Obvod páčidla

Spolehlivost jakéhokoli elektronického zařízení závisí na tom, jak dobře byly navrženy ochranné ochranné obvody. Koncový uživatel (spotřebitel) je náchylný k chybám a je odpovědností dobrého designéra hardwaru chránit svůj hardware před jakýmkoli neštěstím. Existuje dostatek typů ochranných obvodů, z nichž každý má své vlastní specifické aplikace. Nejběžnějším typem ochranných obvodů jsou ochranné obvody proti přepětí, ochranné obvody s ochranou proti přepólování, proudové ochrany a ochranné obvody proti hluku. V tomto tutoriálu budeme diskutovat o Crowbar Circuit, což je typ obvodu přepěťové ochrany a běžně se používá v elektronických zařízeních. Tento obvod také prakticky vytvoříme a ověříme, jak funguje v reálném životě.

Potřebné materiály

• Pojistka
• Zenerova dioda
• Tyristor
• Kondenzátory
• Rezistory
• Schottkyho dioda

Schéma zapojení páčidla

Schéma zapojení obvodu páčidla je velmi jednoduché a snadno sestavitelné a implementovatelné, což z něj činí nákladově efektivní a rychlé řešení. Kompletní schéma zapojení páčidla je uvedeno níže.

Zde je vstupní napětí (modrá sonda) napětí, které je třeba monitorovat, a obvod je navržen tak, aby přerušil napájení, když napájecí napětí překročí 9,1V. V následující části budeme diskutovat o funkcích jednotlivých komponent.

Fungování Crowbar Circuit

Obvod páčidla sleduje vstupní napětí a při překročení limitu vytvoří zkrat přes elektrické vedení a vybuchne pojistku. Jakmile je pojistka spálená, napájecí zdroj se odpojí od zátěže a zabrání tak vysokému napětí. Obvod funguje tak, že vytvoří přímý zkrat přes elektrické vedení, jako by mezi napájecí vedení obvodu spadl páčidlo. Proto získává svůj ikonický název obvodu páčidla.

Napětí, přes které by obvod měl vytvořit zkrat, závisí na Zenerově napětí. Obvod se skládá z SCR, který je přímo připojen přes vstupní napětí a zem obvodu, ale tento SCR je ve výchozím nastavení udržován ve vypnutém stavu uzemněním hradlového kolíku SCR. Když vstupní napětí překročí Zenerovo napětí, začne Zenerova dioda vést, a proto je na kolík Gate SCR přiváděno napětí, což umožňuje uzavření spojení mezi vstupním napětím a zemí, čímž se vytvoří zkrat. Tento zkrat bude odebírat maximální proud z napájecího zdroje a vybuchne pojistku oddělující napájecí zdroj od zátěže. Kompletní práci lze snadno pochopit při pohledu na obrázek GIF výše. Můžete také najít ukázkové video na konci tohoto tutoriálu.

Obrázek nahoře představuje, jak obvod páčidla reaguje přesně, když nastane stav přepětí. Jak vidíte, Zenerova dioda je zde dimenzována na 9,1 V, ale vstupní napětí překračuje hodnotu a aktuálně je 9,75 V. Zenerova dioda se tedy otevře a začne dirigovat dodáním napětí do hradlového kolíku SCR. SCR pak začne provádět zkratováním vstupního napětí a uzemnění, a tak vybuchne pojistku kvůli maximálnímu odběru proudu, jak je uvedeno výše v GIF. Níže je vysvětlena funkce jednotlivých komponent v tomto obvodu.

Pojistka: Pojistka je důležitou součástí v tomto obvodu. Jmenovitá hodnota pojistky by měla být vždy menší než maximální jmenovitý proud SCR a více než proud spotřebovaný zátěží. Měli bychom také zajistit, aby napájecí zdroj mohl dodávat dostatek proudu k přerušení pojistky pro případ, že dojde k poruše.

Kondenzátor 0,1 uF : Toto je filtrační kondenzátor; odstraňuje hroty a další šum jako harmonické z napájecího napětí, aby se zabránilo falešnému spuštění obvodu.

Zenerova dioda 9,1 V: Tato dioda rozhoduje o hodnotě přepětí, protože zde jsme použili Zenerovu diodu 9,1 V, obvod bude reagovat na jakékoli napětí, které je nad prahovou hodnotou 9,1 V. Návrhář může zvolit hodnotu tohoto rezistoru podle svých potřeb.

1K rezistor: Jedná se pouze o stahovací rezistor, který drží pin brány SCR na zemi a udržuje jej tak vypnutý, dokud nezačne Zener dirigovat.

47nF kondenzátor: Každý spínač napájení, jako je SCR, vyžaduje tlumící obvod k potlačení napěťových špiček během přepínání a zabránění nesprávnému spuštění SCR. Tady jsme právě použili kondenzátor. Hodnota kondenzátoru by měla být dostatečná k filtrování šumu, protože vysoká hodnota kapacity zvýší zpoždění, s nímž začne SCR provádět po použití pulzu brány.

Tyristor (SCR): Tyristor je zodpovědný za vytvoření zkratu přes napájecí lišty. Je třeba dbát na to, aby SCR dokázalo zpracovat tak vysokou hodnotu proudu, která by jím prohodila pojistku a poškodila se. Gateové napětí SCR by mělo být menší než Zenerovo průrazné napětí. Další informace o tyristoru najdete zde.

Schottkyho dioda: Tato dioda není povinná a slouží pouze k ochranným účelům. Zajišťuje, že ze strany zátěže nedostaneme žádný zpětný proud, který by mohl poškodit ochranný obvod. Místo běžné diody se používá Schottkyho dioda, protože na ní dochází k menšímu poklesu napětí.

Hardware

Nyní, když jsme pochopili teorii za obvodem Páčidlo, je čas se dostat do zábavnější části. To je vlastně budování obvodu v horní části desky s chlebem a kontrola jeho fungování v reálném čase. Obvod, který stavím je pro 12V žárovky. Tato žárovka spotřebuje při běžném provozním napětí 12 V asi 650 mA. Navrhneme obvod páčidla, abychom zkontrolovali, zda napětí překračuje 12V, a pokud ano, zkratujeme SCR a tím vypálíme pojistku. Tady jsem tedy použil 12V Zenerovu diodu a tyristor TYN612. Pojistka je namontována uvnitř držáku pojistky, zde jsme použili kazetovou pojistku s hodnocením 500 mA. Kompletní nastavení je zobrazeno na obrázku níže

Použil jsem RPS k ovládání vstupního napětí, zpočátku je nastavení testováno na 12V a funguje dobře zapnutím žárovky. Později se napětí zvýší pomocí knoflíku RPS, čímž se vytvoří zkrat skrz SCR a vyhození pojistky, která také vypne žárovku a izoluje ji od zdroje napájení. Kompletní práci lze zkontrolovat také ve videu ve spodní části této stránky.

Omezení obvodu páčidla

Ačkoli je obvod široce používán, přichází s vlastními omezeními, která jsou uvedena níže

• Hodnota přepětí obvodu závisí čistě na hodnotě Zenerova napětí a je k dispozici pouze několik hodnot Zenerovy diody.
• Obvod je také vystaven problémům s hlukem; tento hluk může často způsobit falešnou spoušť a vybuchnout pojistku.
• V případě přepětí obvod spálí pojistku a později vyžaduje ruční pomoc, aby se zátěž znovu spustila, když se napětí dostane do normálu.
• Pojistka je mechanická pojistka, kterou je třeba vyměnit, a proto spotřebovává námahu, čas a peníze.