматического электромеханического выключателя после срабатывания. Внешний выключатель (при необходимости) подключается к плате через клеммы, обозначенные на схеме символами «A» и «B», соответственно. Конденсатор C4 обеспечивает отключение схемы, даже если кнопка S1 удерживается замкнутой в момент перегрузки.

Диоды D4-D7, конденсаторы C5 и C6, стабилизатор напряжения МС3 образуют схему 5-вольтового источника питания, необходимого для микросхемы МС1 и остальной части схемы управления. Два параллельно соединенных полюса механического реле на 8А используются для управления цепью нагрузки. Использование механического реле в качестве устройства прерывания исключает потери напряжения в цепи нагрузки.

Электромеханический автоматический выключатель + управляющая мощность

Схема управления выключателя нуждается в низковольтном источнике переменного или постоянного напряжения. Эта мощность может поступать от цепи нагрузки с постоянным напряжением или от отдельного источника питания, например, трансформатора, оснащённого штепсельным разъёмом. В качестве примера варианты схем ниже.

ТРАНСФОРМЕР

Варианты схем подключения нагрузки и питания
Варианты схемного включения: 1, 5 – нагрузка; 2 – источник постоянного напряжения; 3 – сенсор тока; 4 – схема контроля; 6 – источник переменного напряжения; 7 – выборочный источник напряжения (6 – 16В переменное, 10 – 24В постоянное, 100 мА); 8 – подключение дополнительных выключателей (опционально)

Напряжение питания цепей управления (клеммы 4 , 5) не рекомендуется выше значений 16В переменного или 24В постоянного тока. Требование токовых ограничений в данном случае для цепи автоматического выключателя составляет 100 мА, когда реле включено (цепь нагрузки разорвана).

Более одного электромеханического автоматического выключателя допустимо питать от одного источника питания, если источник питания обеспечивает мощность 100 мА на каждый подключенный электромеханический автоматический выключатель. Если для электромеханического автоматического выключателя отсутствует управляющая мощность, цепь нагрузки остается замкнутой.

Электромеханический автоматический выключатель: регулировка тока отключения

Настройка тока отключения электромеханического автоматического выключателя контролируется потенциометром R3. Напряжение на R3 устанавливает точки отключения прямого и обратного тока на электромеханический автоматический выключатель. Резисторы R2 и R3 и R4 образуют регулируемый делитель напряжения с двумя выходными уровнями.

Вольтметр, подключенный через R3 к выводам R2 и R4, используется для регулировки настройки значений отключения. По мере увеличения сопротивления R3, разность напряжений между плюсовым входом микросхемы МС2A и минусовым входом МС2B увеличивается. Этим увеличивается уровень тока отключения цепи в прямом и обратном направлениях.

Электромеханический автоматический выключатель допускает использование для токовых значений:

  • переменной величины,
  • полноволновых постоянной величины,
  • полуволновых постоянной величины,
  • прямой величины,

но для установки точки срабатывания в условиях прямого постоянного тока по сравнению с переменной или полноволновой постоянной величиной, необходимы разные уровни напряжения на потенциометре R3.

Настройка параметра отсечки, необходимого для номинальных максимальных синусоидальных величин, полноволновых и полуволновых постоянных величин, в 1,414 раза превышает настройку параметра под прямой постоянный ток. Разница в уровнях напряжения обусловлена пиковыми напряжениями синусоидальных волн в цепях переменного или постоянного тока.

Для цепей однополупериодного постоянного тока амперметр должен указывать половину уставки пикового тока отключения. Опять же, это связано с природой синусоидальных волн. Если электромеханический автоматический выключатель используется для прямой постоянной величины, максимальный ток отключения 10А в этом случае превышать недопустимо.


При помощи информации: Circuitous