Схема включения нагрузки при определенном напряжении

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Включение или отключение по достижению напряжения

Если вы читаете этот материал, значит вам понадобилось устройство для включения или отключения нагрузки по достижению определенного напряжения. Не важно для чего – отключить заряд аккумулятора от ЗУ по предельному вольтажу, подключить резервное питание при снижении основного источника или чего-там ещё. Все эти функции может сделать простая и 100 раз проверенная схема на операционном усилителе (ОУ) LM358 плюс реле. С их помощью соберем эту схему, а также подробно рассмотрим принцип действия, чтоб вы смогли адаптировать её под свои нужды.

Схема простого тестера аккумуляторов

Для начала задействуем модуль как LED тестер аккумуляторов.

Схема питается от 12 В. За аккумулятором находится стабилизатор напряжения, благодаря которому на чип LM358 поступает питание 5 В. Напомним, что контакт 3 – это так называемый вход неинвертирующий In (+), а контакт 2 – это вход, инвертирующий In (-). Если напряжение при In (+) > In (-) на выходе, то получим напряжение, близкое к напряжению подаваемому на усилитель, и загорится красный светодиод. В противном случае, то есть когда In (+) меньше или равно In (-), выходное напряжение близко к 0 В, светодиод не загорится.

Ножка 3 ОУ будет подключена к одному из полюсов аккумулятора. Второй вывод подключается к земле и источнику питания через потенциометр 10 кОм. Резистор 1 МОм и конденсатор 100 нФ предотвращают возбуждение схемы. При сборке поместите микросхему на макетную плату, а затем отрегулируйте ручку потенциометра так, чтобы напряжение вольтметра было 1,45 В. Почему такое значение? Просто будем тестировать обычные пальчиковые батареи с номинальным напряжением 1,5 В. Когда они новые, их напряжение составляет около 1,6 В, когда они разряжены, их напряжение будет например 1,2 В или меньше. Напряжение 1,45 В означает, что аккумулятор еще для чего-то годен.

Если подключим к схеме новую исправную батарею, напряжение на In (+) будет, например, 1,6 В и будет больше, чем напряжение на In (-), которое будет 1,45 В. In (+) > In (-), значит светодиод горит. В данном случае имеем свежий элемент с напряжением 1,57 В.

Если подключим подуставшую батарею к схеме, напряжение на In (+) будет, например, 1,2 В, и значит ниже, чем напряжение на In (-), которое выставили на 1,45 В. Имеется In (+) Электромагнитные реле: а) 12 В, b) 5 В

Реле – это электромеханический элемент, внутри которого есть переключаемые контакты, а также катушка, которая генерирует магнитное поле.

Ток, протекающий через катушку реле (намотанные витки провода), создает магнитное поле, которое притягивает железный якорь, что, в свою очередь, вызывает замыкание или размыкание соответствующих контактов.

В зависимости от типа реле: 5 В или 12 В или другое какое напряжение, соберите схему на рисунке а или б. В этой схеме использовали реле на напряжение 12 В.

Как проверить реле о котором ничего не знаем и хотим узнать, для каких клемм используются подключения?

Мультиметр будет полезен в этой задаче. Настроим его на измерение сопротивления в диапазоне, например, 2 кОм, а затем приложим щупы к отдельным парам контактов реле, проверив, какое сопротивление будет между ними. Таким образом нужно найти пару контактов, между которыми сопротивление будет большим (например более 100 Ом), и пару контактов, между которыми сопротивление будет наименьшим (порядка 1 Ом).

Высокое сопротивление покажет, что нашли катушку, создающую магнитное поле. Если подадим напряжение на клеммы с высоким сопротивлением, ток будет течь через катушку и контакты, в зависимости от типа реле замкнутся или разомкнуться (нормально открытое и нормально закрытое реле).

Низкое сопротивление будет означать, что мы обнаружили замкнутые контакты реле. В случае нормально разомкнутых реле между двумя контактами вообще не будет сопротивления, потому что когда через реле не протекает ток, они остаются разомкнутыми.

Принципиальная схема автомата с реле: а) на 5 В, b) на 12 В

Далее вид на собранную плату с реле и дополнительным светодиодом в цепи контактов реле.

Если напряжение поступающее на неинвертирующий вход LM358, больше, чем на инвертирующем входе, то есть In (+) > In (-), то получим напряжение на выходе, которое вызовет протекание тока в базовой цепи и таким образом включит транзистор. Через катушку реле и транзистор (в цепи коллектор-эмиттер) будет протекать ток, который создаст магнитное поле, что приведет к замыканию контакта и протеканию тока через светодиод или другую нагрузку, которую вам надо подключить.

Если напряжение на входах операционного усилителя изменится и In (+) меньше или равно In (-), на выходе получим напряжение, близкое к нулю, которое будет слишком низким, чтобы заставить ток течь в цепи базы – транзистор будет выключенный. Как следствие, ток тоже перестанет течь через реле. Но на сердечнике, на котором намотана катушка, сохраненная энергия останется и ее нужно куда-то девать, поэтому в цепи, близкой к катушке реле, есть быстрый диод 1N4148. Если забыть об этом диоде при проектировании схемы (что является довольно частой ошибкой начинающих электронщиков), энергия от сердечника реле создаст высокое напряжение на выводах катушки, что приведет к повреждению транзистора!

Для чего используются реле тут? Благодаря им небольшой ток, протекающий от низковольтной схемы, активирует мощную нагрузку, например мотор с питанием 220 В или автомобильный аккумулятор с током в несколько ампер. Просто выставьте напряжение срабатывания и подключитесь к нужным контактам реле – на отключение или включение устройства при достижении заданного напряжения. Успехов в бою!

Источник

Базовая схема регулирования напряжения на нагрузке

Для этой цели нам придется применить один электронный прибор, который мы до сих пор не рассматривали: тиристор, представляющий собой управ­ляемый диод и соединяющий в себе свойства диода и транзистора. По схеме включения тиристор несколько напоминает транзистор в ключевом режи­ме — у него тоже три вывода, которые работают аналогично соответствую­щим выводам транзистора (рис. 10.1, а). В обычном состоянии тиристор за­перт и представляет собой бесконечное сопротивление, а для открывания достаточно подать напряжение на управляющий электрод — аналог базы у транзистора. Разница между тиристором и транзистором заключается в том, что для удержания транзистора в открытом состоянии через базу нужно все время гнать управляющий ток, а тиристору для открывания достаточно ко­роткого импульса.

Величина тока через управляющий электрод составляет несколько единиц или десятков миллиампер— в зависимости от мощности тиристора, для очень мощных приборов может составлять единицы ампер (причем в ряде случаев ограничительный резистор можно не ставить— на схеме рис. 10.1, а он показан пунктиром). При этом напряжение должно достигать определен­ной величины: амплитуда управляющих импульсов для тиристоров средней мощности (рассчитанных на токи порядка 3—10 А) должна составлять при­мерно 5—10 В, а длительность его может не превышать 0,05 мс.

В отсутствии открывающего импульса тиристор все равно можно открыть, если подать на анод достаточно высокое напряжение — ток через управляю­щий электрод всего лишь снижает это открывающее анодное напряжение практически до нуля (но при этом управляющий импульс также должен иметь напряжение не ниже некоторого порога). Существует отдельный класс приборов под названием динисторы, которые представляют собой тиристоры без управляющего электрода — они открываются при превышении анодным напряжением определенной величины, которая обычно составляет нескрлько десятков вольт. Кроме того, тиристоры могут открываться самопроизвольно, если анодное напряжение нарастает слишком быстро (со скоростью порядка 10 В/мкс и более). Во избежание этого в схемах на тиристорах следует шун­тировать промежуток катод-управляющий электрод резистором (на схеме рис. 10.1, а не показан). В настоящее время выпускаются специальные тири­сторы и симисторы (о них рассказано далее), лишенные этого недостатка и предназначенные для работы в импульсных цепях.

Рис. 10.1. Схемы включения тиристоров и симисторов: а — основная схема включения тиристора (1 — управляющий электрод; 2 — анод; 3 — катод); б — включение симистора

Как и все диоды, тиристоры выдерживают большие перегрузки по току при условии, что они кратковременны. Во включенном состоянии тиристор ведет себя, как обычный диод, а закроется только тогда, когда ток через него (именно через него, в цепи анод-катод, а не по управляющему переходу) сни­зится до нуля. Если использовать его в цепи переменного тока, то это Про­изойдет почти сразу, в конце ближайшего полупериода, при переходе напря­жения через ноль. А вот в цепи постоянного тока тиристор сам не отключится, пока через него идет ток. В принципе тиристор можно закрыть и подачей на управляющий электрод импульса противоположной полярности, но практически этим никто не пользуется (и возможность эта для обычных тиристоров относится к числу недокументированных), потому что и напря­жение, и ток такого импульса должны быть сравнимы с напряжением и то­ком в силовой цепи анод-катод.

Одиночный тиристор может обеспечить регулирование только положитель­ного напряжения. В сети переменного тока в открытом состоянии он будет работать, как диод, отрезая отрицательную полуволну. Чтобы регулировать переменное напряжение в течение обоих полупериодов, нужен еще один ти­ристор, включенный наоборот. Так как тиристоры во всем, кроме управле­ния, ведут себя подобно диодам, их можно включать встречно-параллельно. Для обычных диодов такое включение применяется только в схемах, подоб­ных показанной на рис. 7.5 — они будут всегда открыты, так что, если не об­ращать внимания на падение напряжения в 0,6 В, при включении последова­тельно с нагрузкой такая схема просто ничего не делает. Иное дело тиристоры — если на управляющие электроды ничего не подавать, то на­грузка будет отключена, если же подавать управляющие импульсы в нужной фазе и полярности относительно питающего напряжения, то они будут от­крываться и подключать нагрузку.

Симметричные тиристоры или симисторы (рис. 10.1, б), естественно, выпус­каются и отдельно. На западный манер симистор называется триаком. В си-мисторе один управляющий электрод, причем в общем случае знак управ­ляющего напряжения должен совпадать с полярностью на аноде. Популярные в нашей стране симисторы КУ208 при положительном напряже­нии на аноде могут включаться импульсами любой полярности, подаваемы­ми на управляющий электрод относительно катода, а при отрицательном — импульсами только отрицательной полярности.

Рис. 10.2. Графики напряжения в схеме фазового управления с помощью тиристоров или симистора

На осциллограммах (рис. 10.2) перед нами пример управления мощностью в нагрузке с помощью пары встречно-параллельно включенных тиристоров или симистора. В начале каждого полупериода тиристор закрыт, управляю­щий импульс подается только через промежуток времени, равный трети длительности этого полупериода (то есть со сдвигом фаз, равным я/3 относи­тельно напряжения питания), и тогда тиристор открывается. Закрывается он, как уже говорилось, автоматически в момент перехода питающего напряже­ния через ноль.

В результате напряжение на нагрузке будет иметь необычный вид, показан­ный на графике рис. 10.2 внизу. Каково будет действующее значение напря­жения? Ясно, что оно будет меньше, чем в отсутствие тиристора — или чем в случае, если бы управляющий импульс подавался в самом начале периода. Если же, наоборот, подавать управляющий импульс в самом конце^ то дейст­вующее значение будет близко к нулю. Таким образом, сдвигая фазу управ­ляющих импульсов, мы можем плавно менять мощность в нагрузке с доста­точно высоким КПД.

Мощность в нагрузке при тиристорном управлении

А можно ли вычислить, чему будет равно действующее значение во всех этих случаях? Обычно такие расчеты не требуются, но в некоторых случаях, как мы увидим далее, полезно эту величину знать, так как стандартным цифро­вым мультиметром измерить ее невозможно— по причинам, указанным в главе 4, он покажет для напряжения такой формы все, что угодно, только не истинную величину. Для того чтобы рассчитать величину действующего зна­чения для разных величин сдвига фазы, нужно взять интеграл от квадрата мгновенного значения напряжения в течение всего полупериода. Полученная в результате формула будет выглядеть так:

?— действующее значение напряжения на нагрузке;

?_ — амплитудное значение питающего напряжения;

?— определяется по формуле / = я – ф, если сдвиг фазы ф выражать в радианах или по формуле / = я(180 – ф)/180, если сдвиг фазы ф выражать в градусах.

При сдвиге фазы больше, чем половина периода (то есть ф > я/2), полезно знать также максимальное значение напряжения на нагрузке f/max, потому что от этого иногда зависит выбор элементов (при сдвиге фазы меньше половины периода максимальное значение попросту равно амплитудному значению питающего напряжения). Его можно рассчитать по простой формуле:

В табл. 10.1 приведены результаты расчета по этим формулам для синусои­дального напряжения 220 В. В последней колонке таблицы приведены вели­чины мощности, которая будет выделяться в нагрузке, в процентах от макси­мальной мощности, которая выделялась бы при прямом включении нагрузки в сеть или, что то же самое, при сдвиге фазы управляющего импульса, равной нулю.

Таблица 10.1. Действующие и амплитудные напряжения при тиристорном управлении

Источник