Электронный автоматический выключатель с защитой от высокого / низкого напряжения

Колебания напряжения всегда были проблемой и являются причиной большинства отказов в устройствах переменного тока. Будь то обычный бытовой прибор, такой как тостер, или высокопроизводительный промышленный станок, такой как ЧПУ, все имеет номинальное напряжение, только при котором оно будет работать без каких-либо проблем с максимальной эффективностью. К сожалению, наши бытовые / промышленные линии не могут обеспечить нам это номинальное напряжение по разным причинам, поэтому в этом проекте мы собираемся построить простой электронный автоматический выключатель, который может запускать реле для отключения нагрузки при обнаружении высокого / низкого напряжения.

Этот проект разработан на базе известного операционного усилителя LM358. Мы собираемся заставить операционный усилитель работать в дифференциальном режиме, таким образом заставляя его сравнивать текущее напряжение с заданным напряжением. Весь проект можно построить на макете (кроме линий электропередач) и запустить в работу в кратчайшие сроки. Итак, приступим…

Компоненты, необходимые для автоматического выключателя:

LM358 (двухкамерный операционный усилитель)
7805 (регулятор + 5В)
Понижающий трансформатор 12 В
Реле 5В
BC547 (2 номера)
10K переменный POT
Резисторы 1 кОм, 2 кОм, 2.2 кОм, 10 кОм, 5.1 кОм
Конденсаторы 100 мкФ, 10 мкФ, 0,1 мкФ
Диодный мост
Подключение проводов
Хлебная доска

Принципиальная электрическая схема:

Полная принципиальная схема электронного автоматического выключателя представлена на изображении ниже. Читайте дальше для объяснения того же.

Описание схемы:

Как показано выше на схеме автоматического выключателя, это действительно просто и состоит из нескольких резисторов, конденсаторов и прочего. Но что на самом деле происходит за всем этим. Как выбираются значения компонентов и какова их роль здесь?

Я попытался ответить на этот вопрос, разбив их на сегменты и объяснив ниже.

Силовая секция:

Операционный усилитель является сердцем этой схемы электронного выключателя. Нам нужен стабилизированный источник питания 5 В для питания этого операционного усилителя. Также нам нужно подать текущее напряжение (напряжение в любой конкретный момент) на операционный усилитель. Операционный усилитель может работать только с напряжением до 5 В, поскольку он питается от 5 В. Следовательно, нам необходимо преобразовать входное переменное напряжение (220 В переменного тока) в 0-5 В постоянного тока.

Таким образом, приведенная выше схема решает две задачи.

Обеспечьте постоянное напряжение 5 В для питания схемы
Сопоставляет входное напряжение переменного тока до 0-5 В для операционного усилителя.

Для этого мы использовали понижающий трансформатор 12 В, который преобразует 220 В переменного тока в 12 В переменного тока, затем мы выпрямляем его диодным мостом до 12 В постоянного тока (приблизительно), а затем регулируем напряжение до 5 В с помощью регулятора напряжения 7805. Любые изменения входного напряжения повлияют на значение напряжения на выходной стороне диодного моста. Следовательно, это напряжение можно рассматривать как «текущее напряжение» сети переменного тока. Используя резистор 5,1 кОм и POT 10 кОм (образующий делитель потенциала), мы отобразили напряжение между 0-5 В.

Секция операционного усилителя:

В этом разделе происходит сравнение. У нас есть два подразделения в секции операционных усилителей. Один используется для сравнения «текущего напряжения» со значением высокого напряжения, а другой - для сравнения со значением низкого напряжения. Оба раздела показаны на изображении ниже.

Схема операционного усилителя, показанная выше, является дифференциальным режимом операционного усилителя. Операционный усилитель действительно является рабочей лошадкой для большинства электронных схем, он имеет множество режимов работы и приложений, таких как суммирование, вычитание, усиление и т. Д. Мы использовали его в качестве компаратора напряжения.

Так что же такое компаратор напряжения и зачем он нам нужен?

Компаратор напряжения в нашем случае сравнивает напряжение между контактами 3 и 2, и если напряжение на контакте 3 больше, чем на контакте 2, то выход на контакте 1 становится высоким (3,6 В), иначе выход будет 0 В. Мы сравниваем «текущее напряжение» с предварительно установленным высоким и низким напряжением, чтобы получить триггер высокого / низкого напряжения.

В схеме, показанной выше, порог низкого напряжения установлен на выводе 2 с помощью резисторов 1K и 2K. Порог высокого напряжения устанавливается на выводах 5 с помощью резисторов 1К и 2,2К.

Использование этих резисторов образует делитель потенциала и обеспечивает отсечку низкого напряжения 3,33 В и отсечку высокого напряжения 3,43 В. Это означает, что только если «текущее напряжение» находится в диапазоне от 3,33 В до 3,43 В, оба операционных усилителя будут иметь высокий уровень.

Примечание: я установил пороговые напряжения на уровне 3,33 В и 3,43 В, так как мое верхнее отключение было 230 В, а отключение любовника было 220 В. Вы можете установить их соответствующим образом, а затем откалибровать схему, используя потенциометр 10K для управления «текущим напряжением».

Секция реле:

Это место, куда мы подключаем нагрузку переменного тока. Реле используется для включения / выключения нагрузки переменного тока.

Как обсуждалось в разделе операционных усилителей. Оба операционных усилителя будут иметь высокий уровень только в том случае, если напряжение находится между пределами отсечки высокого и низкого напряжения. Таким образом, мы должны включать нагрузку переменного тока, только если на обоих выходах операционного усилителя высокий уровень. Здесь « триггер по низкому напряжению » и « триггер по высокому напряжению » являются выходами контактов 1 и 7 соответственно.

Только при высоком уровне обоих реле будет заземлено и сработает. Нагрузка переменного тока (здесь лампа) подключена через реле. Для ограничения тока используется резистор 1 кОм.

Как только вы поймете, как работает схема, заставить ее работать не будет проблемой. Просто подключите цепи и используйте потенциометр 10K, чтобы установить «текущее напряжение» между вашим «триггером высокого напряжения» и «триггером низкого напряжения». Теперь, если есть какое-либо изменение в основном напряжении переменного тока, любой из ваших операционных усилителей станет низким, и ваше реле выключится, тем самым отключив подключенную к нему нагрузку.

Вы также можете использовать прикрепленный здесь файл моделирования, чтобы проверить / изменить вашу схему на основе ваших пороговых значений высокого или низкого напряжения.

В моделировании используется потенциометр для изменения входного напряжения и зеленый светодиод в качестве нагрузки. Вы также можете контролировать значения напряжения на каждой клемме, что поможет вам лучше понять схему.

Надеюсь, вам понравился этот проект автоматического выключателя и вы поняли, что за ним стоит. Полную работу проекта можно увидеть на видео ниже.

Этот проект страдает следующими недостатками, которые вы можете рассмотреть на всякий случай, если это для вас значит.

Измеренное здесь напряжение не является среднеквадратичным напряжением. Значение также подвержено пикам и колебаниям.
Ваша нагрузка может испытывать эффект переключения, если напряжение падает / растет постепенно (в большинстве случаев этого не происходит).
Не подключайте нагрузки, потребляющие ток более 5А. Скорее всего, это убьет ваше реле и его драйвер.

Вы также можете проверить этот аналогичный проект, чтобы узнать больше: Обнаружение высокого / низкого напряжения с помощью микроконтроллера PIC