Elektroniczny wyłącznik automatyczny z zabezpieczeniem wysokiego / niskiego napięcia

Wahania napięcia zawsze były problemem i są odpowiedzialne za większość awarii urządzeń AC. Niezależnie od tego, czy jest to normalne urządzenie domowe, takie jak toster, czy wysokowydajna maszyna przemysłowa, taka jak CNC, wszystko ma tylko napięcie znamionowe, przy którym będzie działać bez problemu z maksymalną wydajnością. Niestety, nasze linie domowe / przemysłowe nie zapewniają nam tego napięcia znamionowego z różnych powodów, dlatego w tym projekcie zamierzamy zbudować prosty elektroniczny wyłącznik nadprądowy, który może wyzwolić przekaźnik odłączający obciążenie w przypadku wykrycia wysokiego / niskiego napięcia.

Ten projekt został zaprojektowany wokół słynnego wzmacniacza operacyjnego LM358. Zamierzamy sprawić, by wzmacniacz operacyjny działał w trybie różnicowym, dzięki czemu będzie porównywał aktualne napięcie z wstępnie ustawionym napięciem. Cały projekt można zbudować na płycie chlebowej (z wyjątkiem linii energetycznych) i można go uruchomić w mgnieniu oka. Więc zacznijmy…..

Komponenty wymagane dla wyłącznika:

1. LM358 (podwójny pakiet wzmacniacza operacyjnego)
2. 7805 (regulator + 5V)
3. Transformator obniżający napięcie 12V
4. Przekaźnik 5 V.
5. BC547 (2Nos)
6. 10K zmienny POT
7. Rezystory 1K, 2K, 2,2K, 10K, 5,1K
8. Kondensatory 100uF, 10uF, 0,1uF
9. Mostek diodowy
10. Podłączanie przewodów
11. Deska do chleba

Schemat obwodu:

Pełny schemat wyłącznika elektronicznego przedstawiono na poniższym rysunku. Przeczytaj dalej, aby uzyskać wyjaśnienie tego samego.

Objaśnienie obwodu:

Jak pokazano powyżej na schemacie wyłącznika, jest to naprawdę proste i tylko kilka rezystorów, kondensatorów i innych rzeczy. Ale co tak naprawdę dzieje się za tym wszystkim. Jak dobierane są wartości komponentów i jaka jest ich rola?

Próbowałem odpowiedzieć na to pytanie, dzieląc je na poszczególne segmenty i wyjaśniając je poniżej.

Sekcja mocy:

Wzmacniacz operacyjny jest sercem tego schematu elektronicznego wyłącznika. Potrzebujemy regulowanego zasilania 5 V do zasilania tego wzmacniacza operacyjnego. Musimy również podać aktualne napięcie (napięcie w dowolnym momencie) do wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz operacyjny może obsługiwać tylko do 5 V, ponieważ jest zasilany napięciem 5 V. Dlatego musimy przekonwertować napięcie wejściowe AC (220 V AC) na 0-5 V DC.

Tak więc powyższy obwód rozwiązuje dwa cele.

1. Zapewnij stałe 5 V do zasilania obwodów
2. Mapuje napięcie wejściowe AC do 0-5 V dla wzmacniacza operacyjnego

Aby to osiągnąć, użyliśmy transformatora obniżającego napięcie 12 V, który przekształca napięcie 220 V AC na 12 V AC, a następnie prostujemy go za pomocą mostka diodowego na 12 V DC (w przybliżeniu), a następnie regulujemy napięcie do 5 V za pomocą regulatora napięcia 7805. Wszelkie zmiany napięcia wejściowego będą miały wpływ na wartość napięcia po stronie wyjściowej mostka diodowego. Stąd to napięcie można uznać za „napięcie prądu” sieci prądu przemiennego. Używając rezystora 5,1K i 10K POT (tworzącego dzielnik potencjału) zmapowaliśmy napięcie między 0-5V.

Sekcja wzmacniacza operacyjnego:

Ta sekcja jest częścią, w której ma miejsce porównanie. W sekcji wzmacniacza operacyjnego mamy dwa podziały. Jeden służy do porównania „aktualnego napięcia” z wartością wysokiego napięcia, a drugi do porównania z wartością niskiego napięcia. Obie sekcje pokazano na poniższym obrazku.

Pokazany powyżej obwód wzmacniacza operacyjnego to tryb różnicowy wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz operacyjny jest naprawdę koniem roboczym dla większości obwodów elektronicznych, ma wiele trybów pracy i zastosowań, takich jak sumowanie, odejmowanie, wzmacnianie itp… Użyliśmy go tutaj jako komparatora napięcia.

Czym więc jest komparator napięcia i po co go tutaj potrzebujemy?

W naszym przypadku komparator napięcia porównuje napięcie między pinami 3 i 2, a jeśli napięcie na pinie 3 jest większe niż na pinie 2, to wyjście na pinie 1 osiąga stan wysoki (3,6 V), w przeciwnym razie na wyjściu będzie 0 V. Porównujemy „bieżące napięcie” z wstępnie ustawionym wysokim i niskim napięciem, aby uzyskać wyzwalacz wysokiego / niskiego napięcia.

W pokazanym powyżej obwodzie próg niskiego napięcia jest ustawiany na pinie 2 za pomocą rezystorów 1K i 2K. Próg wysokiego napięcia jest ustawiany na pinach 5 za pomocą rezystorów 1K i 2,2K.

Użycie tych rezystorów tworzy dzielnik potencjału i zapewnia 3,33 V odcięcia niskiego napięcia i 3,43 V jako odcięcie wysokiego napięcia. Oznacza to, że tylko wtedy, gdy „napięcie prądu” wynosi od 3,33 V do 3,43 V, oba wzmacniacze operacyjne osiągną stan wysoki.

Uwaga: Napięcia progowe ustawiłem na 3,33 V i 3,43 V, ponieważ moje górne odcięcie wynosiło 230 V, a dolne odcięcie wynosiło 220 V. Można je odpowiednio ustawić, a następnie skalibrować obwód za pomocą potencjometru 10K do sterowania „bieżącym napięciem”.

Sekcja przekaźników:

To jest miejsce, w którym podłączamy obciążenie AC. Przekaźnik służy do włączania / wyłączania obciążenia AC.

Jak omówiono w sekcji wzmacniacza operacyjnego. Oba wzmacniacze operacyjne osiągną stan wysoki tylko wtedy, gdy napięcie będzie między limitami odcięcia wysokiego i niskiego napięcia. Musimy więc włączać obciążenie AC tylko wtedy, gdy oba wyjścia wzmacniacza operacyjnego są wysokie. Tutaj „ Wyzwalacz niskiego napięcia ” i „ Wyzwalacz wysokiego napięcia ” są wyjściami odpowiednio pinu 1 i pinu 7.

Tylko jeśli oba są wysokie, przekaźnik dostanie masę i zostanie wyzwolony. Obciążenie AC (tutaj lampa) jest podłączone przez przekaźnik. Do ograniczenia prądu używany jest rezystor 1K.

Kiedy zrozumiesz, jak działa obwód, to nie będzie problemu. Po prostu połącz obwody i użyj potencjometru 10K, aby ustawić nasze „aktualne napięcie” pomiędzy „wyzwalaczem wysokiego napięcia” a „wyzwalaczem niskiego napięcia”. Teraz, jeśli nastąpi jakakolwiek zmiana w głównym napięciu prądu przemiennego, którykolwiek z wzmacniaczy operacyjnych spadnie do niskiego poziomu, a przekaźnik wyłączy się, wyłączając w ten sposób podłączone do niego obciążenie.

Możesz również użyć załączonego pliku symulacji, aby zweryfikować / zmodyfikować swój obwód w oparciu o wartości progowe wysokiego lub niskiego napięcia.

Symulacja wykorzystuje potencjometr do zmiany napięcia wejściowego i zieloną diodę LED jako obciążenie. Możesz także monitorować wartości napięcia na każdym zacisku, co pomoże ci znacznie lepiej zrozumieć obwód.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten projekt wyłącznika i zrozumiałeś, jak działa. Pełne działanie projektu można zobaczyć na poniższym filmie.

Ten projekt ma następujące wady, które możesz rozważyć na wszelki wypadek, jeśli to dla Ciebie oznacza.

1. Zmierzone tutaj napięcie nie jest napięciem Vrms. Wartość jest również narażona na szczyty i tętnienia
2. Twoje obciążenie może doświadczyć efektu przełączania, jeśli napięcie spada / rośnie stopniowo (w większości przypadków tak się nie dzieje).
3. Nie podłączaj obciążeń pobierających prąd większy niż 5A. To najprawdopodobniej zabije twój przekaźnik i jego sterownik.

Możesz również sprawdzić ten podobny projekt, aby dowiedzieć się więcej: Wykrywanie wysokiego / niskiego napięcia za pomocą mikrokontrolera PIC