Circuito di protezione da sovratensione di rete 230V ac

La maggior parte dell'alimentatore in questi giorni è molto affidabile grazie al progresso della tecnologia e alle migliori preferenze di progettazione, ma c'è sempre una possibilità di guasto a causa di un difetto di fabbricazione o può essere il transistor di commutazione principale o il MOSFET che si guasta. Inoltre, esiste la possibilità che possa fallire a causa della sovratensione all'ingresso, sebbene i dispositivi di protezione come il varistore a ossido di metallo (MOV) possano essere utilizzati come protezione dell'ingresso, ma una volta che un MOV si attiva, rende il dispositivo inutilizzabile.

Per risolvere questo problema, costruiremo un dispositivo di protezione da sovratensione con un amplificatore operazionale, in grado di rilevare alte tensioni e tagliare la potenza in ingresso in una frazione di secondo proteggendo il dispositivo da un picco di alta tensione. Inoltre, ci sarà un test dettagliato del circuito per verificare il nostro progetto e il funzionamento del circuito. Il seguente esame ti dà un'idea del processo di costruzione e test di questo circuito. Se ti piace la progettazione SMPS, puoi consultare i nostri articoli precedenti su Suggerimenti per la progettazione di PCB SMPS e Tecniche di riduzione EMI SMPS.

Che cos'è la protezione da sovratensione e perché è così importante?

Ci sono molti modi in cui un circuito di alimentazione può guastarsi, uno di questi è dovuto alla sovratensione. In un articolo precedente, abbiamo realizzato un circuito di protezione da sovratensione per il circuito CC, puoi verificarlo se ciò aumenta il tuo interesse. La protezione da sovratensione può essere illustrata come una caratteristica in cui l'alimentazione si interrompe quando si verifica una condizione di sovratensione, sebbene una situazione di sovratensione si verifichi meno spesso, quando ciò accade, rende l'alimentatore inutilizzabile. Inoltre, l'impatto di una condizione di sovratensione può avere luogo dall'alimentatore al circuito principale, quando ciò accade, vi ritroverete non solo con un alimentatore rotto ma anche con un circuito interrotto. ecco perché un circuito di protezione da sovratensione diventa importante in qualsiasi progetto elettronico.

Quindi, per progettare un circuito di protezione per situazioni di sovratensione, è necessario chiarire le basi della protezione da sovratensione. Nei nostri precedenti tutorial sui circuiti di protezione, abbiamo progettato molti circuiti di protezione di base che possono essere adattati al tuo circuito, vale a dire, Protezione da sovratensione, Protezione da cortocircuito, Protezione da inversione di polarità, Protezione da sovracorrente, ecc.

In questo articolo, ci concentreremo solo su una cosa, ovvero realizzare un circuito di protezione da sovratensione della rete di ingresso per evitare che venga distrutto.

Come funziona il circuito di protezione da sovratensione di rete 230V?

Per comprendere le basi del circuito di protezione da sovratensioni, smontiamo il circuito per comprendere il principio di funzionamento di base di ogni parte del circuito.

Il cuore di questo circuito è un OP-Amp, che è configurato come un comparatore. Nello schema, abbiamo un amplificatore operazionale LM358 di base e nel suo Pin-6, abbiamo la nostra tensione di riferimento generata da un IC regolatore di tensione LM7812 e sul pin-5, abbiamo la nostra tensione di ingresso che proviene dal principale tensione di alimentazione. In questa situazione, se la tensione di ingresso supera la tensione di riferimento, l'uscita dell'amplificatore operazionale aumenterà e con quel segnale alto, possiamo pilotare un transistor che accende un relè, ma c'è un enorme problema in questo circuito, A causa del rumore nel segnale di ingresso, l'amplificatore operazionale oscillerà molte volte prima di raggiungere una stabilità,

La soluzione è aggiungere l'isteresi dell'azione del trigger di Schmitt all'ingresso. In precedenza abbiamo realizzato circuiti come il contatore di frequenza utilizzando Arduino e il misuratore di capacità utilizzando Arduino, che utilizzano entrambi gli ingressi trigger di Schmitt, se vuoi saperne di più su questi progetti, dai un'occhiata a quelli. Configurando l'amplificatore operazionale con feedback positivo, possiamo ampliare il margine in ingresso in base alle nostre esigenze. Come puoi vedere nell'immagine sopra, abbiamo fornito un feedback con l'aiuto di R18 e R19 in questo modo, abbiamo praticamente aggiunto due tensioni di soglia, una è la tensione di soglia superiore, un'altra è la tensione di soglia inferiore.

Calcolo dei valori dei componenti per la protezione da sovratensione

Se guardiamo lo schema, abbiamo il nostro ingresso di rete, che lo rettifichiamo con l'aiuto di un raddrizzatore a ponte, quindi lo mettiamo attraverso un partitore di tensione realizzato con R9, R11 e R10, quindi lo filtriamo attraverso un Condensatore 22uF 63V.

Dopo aver eseguito il calcolo per il partitore di tensione, otterremo una tensione di uscita di 3,17 V, ora, dobbiamo calcolare le tensioni di soglia superiore e inferiore, diciamo che vogliamo interrompere l'alimentazione quando la tensione di ingresso raggiunge 270 V. Ora, se eseguiamo nuovamente il calcolo del divisore di tensione, otterremo una tensione di uscita di 3,56 V, che è la nostra soglia superiore. La nostra soglia inferiore rimane a 3,17 V poiché abbiamo messo a terra l'amplificatore operazionale.

Ora, con l'aiuto di una semplice formula del partitore di tensione, possiamo facilmente calcolare le tensioni di soglia superiore e inferiore. Prendendo lo schema come riferimento il calcolo è mostrato di seguito, UT = R18 / (R18 + R19) * Vout = 62K / (1.5M + 62K) = 0.47V LT = R18 / (R18 + R19) * -Vout = 62K / (1.5M + 62K) = 0V

Ora, dopo il calcolo, possiamo vedere chiaramente che abbiamo impostato la tensione di soglia superiore a 0,47 V sopra il livello di trigger con l'aiuto del feedback positivo.

Nota: si prega di notare che i nostri valori pratici differiranno leggermente dai nostri valori calcolati a causa delle tolleranze del resistore.

Progettazione PCB del circuito di protezione da sovratensione di rete

Il PCB per il nostro circuito di protezione da sovratensioni di rete è progettato per un singolo sideboard. Ho usato Eagle per progettare il mio PCB, ma puoi usare qualsiasi software di progettazione di tua scelta. L'immagine 2D del disegno della mia tavola è mostrata di seguito.

Viene utilizzato un diametro di traccia sufficiente per far fluire la corrente attraverso il circuito stampato. L'ingresso di rete AC e la sezione di ingresso del trasformatore vengono creati sul lato sinistro e l'uscita viene creata sul lato inferiore per una migliore usabilità. Il file di progettazione completo per Eagle insieme al Gerber può essere scaricato dal collegamento sottostante.

GERBER per circuito di protezione da sovratensione di rete

Ora che il nostro design è pronto, è il momento di saldare la scheda. Al termine del processo di incisione, perforazione e saldatura, la scheda appare come l'immagine mostrata di seguito.

Test di sovratensione e circuito di protezione corrente

Per la dimostrazione, viene utilizzato il seguente apparecchio

Multimetro Meco 108B + TRMS
Multimetro Meco 450B + TRMS
Oscilloscopio Hantek 6022BE
9-0-9 Transformer
Lampadina 40W (carico di prova)

Come puoi vedere dall'immagine sopra, ho preparato questa configurazione di prova per testare questo circuito, ho saldato due fili nel pin5 e pin6 dell'amplificatore operazionale e il multimetro meco 108B + mostra la tensione di ingresso e il multimetro meco 450B + sta mostrando la tensione di riferimento.

In questo circuito, il trasformatore è alimentato dalla rete di alimentazione 230V, e da lì l'alimentazione viene fornita al circuito raddrizzatore come ingresso, anche l'uscita dal trasformatore viene alimentata nella scheda in quanto fornisce alimentazione e tensione di riferimento al circuito.

Come puoi vedere dall'immagine sopra, il circuito è acceso e la tensione di ingresso nel multimetro meco 450B + è inferiore alla tensione di riferimento, il che significa che l'uscita è attiva.

Ora per simulare la situazione se riduciamo la tensione di riferimento, l'uscita si spegnerà, rilevando una condizione di sovratensione, si accenderà anche un led rosso sulla scheda, che potete osservare nell'immagine sotto.

Ulteriori miglioramenti

Per la dimostrazione, il circuito è costruito su un PCB con l'aiuto dello schema, questo circuito può essere facilmente modificato per migliorarne le prestazioni, ad esempio, i resistori che ho usato hanno tutti tolleranze del 5%, l' utilizzo di resistori nominali dell'1% può migliorare l'accuratezza del circuito.

Spero ti sia piaciuto l'articolo e hai imparato qualcosa di utile. Se hai domande, puoi lasciarle nella sezione commenti qui sotto o utilizzare i nostri forum per pubblicare altre domande tecniche.