230V Wechselstrom-Überspannungsschutzschaltung

Die meisten Netzteile sind heutzutage aufgrund technologischer Fortschritte und besserer Designpräferenzen sehr zuverlässig. Es besteht jedoch immer die Möglichkeit eines Ausfalls aufgrund eines Herstellungsfehlers, oder es kann sein, dass der Hauptschalttransistor oder der MOSFET defekt sind. Es besteht auch die Möglichkeit, dass es aufgrund einer Überspannung am Eingang ausfällt, obwohl Schutzvorrichtungen wie Metalloxid-Varistoren (MOVs) als Eingangsschutz verwendet werden können. Sobald ein MOV ausgelöst wird, macht es das Gerät unbrauchbar.

Um dieses Problem zu lösen, werden wir ein Überspannungsschutzgerät mit einem Operationsverstärker bauen, das hohe Spannungen erkennen und die Eingangsleistung in Sekundenbruchteilen abschalten kann, um das Gerät vor einem Hochspannungsstoß zu schützen. Außerdem wird ein detaillierter Test der Schaltung durchgeführt, um unser Design und die Funktionsweise der Schaltung zu überprüfen. Die folgende Prüfung gibt Ihnen einen Überblick über den Bau- und Testprozess für diese Schaltung. Wenn Sie sich für SMPS Design interessieren, lesen Sie unsere vorherigen Artikel zu SMPS PCB Design Tips und SMPS EMI Reduction Techniques.

Was ist Überspannungsschutz und warum ist er so wichtig?

Es gibt viele Möglichkeiten, wie ein Stromversorgungskreis ausfallen kann. Eine davon ist auf Überspannung zurückzuführen. In einem früheren Artikel haben wir eine Überspannungsschutzschaltung für den Gleichstromkreis erstellt. Sie können dies überprüfen, wenn dies Ihr Interesse weckt. Der Überspannungsschutz kann als ein Merkmal dargestellt werden, bei dem die Stromversorgung heruntergefahren wird, wenn ein Überspannungszustand auftritt, obwohl eine Überspannungssituation seltener auftritt. In diesem Fall wird die Stromversorgung unbrauchbar. Die Auswirkungen eines Überspannungszustands können sich auch von der Stromversorgung auf den Hauptstromkreis auswirken. In diesem Fall ist nicht nur die Stromversorgung unterbrochen, sondern auch der Stromkreis. Aus diesem Grund wird eine Überspannungsschutzschaltung in jedem elektronischen Design wichtig.

Um eine Schutzschaltung für Überspannungssituationen zu entwerfen, müssen wir die Grundlagen des Überspannungsschutzes klären. In unseren vorherigen Tutorials zu Schutzschaltungen haben wir viele grundlegende Schutzschaltungen entwickelt, die an Ihre Schaltung angepasst werden können, nämlich Überspannungsschutz, Kurzschlussschutz, Verpolungsschutz, Überstromschutz usw.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns nur auf eine Sache: eine Überspannungsschutzschaltung für das Eingangsnetz, um zu verhindern, dass sie zerstört wird.

Wie funktioniert der 230-V-Netzüberspannungsschutz?

Um die Grundlagen der Überspannungsschutzschaltung zu verstehen, nehmen wir die Schaltung auseinander, um das grundlegende Funktionsprinzip jedes Teils der Schaltung zu verstehen.

Das Herzstück dieser Schaltung ist ein OP-Verstärker, der als Komparator konfiguriert ist. In der schematischen Darstellung haben wir einen Basis-Operationsverstärker LM358 und in Pin-6 haben wir unsere Referenzspannung, die von einem Spannungsregler-IC LM7812 erzeugt wird, und an Pin-5 haben wir unsere Eingangsspannung, die vom Hauptstrom kommt Versorgungsspannung. Wenn in dieser Situation die Eingangsspannung die Referenzspannung überschreitet, wird der Ausgang des Operationsverstärkers hoch, und mit diesem hohen Signal können wir einen Transistor ansteuern, der ein Relais einschaltet, aber in dieser Schaltung liegt ein großes Problem Aufgrund von Rauschen im Eingangssignal schwingt der Operationsverstärker viele Male, bevor er zu einem stabilen Zustand kommt.

Die Lösung besteht darin, die Hysterese der Schmitt-Triggerwirkung am Eingang hinzuzufügen. Bisher haben wir gemacht Schaltungen wie Frequenzzähler mit Arduino und Kapazitätsmessgerät mit Arduino welche beide verwendet Schmitt - Trigger - Eingänge, wenn Sie mehr über diese Projekte erfahren möchten, tun die heraus überprüfen. Durch die Konfiguration des Operationsverstärkers mit positivem Feedback können wir den Spielraum am Eingang entsprechend unseren Anforderungen erweitern. Wie Sie im obigen Bild sehen können, haben wir mit Hilfe von R18 und R19 Feedback gegeben und praktisch zwei Schwellenspannungen hinzugefügt, eine ist die obere Schwellenspannung, eine andere ist die untere Schwellenspannung.

Berechnung der Komponentenwerte für den Überspannungsschutz

Wenn wir uns den Bauplan, haben wir unsere Netzeingang, die wir beheben es mit Hilfe eines Brückengleichrichter, dann setzen wir sie durch einen Spannungsteiler, der mit R9 hergestellt ist, R11 und R10, dann wir filtern sie durch eine 22uF 63V Kondensator.

Nachdem wir die Berechnung für den Spannungsteiler durchgeführt haben, erhalten wir eine Ausgangsspannung von 3,17 V. Jetzt müssen wir die oberen und unteren Schwellenspannungen berechnen. Nehmen wir an, wir möchten die Leistung unterbrechen, wenn die Eingangsspannung 270 V erreicht . Wenn wir nun die Spannungsteilerberechnung erneut durchführen, erhalten wir eine Ausgangsspannung von 3,56 V, was unsere obere Schwelle ist. Unsere untere Schwelle bleibt bei 3,17 V, da wir den Operationsverstärker geerdet haben.

Mit Hilfe einer einfachen Spannungsteilerformel können wir nun leicht die oberen und unteren Schwellenspannungen berechnen. Ausgehend vom Schaltplan wird die Berechnung unten gezeigt:

UT = R18 / (R18 + R19) * Vout = 62 K / (1,5 M + 62 K) = 0,47 V LT = R18 / (R18 + R19) * -Vout = 62 K / (1,5 M + 62 K) = 0 V.

Nach der Berechnung können wir nun deutlich erkennen, dass wir Ihre obere Schwellenspannung mithilfe der positiven Rückkopplung auf 0,47 V über dem Triggerpegel eingestellt haben.

Hinweis: Bitte beachten Sie, dass unsere praktischen Werte aufgrund von Widerstandstoleranzen geringfügig von unseren berechneten Werten abweichen.

Leiterplatten-Überspannungsschutz-Leiterplatten-Design

Die Platine für unsere Netzüberspannungsschutzschaltung ist für ein einzelnes Sideboard ausgelegt. Ich habe Eagle zum Entwerfen meiner Leiterplatte verwendet, aber Sie können jede Design-Software Ihrer Wahl verwenden. Das 2D-Bild meines Board-Designs ist unten dargestellt.

Ein ausreichender Spurendurchmesser wird verwendet, damit die Stromspuren den Strom durch die Leiterplatte fließen lassen. Der AC-Netzeingang und der Transformator-Eingangsbereich befinden sich auf der linken Seite und der Ausgang auf der unteren Seite, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Die vollständige Designdatei für Eagle zusammen mit dem Gerber kann über den unten stehenden Link heruntergeladen werden.

• GERBER für Netzüberspannungsschutzschaltung

Jetzt, da unser Design fertig ist, ist es an der Zeit, die Platine zu löten. Nach Abschluss des Ätz-, Bohr- und Lötvorgangs sieht die Platine wie in der Abbildung unten aus.

Testen der Überspannungs- und Stromschutzschaltung

Zur Demonstration wird die folgende Vorrichtung verwendet

1. Meco 108B + TRMS Multimeter
2. Meco 450B + TRMS Multimeter
3. Hantek 6022BE Oszilloskop
4. 9-0-9 Transformator
5. 40W Glühbirne (Testlast)

Wie Sie auf dem obigen Bild sehen können, habe ich diesen Testaufbau vorbereitet, um diese Schaltung zu testen. Ich habe zwei Drähte in Pin5 und Pin6 des Operationsverstärkers gelötet und das Meco 108B + Multimeter zeigt die Eingangsspannung und das Meco 450B + Multimeter an zeigt die Referenzspannung an.

In dieser Schaltung wird der Transformator über eine 230-V-Netzstromversorgung mit Strom versorgt, und von dort wird die Leistung als Eingang in die Gleichrichterschaltung eingespeist. Der Ausgang des Transformators wird ebenfalls in die Platine eingespeist, da er die Schaltung mit Strom und Referenzspannung versorgt.

Wie Sie aus dem obigen Bild sehen können, ist die Schaltung eingeschaltet und die Eingangsspannung im meco 450B + Multimeter ist geringer als die Referenzspannung, was bedeutet, dass der Ausgang eingeschaltet ist.

Um nun die Situation zu simulieren, in der wir die Referenzspannung reduzieren, wird der Ausgang ausgeschaltet und ein Überspannungszustand erkannt. Außerdem leuchtet eine rote LED auf der Platine auf. Dies können Sie auf dem Bild unten beobachten.

Weitere Verbesserungen

Zur Demonstration wird die Schaltung mit Hilfe des Schaltplans auf einer Leiterplatte aufgebaut. Diese Schaltung kann leicht modifiziert werden, um ihre Leistung zu verbessern. Beispielsweise haben die von mir verwendeten Widerstände alle 5% Toleranzen, wobei 1% Nennwiderstände verbessert werden können die Genauigkeit der Schaltung.

Ich hoffe, Ihnen hat der Artikel gefallen und Sie haben etwas Nützliches gelernt. Wenn Sie Fragen haben, können Sie diese im Kommentarbereich unten hinterlassen oder in unseren Foren andere technische Fragen stellen.