Brechstangenschaltung

Die Zuverlässigkeit eines elektronischen Geräts hängt davon ab, wie gut die Hardwareschutzschaltungen ausgelegt sind. Der Endbenutzer (Verbraucher) ist fehleranfällig und es liegt in der Verantwortung eines guten Hardware-Designers, seine Hardware vor Missgeschicken zu schützen. Es gibt zahlreiche Arten von Schutzschaltungen mit jeweils eigenen spezifischen Anwendungen. Die gebräuchlichsten Arten von Schutzschaltungen sind Überspannungsschutzschaltungen, Verpolungsschutzschaltungen, Stromstoßschutz- und Rauschschutzschaltungen. In diesem Tutorial werden wir uns mit der Crowbar-Schaltung befassen, die eine Art Überspannungsschutzschaltung ist und häufig in elektronischen Geräten verwendet wird. Wir werden diese Schaltung auch praktisch erstellen und überprüfen, wie sie im wirklichen Leben funktioniert.

Erforderliche Materialien

• Sicherung
• Zenerdiode
• Thyristor
• Kondensatoren
• Widerstände
• Schottky Diode

Crowbar Schaltplan

Das Schaltbild einer Brechstangenschaltung ist sehr einfach und leicht zu erstellen und zu implementieren, was es zu einer kostengünstigen und schnellen Lösung macht. Der vollständige Schaltplan der Brechstange ist unten dargestellt.

Hier ist die Eingangsspannung (blaue Sonde) die Spannung, die überwacht werden muss, und die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie die Versorgung abschaltet, wenn die Versorgungsspannung 9,1 V überschreitet. Wir werden die Funktion jeder Komponente im folgenden Arbeitsabschnitt diskutieren.

Funktionsweise der Brechstange

Ein Crowbar-Stromkreis überwacht die Eingangsspannung und erzeugt bei Überschreiten des Grenzwerts einen Kurzschluss über die Stromleitungen und löst die Sicherung aus. Sobald die Sicherung durchgebrannt ist, wird die Stromversorgung von der Last getrennt und verhindert so Hochspannung. Die Schaltung erzeugt einen direkten Kurzschluss über die Stromleitungen, als ob eine Brechstange zwischen den Stromleitungen der Schaltung fallen gelassen würde. Daher erhält es seinen ikonischen Namen Brechstangenschaltung.

Die Spannung, über der der Stromkreis einen Kurzschluss erzeugen soll, hängt von der Zenerspannung ab. Die Schaltung besteht aus einem SCR, der direkt über die Eingangsspannung und die Masse der Schaltung geschaltet ist. Dieser SCR wird jedoch standardmäßig durch Erden des Gate-Pins des SCR ausgeschaltet. Wenn die Eingangsspannung die Zener-Spannung überschreitet, beginnt die Zener-Diode zu leiten, und daher wird dem Gate-Pin des SCR eine Spannung zugeführt, die die Verbindung zwischen der Eingangsspannung und Masse schließt und so einen Kurzschluss erzeugt. Dieser Kurzschluss zieht einen maximalen Strom aus der Stromversorgung und sprengt die Sicherung, die die Stromversorgung von der Last trennt. Die gesamte Arbeitsweise kann auch anhand des obigen GIF-Bildes leicht verstanden werden. Dort finden Sie auch ein Demonstrationsvideo am Ende dieses Tutorials.

Das obige Bild zeigt, wie die Brechstangenschaltung genau reagiert, wenn der Überspannungszustand auftritt. Wie Sie sehen können, ist die Zenerdiode hier für 9,1 V ausgelegt, aber die Eingangsspannung hat den Wert überschritten und liegt derzeit bei 9,75 V. Die Zenerdiode öffnet sich und beginnt zu leiten, indem eine Spannung an den Gate-Pin des SCR angelegt wird. Der SCR beginnt dann durch Kurzschließen der Eingangsspannung und der Erdung zu leiten und sprengt somit die Sicherung aufgrund der maximalen Stromaufnahme, wie in GIF oben gezeigt. Die Funktion jeder Komponente in dieser Schaltung wird unten erläutert.

Sicherung: Die Sicherung ist die entscheidende Komponente in diesem Stromkreis. Die Nennleistung der Sicherung sollte immer unter der maximalen Nennstromstärke des SCR und über dem von der Last verbrauchten Strom liegen. Wir sollten auch sicherstellen, dass das Netzteil genügend Strom liefert, um die Sicherung im Falle eines Ausfalls zu durchbrechen.

0,1 uF Kondensator: Dies ist ein Filterkondensator; Es entfernt die Spitzen und andere Störungen wie Oberschwingungen von der Versorgungsspannung, um zu verhindern, dass die Schaltung eine falsche Auslösung bildet.

9,1-V-Zenerdiode: Diese Diode bestimmt den Überspannungswert, da hier eine 9,1-V-Zenerdiode verwendet wurde, reagiert die Schaltung auf jede Spannung, die über ihrem Schwellenwert von 9,1 V liegt. Der Designer kann den Wert dieses Widerstands entsprechend seinen Anforderungen auswählen.

1K-Widerstand: Dies ist nur ein Pulldown-Widerstand, der den Gate-Pin des SCR gegen Masse hält und ihn so lange ausgeschaltet hält, bis der Zener zu leiten beginnt.

47nF-Kondensator: Jeder Netzschalter wie SCR benötigt eine Dämpfungsschaltung, um die Spannungsspitzen während des Schaltens zu unterdrücken und zu verhindern, dass der SCR falsch ausgelöst wird. Hier haben wir gerade einen Kondensator verwendet, um die Arbeit zu erledigen. Der Wert des Kondensators sollte gerade ausreichen, um das Rauschen zu filtern, da ein hoher Kapazitätswert die Verzögerung erhöht, mit der der SCR nach dem Anlegen des Gate-Impulses zu leiten beginnt.

Thyristor (SCR): Der Thyristor ist für die Erzeugung eines Kurzschlusses zwischen den Stromschienen verantwortlich. Es sollte darauf geachtet werden, dass der SCR einen so hohen Stromwert verarbeiten kann, dass die Sicherung durchbrennt und sich selbst beschädigt. Die Gate-Spannung des SCR sollte kleiner sein als die Zener-Durchbruchspannung. Erfahren Sie hier mehr über Thyristor.

Schottky-Diode: Diese Diode ist nicht obligatorisch und wird nur zu Schutzzwecken verwendet. Es stellt sicher, dass wir keinen Rückstrom von der Lastseite erhalten, der möglicherweise die Schutzschaltung beschädigen könnte. Eine Schottky-Diode wird anstelle einer regulären Diode verwendet, da sie einen geringeren Spannungsabfall aufweist.

Hardware

Nachdem wir die Theorie hinter der Crowbar-Schaltung verstanden haben, ist es Zeit, sich mit dem lustigen Teil zu befassen. Das heißt, die Schaltung wird auf einem Brotbrett aufgebaut und in Echtzeit überprüft, wie es funktioniert. Die Schaltung, die ich baue, ist für eine 12-V-Lampe. Diese Lampe verbraucht bei einer normalen Betriebsspannung von 12 V ca. 650 mA. Wir werden die Brechstangenschaltung so konstruieren, dass überprüft wird, ob die Spannung die 12 V überschreitet. Wenn dies der Fall ist, werden wir den SCR kurzschließen und somit die Sicherung durchbrennen. Also habe ich hier eine 12V Zener Diode und einen TYN612 Thyristor verwendet. Die Sicherung ist in einem Sicherungshalter montiert. Hier haben wir eine Patronensicherung mit einer Nennleistung von 500 mA verwendet. Das komplette Setup ist in der Abbildung unten dargestellt

Ich habe einen RPS verwendet, um die Eingangsspannung zu steuern. Zunächst wird das Setup mit 12 V getestet und es funktioniert einwandfrei, wenn die Lampe eingeschaltet wird. Später wird die Spannung mit dem RPS-Knopf erhöht, wodurch ein Kurzschluss durch den SCR entsteht und die Sicherung durchgebrannt wird, wodurch auch die Glühlampe ausgeschaltet und von der Stromversorgung getrennt wird. Die vollständige Arbeitsweise kann auch im Video unten auf dieser Seite überprüft werden.

Einschränkungen des Crowbar Circuit

Obwohl die Schaltung weit verbreitet ist, hat sie ihre eigenen Einschränkungen, die unten aufgeführt sind

• Der Überspannungswert der Schaltung hängt ausschließlich vom Zener-Spannungswert ab, und es sind nur wenige Werte der Zener-Diode verfügbar.
• Die Schaltung ist auch Rauschproblemen ausgesetzt; Dieses Geräusch kann oft einen falschen Auslöser erzeugen und die Sicherung durchbrennen lassen.
• Im Falle einer Überspannung löst der Stromkreis die Sicherung aus und benötigt später manuelle Hilfe, um die Last wieder laufen zu lassen, wenn die Spannung normal wird.
• Die Sicherung ist eine mechanische Sicherung, die ausgetauscht werden muss und daher Aufwand, Zeit und Geld kostet.