Elektronischer Leistungsschalter mit Hoch- / Niederspannungsschutz

Spannungsschwankungen waren schon immer ein Problem und sind für den größten Teil des Ausfalls von Wechselstromgeräten verantwortlich. Sei es ein normales Haushaltsgerät wie ein Toaster oder eine Hochleistungs-Industriemaschine wie eine CNC, alles hat nur eine Nennspannung, auf der es problemlos mit maximaler Effizienz betrieben werden kann. Leider liefern uns unsere Haushalts- / Industrieleitungen aus verschiedenen Gründen nicht die Nennspannung. Daher werden wir in diesem Projekt einen einfachen elektronischen Leistungsschalter bauen, der ein Relais auslösen kann, um die Last zu trennen, wenn eine Hoch- / Niederspannung erkannt wird.

Dieses Projekt basiert auf dem berühmten Operationsverstärker LM358. Wir werden den Operationsverstärker im Differentialmodus arbeiten lassen, um die aktuelle Spannung mit einer voreingestellten Spannung zu vergleichen. Das gesamte Projekt kann auf einem Steckbrett (mit Ausnahme der Stromleitungen) aufgebaut werden und in kürzester Zeit zum Laufen gebracht werden. Also fangen wir an…..

Erforderliche Komponenten für Leistungsschalter:

1. LM358 (Dual Package Op-Amp)
2. 7805 (+ 5V Regler)
3. 12V Abwärtstransformator
4. 5V Relais
5. BC547 (2Nos)
6. 10K variabler POT
7. 1K-, 2K-, 2,2K-, 10K-, 5,1K-Widerstände
8. Kondensatoren mit 100 uF, 10 uF, 0,1 uF
9. Diodenbrücke
10. Kabel anschließen
11. Brotbrett

Schaltplan:

Das vollständige schematische Diagramm des elektronischen Leistungsschalters ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Lesen Sie weiter, um dies zu erklären.

Schaltungserklärung:

Wie oben im Schaltplan des Leistungsschalters gezeigt, ist es wirklich einfach und nur eine Reihe von Widerständen, Kondensatoren und anderen Dingen. Aber was passiert eigentlich dahinter? Wie werden die Werte der Komponenten ausgewählt und welche Rolle spielen sie hier?

Ich habe versucht, diese Frage zu beantworten, indem ich sie in die einzelnen Segmente aufteilte und sie unten erklärte.

Leistungsteil:

Der Operationsverstärker ist das Herzstück dieses elektronischen Leistungsschalterdiagramms. Wir benötigen eine geregelte 5-V-Versorgung, um diesen Operationsverstärker mit Strom zu versorgen. Außerdem müssen wir dem Operationsverstärker die aktuelle Spannung (Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt) zuführen. Der Operationsverstärker kann nur bis zu 5 V verarbeiten, da er mit 5 V betrieben wird. Daher müssen wir die Eingangswechselspannung (220 V AC) in 0-5 V DC umwandeln.

Die obige Schaltung löst also zwei Zwecke.

1. Stellen Sie eine konstante Spannung von 5 V zum Einschalten der Schaltung bereit
2. Ordnet die Eingangswechselspannung für den Operationsverstärker 0-5 V zu

Um dies zu erreichen, haben wir einen 12-V-Abwärtstransformator verwendet, der den 220-V-Wechselstrom in 12-V-Wechselstrom umwandelt. Anschließend korrigieren wir ihn mit einer Diodenbrücke auf 12 V Gleichstrom (ungefähr) und regeln die Spannung mithilfe eines 7805-Spannungsreglers auf 5 V. Änderungen der Eingangsspannung wirken sich auf den Spannungswert auf der Ausgangsseite der Diodenbrücke aus. Daher kann diese Spannung als "Stromspannung" des Wechselstromnetzes betrachtet werden. Durch Verwendung eines 5,1-K-Widerstands und eines 10-K-POT (der einen Potentialteiler bildet) haben wir die Spannung zwischen 0 und 5 V abgebildet.

Op-Amp-Bereich:

Dieser Abschnitt ist der Teil, in dem der Vergleich stattfindet. Wir haben zwei Unterteilungen in der Operationsverstärker-Sektion. Eine wird verwendet, um die „aktuelle Spannung“ mit dem Hochspannungswert zu vergleichen, und die andere wird verwendet, um mit dem Niederspannungswert zu vergleichen. Beide Abschnitte sind im Bild unten dargestellt.

Die oben gezeigte Operationsverstärkerschaltung ist der Differentialmodus eines Operationsverstärkers. Operationsverstärker sind wirklich ein Arbeitspferd für die meisten elektronischen Schaltkreise, sie haben viele Betriebsarten und Anwendungen wie Summieren, Subtrahieren, Verstärken usw. Wir haben sie hier als Spannungskomparator verwendet.

Was ist ein Spannungskomparator und warum brauchen wir sie hier?

In unserem Fall vergleicht ein Spannungskomparator die Spannung zwischen den Pins 3 und 2, und wenn die Spannung an Pin 3 größer als Pin 2 ist, wird der Ausgang an Pin 1 hoch (3,6 V), andernfalls beträgt der Ausgang 0 V. Wir vergleichen die „Stromspannung“ mit der voreingestellten Hoch- und Niederspannung, um einen Hoch / Niederspannungs-Trigger zu erhalten.

In der oben gezeigten Schaltung wird die Niederspannungsschwelle an Pin 2 unter Verwendung der Widerstände 1K und 2K eingestellt. Die Hochspannungsschwelle wird an den Pins 5 unter Verwendung der 1K- und 2,2K-Widerstände eingestellt.

Die Verwendung dieser Widerstände bildet einen Potentialteiler und liefert eine Niederspannungsabschaltung von 3,33 V und eine Hochspannungsabschaltung von 3,43 V. Dies bedeutet, dass nur wenn die „Stromspannung“ zwischen 3,33 V und 3,43 V liegt, beide Operationsverstärker hoch gehen.

Hinweis: Ich habe die Schwellenspannungen auf 3,33 V und 3,43 Volt eingestellt, da mein oberer Grenzwert 230 V und der Liebhaber-Grenzwert 220 V betrug. Sie können sie entsprechend einstellen und dann die Schaltung kalibrieren, indem Sie den „10K-Poti“ verwenden, um die „Stromspannung“ zu steuern.

Relaisabschnitt:

Dies ist der Ort, an dem wir die Wechselstromlast anbringen. Das Relais dient zum Ein- und Ausschalten der Wechselstromlast.

Wie im Abschnitt über Operationsverstärker beschrieben. Beide Operationsverstärker werden nur dann hoch, wenn die Spannung zwischen den Grenzwerten für Hoch- und Niederspannung liegt. Daher müssen wir eine Wechselstromlast nur dann einschalten, wenn beide Ausgänge des Operationsverstärkers hoch sind. Hier sind der " Niederspannungsauslöser " und der " Hochspannungsauslöser " der Ausgang von Pin 1 bzw. Pin 7.

Nur wenn beide hoch sind, wird das Relais seinen Boden bekommen und das wird ausgelöst. Die Wechselstromlast (hier eine Lampe) wird über das Relais angeschlossen. Ein Widerstand von 1 K wird zur Strombegrenzung verwendet.

Sobald Sie verstanden haben, wie die Schaltung funktioniert, ist es kein Problem mehr, sie zum Laufen zu bringen. Verdrahten Sie einfach die Stromkreise und stellen Sie mit dem 10K-Poti unsere „Stromspannung“ zwischen Ihrem „Hochspannungsauslöser“ und Ihrem „Niederspannungsauslöser“ ein. Wenn sich nun die Wechselstrom-Hauptspannung ändert, wird einer Ihrer Operationsverstärker niedrig und Ihr Relais wird ausgeschaltet, wodurch die daran angeschlossene Last ausgeschaltet wird.

Sie können auch die hier angehängte Simulationsdatei verwenden, um Ihre Schaltung anhand Ihrer Hoch- oder Niederspannungsschwellenwerte zu überprüfen / zu ändern.

Die Simulation verwendet ein Potentiometer zum Variieren der Eingangsspannung und eine grüne LED als Last. Sie können auch die Spannungswerte an jedem Anschluss überwachen, um die Schaltung besser zu verstehen.

Ich hoffe, Ihnen hat dieses Leistungsschalterprojekt gefallen und Sie haben die Funktionsweise dahinter verstanden. Die vollständige Arbeitsweise des Projekts ist im folgenden Video zu sehen.

Dieses Projekt weist die folgenden Nachteile auf, die Sie möglicherweise in Betracht ziehen sollten, falls dies für Sie von Bedeutung ist.

1. Die hier gemessene Spannung ist keine Veff-Spannung. Der Wert ist auch Spitzen und Welligkeiten ausgesetzt
2. Ihre Last kann einen Schalteffekt erfahren, wenn die Spannung allmählich abfällt / ansteigt (in den meisten Fällen nicht).
3. Schließen Sie keine Lasten an, die mehr als 5 A Strom verbrauchen. Dies wird höchstwahrscheinlich Ihr Relais und seinen Treiber töten.

Sie können dieses ähnliche Projekt auch überprüfen, um mehr zu erfahren: Hoch- / Niederspannungserkennung mit dem PIC-Mikrocontroller