Ограничители тока для защиты электрических и электронных сетей от разрушительного воздействия напряжения

Что такое ограничитель мощности тока?

Если отвечать на этот вопрос с точки зрения функций, то это устройство является своеобразным фильтром поступающего в дом напряжения.

По конструктивным особенностям ограничитель тока представляет собой несколько модифицированный выключатель максимального тока, поэтому такой способ контроля и управления электропитанием очень надежен, точен и имеет высокий уровень безопасности.

Самый простой тип ограничителя тока — это просто выключатель максимального тока. С помощью этого устройства можно запрограммировать определенную величину тока, выше которой выключатель просто отключит электрическую цепь, но при этом останется подключенным к ней.

Большинство современных ограничителей мощности немного сложнее, так как они также имеют систему повторного включения цепи через определенное время. Реализация такого решения не требует слишком сложной конструкции ограничителя, но делает устройство более универсальным и полезным.

При рассмотрении вопроса о приобретении ограничителя мощности следует иметь в виду, что этот тип аппаратуры управления и защиты не следует применять для цепей, содержащих устройства, требующие значительного пускового тока, в том числе люминесцентные лампы,

Отличаются ли трехфазные ограничители мощности от однофазных ограничителей мощности? С точки зрения принципа действия нет, но значения срабатывания и внешнее оформление могут меняться в зависимости от характеристик тока и большей мощности подключаемых к источнику питания устройств.

Типы ограничивающих устройств

Выбор средств защиты зависит от нескольких факторов. Устройства бывают пассивными и активными, могут использоваться по отдельности или в комбинации. Обычно ограничитель подключают последовательно с нагрузкой.

Типы ограничивающих устройств:

• Предохранители и резисторы. Они используются для простого ограничения тока. Предохранитель обычно перегорает, если переменный/постоянный ток превышает его номинальный размер. Резисторы встроены в схему.

Правильное значение сопротивления также можно рассчитать, используя закон Ома I = V / R (где I — ток, V — напряжение, а R — сопротивление). На рынке электротехники имеется большое количество различных предохранителей, которые могут покрыть любую потребность в потере мощности.

• Автоматические переключатели. Они используются для отключения питания, как предохранитель, но их срабатывание медленнее и может не сработать для особо чувствительных цепей дорогостоящего оборудования.
• Термисторы. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) используются для ограничения начальных импульсных токов, протекающих при подключении устройства к сети. Термисторы обладают значительной морозостойкостью и низким сопротивлением при значительных температурах. NTC мгновенно ограничивает пусковой ток.
• Транзисторы и диоды. В регулируемых источниках питания используются схемы ограничения, такие как интегральные схемы, транзисторы и диоды. Активные цепи подходят для чувствительных сетей и работают за счет снижения нагрузки или отключения тока, при повреждении короткого замыкания или во всей сети.
• Диоды ограничения тока используются для ограничения или регулирования напряжения в широком диапазоне. Двухполюсное устройство OT состоит из одного порта, закороченного на источник. Он поддерживает постоянный ток независимо от изменения напряжения.

Принцип действия ограничителя

Основной принцип схем ограничения тока заключается в том, чтобы погасить избыточный ток на таком элементе, который может преобразовывать энергию в другую форму, например, в тепло. Это хорошо видно в работе ограничителя тока, где в качестве шунтирующего элемента используется терморезистор или тиристор.

Еще один метод защиты, который также часто используется, — это отключение нагрузки от линии, где произошел скачок напряжения. Эти типы выключателей могут быть автоматическими, с возможностью самовозврата после исчезновения угрозы или требовать замены элемента реактивной защиты, как в случае с предохранителем.

Наиболее совершенными считаются электронные схемы ограничителей, работающих по принципу закрытия канала прохождения электричества при его увеличении. При этом используются специальные проходные элементы (например, транзисторы), которые контролируются датчиками.

Современные комбинированные системы сочетают в себе функцию ограничителей тока при определенных перегрузках и вариант защиты с отключением нагрузки при токах короткого замыкания. Обычно такие системы работают в сетях высокого напряжения.

Особенности разных токоограничителей

Каждый вид удерживающих устройств предназначен для решения конкретных задач и имеет определенные характеристики:

• предохранитель — имеет скорость, но нуждается в замене;
• реакторы — эффективно противостоят токам КЗ, но имеют на них значительные потери и перепады напряжения;
• электронные схемы и быстродействующие выключатели — имеют малые потери, но плохо защищают от импульсных токов;
• электромагнитные реле – состоят из подвижных контактов, которые со временем изнашиваются.

Поэтому, выбирая, какую схему использовать в своем доме, необходимо изучить весь комплекс факторов, характерных для конкретной электрической цепи.

Математический расчет

Таблица зависимости напряжения светодиода от цвета

В простейшей схеме токоограничивающий резистор (R) и светодиод подключены последовательно к источнику постоянного тока (I) с определенным напряжением (Ui) на выходных зажимах. Рассчитать электрическое сопротивление можно по известной формуле закона Ома (I = U/R).

Пригодится и второй постулат Кирхгофа. В данном примере он определяет следующее равенство: Ui = Ur + Uc, где Ur(Uc) — напряжение на резисторе (светодиоде) соответственно. Простым преобразованием этих выражений можно получить основные зависимости:

• Ui = I*R + I*Rc;
• R = (Ui — Uc) / I.

Здесь Rc обозначает дифференциальное сопротивление полупроводникового прибора, которое нелинейно зависит от напряжения и тока. На противоположной части ВАХ можно выделить блокирующий участок.

Значительное увеличение Rc в этой области препятствует движению электронов (Irev = 0). Но при последующем увеличении напряжения на определенном уровне (Uобр-м) происходит пробой p-n перехода.

Поскольку драйвер обеспечивает постоянный ток, особое внимание следует уделить правильному «прямому» подключению. Особенности ВАК:

• на первом участке, вплоть до Un, постепенно уменьшается сопротивление и соответственно увеличивается ток;
• от Un до Um — рабочая зона (излучение в светлой зоне);
• далее — резкое снижение сопротивления провоцирует экспоненциальный рост силы тока с последующим выходом изделия из строя.

Расчет светодиодов осуществляется исходя из значения рабочего напряжения Uc. Производители указывают этот параметр в сопроводительной документации. Для расчета электрического сопротивления подходящего токоограничивающего резистора используют формулу: R = (Ui — Uc) / I.

Графический расчет

Вольт-амперная характеристика светодиода

Если вы берете CVC, вы можете использовать графическую технику. Первая графическая и цифровая информация берется из паспорта, либо на официальном сайте производителя. Алгоритм действий (пример):

• по первым данным номинальный ток светодиода (In) 25 мА;
• из соответствующей точки (1) на оси вертикальной ординаты проводят штриховую линию до точки пересечения с кривой ВАХ (2);
• отметьте напряжение источника тока (Ui = 5,5 В) по оси абсцисс (3);
• провести линию через точки (2) и (3);
• пересечение с осью Y покажет значение максимально допустимого тока (Im = 60 мА).

Кроме того, по классической формуле нетрудно рассчитать, какое сопротивление необходимо для светодиода в данном случае: R = Ui / Im = 5,5/0,06 ≈ 91,7. В серийном ряду надо выбирать ближайший номинал с небольшим запасом — 100 Ом.

Это решение несколько снизит эффективность. Зато в щадящем режиме функциональные компоненты будут меньше нагреваться. Соответственно уменьшатся нагрузки на полупроводниковое соединение. Ожидайте увеличения срока службы источника света.

Чтобы правильно подобрать резистор, нужно знать мощность (P). Значения по умолчанию (Вт): 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5. Расчеты можно произвести по всем известным параметрам по формулам: P = Im2 * R = Ur2 / R.

Если взять исходные данные соответствующего примера: P = 0,06 * 0,06 * 100 = 0,36 Вт. При выборе модели необходимо подобрать резистор сопротивлением 100 Ом с мощностью рассеивания 0,5 Вт.

Допуски на точность электрического сопротивления резисторов составляют от 0,001 до 30 % от номинального значения. В маркировке по международным стандартам соответствующие классы указываются латинскими буквами (D — 0,5%; G — 2%; J — 5%).

Подключение светодиода через резистор

Схема подключения светодиодов

На основании представленных данных можно сделать несколько важных промежуточных выводов:

• схемы резистивной защиты используются при малой мощности;
• они не выполняют стабилизирующих функций;
• пассивный элемент не способен гасить импульсные скачки напряжения.

Приемлемые показатели эффективности могут быть достигнуты за счет создания:

• датчики;
• индикаторы;
• сигнальное оборудование.

Для небольшого локального освещения аквариума подходит такое решение. Однако длительное потребление большого количества энергии вряд ли будет приемлемым. Отсутствие стабилизации проявляется заметным изменением яркости при повышении/понижении напряжения.

Специалисты рекомендуют использовать блоки питания с надежной стабилизацией тока с суммарной потребляемой мощностью более 1,5-2 Вт. Эти устройства (диммеры) применяют для соединения групп осветительных приборов и мощных полупроводниковых приборов.

Расчет резистора для светодиода

Программа расчета сопротивления светодиодов

Сделать необходимые расчеты онлайн можно с помощью специализированного калькулятора. Полное использование таких программ предлагается бесплатно.

Однако доступ в Интернет есть не всегда. Изучив достаточно простую методику, любой желающий сможет быстро подобрать резистор для светодиода без поиска нужного софта.

Для наглядной демонстрации алгоритма рассмотрим подключение защитного резистора к цепи питания (5 В) конкретного светодиода (Epistar 1W HP).

Технические характеристики:

• мощность рассеяния, Вт — 1;
• ток, мА — 350;
• прямое напряжение (типовое/макс.), В — 2,35/2,6.

Для ограничения тока светодиода с учетом рекомендаций производителя подойдет резистор с электрическим сопротивлением R=(5-2,35)/0,35=7,57 Ом. По стандарту Е24 наиболее близкими значениями являются 7,5 и 8,2 Ом. Если вы используете правила по умолчанию, вам нужно выбрать большее значение, которое отклоняется от расчетного почти на 8,5%.

Дополнительная ошибка будет создана с допуском 5% для недорогих продуктов. При таком отклонении трудно добиться приемлемых характеристик схемы по функциям защиты и потребляемой мощности.

Первый способ решить проблему — выбрать больше противников с более низкими оценками. Затем применяют последовательный, параллельный или комбинированный вариант соединения для получения необходимого эквивалентного сопротивления участка цепи. Второй способ заключается в добавлении подстроечного резистора.

Как правильно найти и посчитать формулой сопротивление цепи

Сначала нужно разобраться с понятиями и формулами. Индуктивный тип считается следующим: XL= ωL, где L — индуктивность цепи, а ω — круговая частота переменного тока, равная 2πf (f — частота переменного тока). Чем выше частота сети, тем больше R для нее будет любого дросселя.

Емкостный тип можно рассчитать по формуле: Xc = 1/ωC, где C — емкость радиоэлемента. Здесь все наоборот. При увеличении частоты сопротивление конденсатора напряжению уменьшается. Отсюда следует, что для сети постоянного тока емкостью является бесконечно большое R.Вы также можете рассчитать характеристику, используя другие величины

Но не только тип сопротивления и обеспечивающие его радиоэлементы влияют на общую стоимость схемы. Особую роль играет и способ соединения элементов в электрическую цепь. Есть два варианта:

• Последовательный;
• Параллельно.

В последовательном подключении

Это самый простой тип для практической и теоретической оценки. В нем резистивные элементы соединены, очевидно, последовательно, образуя своеобразную «трубку», после которой замыкается электрическая цепь.

Вычислить общее значение в этом случае достаточно просто: нужно последовательно сложить все значения, выдаваемые каждым из резисторов. Например, если подключить 5 резисторов по 5 Ом, то общий параметр будет 5 х 5 — 25 Ом.

Читайте также: Классификации несчастных случаев на производстве

В параллельном подключении

В параллельных сетях все немного сложнее. Если при последовательном методе ток должен проходить через все резисторы, он вправе выбрать любой. На самом деле, он будет просто разделен между ними.

Дело в том, что есть характеристика, одинаковая для всех радиоэлементов, например значение 5 Ом означает, что для нахождения общего R необходимо разделить его на количество подключенных резисторов: 5/5 = 1 Ом.

Важно! В связи с тем, что напряжения на параллельных участках одинаковы, а токи складываются, т.е сумма токов на участках равна неразветвленному току, Rобщ будет рассчитываться по формуле: 1/ R = 1 /R1 + 1 /R2 +… + 1/Rn.

Как выбрать ограничитель мощности для своего дома?

При выборе этого устройства следует учитывать несколько критериев:

Регулировка порога отключения

Большинство современных ограничителей мощности управляются одним потенциометром. Благодаря ему можно установить значение потребляемой мощности, при котором блок питания должен отключаться.

Это выгодное решение, поскольку оно позволяет гибко настраивать ограничитель без его демонтажа, даже если защищаемая цепь расширяется или модернизируется. Диапазон регулировки может быть уже или шире — один из самых широких на рынке — от 200 Вт до 2 кВт.

Регулировка времени перезапуска

Большинство моделей токоограничителей являются лишь защитными устройствами и не предусматривают возможность перезапуска цепи после отключения.

Чуть более сложные модели имеют постоянное время, а самые современные и практичные ограничители мощности могут быть установлены, как и при регулировании мощности, чтобы цепь автоматически включалась через определенное время.

Это время можно, например, задать в диапазоне от 4 секунд до 3 минут. Однако это решение будет проблематичным, если ток потребления схемы не будет снижен — повторное включение ограничителя через короткие промежутки времени может снизить его долговечность.

Задержка отключения

Это стандартная функция почти всех типов ограничителей мощности за некоторыми исключениями. Дело в том, что подавляющее большинство ресиверов для ввода в эксплуатацию требуют более высокого энергопотребления. Поэтому, если порог превышен хотя бы на 1-5 секунд, а потом резко падает энергопотребление дома, ограничитель просто не сработает.

Хотя такой небольшой диапазон временных разностей кажется незначительным, существуют схемы, где задержка должна быть как можно меньше (особенно если она чувствительна не только к перенапряжению приемника).

Текущее значение энергопотребления

Важность этого параметра очевидна. В дополнение к мощности, управляющей ограничителем, вы также должны выбрать значение тока, приемлемое для данной схемы. Самые популярные варианты в этом плане – ограничители тока на 16А, 20А, 25А или 32А.

Марка производителя

Это важный критерий при выборе ограничителя тока, ведь чем качественнее комплектующие устройства, тем выше его надежность, а значит, защищена электропроводка вашего дома.

Как защитный элемент ограничитель должен быть изготовлен очень точно и из материалов строго определенного качества.

Так как в изделии, которое вы видите впервые в жизни, это сложно оценить, рекомендуем вам принять во внимание ограничители мощности от OM, Etimat, Hager, Legrand или Eaton — это оборудование, используемое в самых сложных силовых установках, так что вы можете быть уверены, что он защитит провода вашего дома.

Ограничитель тока нагрузки в электросетях

Системы распределения электроэнергии имеют автоматические выключатели для отключения питания в случае неисправности. Они имеют определенные недостатки в обеспечении требуемой надежности, так как не всегда могут отключить на ремонт наименьший необходимый аварийный участок сети.

Проблема возникает, когда источник питания реконструируется путем добавления новых силовых или перекрестных соединений, которые должны иметь шины и автоматические выключатели, модернизированные для более высоких пределов тока короткого замыкания (SCC).

Повышение качества электроэнергии в сетях напрямую зависит от надежности режима работы сетевого оборудования.

Среди различного рода помех, влияющих на качество напряжения в сети (броски, гармонические искажения и т д.), наиболее серьезным препятствием является падение напряжения, так как связанные с ним скачки фазового угла могут привести к поломке оборудования, полному выходу из строя оборудования остановка производства, ЖКХ и коммунального хозяйства, так как со скоростью цепной реакции создаст угрозу жизнедеятельности населения.

Распространенной причиной падения напряжения является ток короткого замыкания. При возникновении неисправности в распределительной сети напряжение резко падает на всех поврежденных палубах. Уровень зависит от точки подключения и электрического расстояния автобуса от места аварии.

Для снижения негативных процессов и отключения дефектных участков сети используются следующие ограничители:

• Распределительный статический компенсатор;
• рекуператор динамического напряжения;
• конденсатор с управляемым тиристором;
• статическое переключение полупроводников;
• выход из строя твердотельного ограничителя тока.

Такие защитные устройства не всегда идеальны. Некоторые из них имеют недостаток высокой стоимости, а другие могут ограничивать ток короткого замыкания менее чем в 5 раз по сравнению с нормальным током, что недостаточно для перегрузки.

Точки использования ограничителей тока в электросиловом оборудовании:

• До места срабатывания главного выключателя на аварийном фидере потребителей при недопустимости перебоев в электроснабжении;
• на оборудовании, показатели которого перестают соответствовать предельному току короткого замыкания, увеличившемуся из-за аварийной ситуации в системах электроснабжения.

Простое решение OT в сетевом оборудовании — добавить сопротивление в цепь. Это ограничивает скорость, с которой SCT может увеличиваться до размыкания выключателя, но также ограничивает способность цепи удовлетворять быстро меняющиеся потребности клиентов, поэтому добавление или удаление больших нагрузок вызывает нестабильный ток.

Применение токозащиты в электронных схемах

Пусковой ток возникает в момент подачи напряжения переключателем. Это связано с тем, что разница между эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора и сопротивлением линии составляет всего несколько миллидолов и приводит к большому пусковому току. Четыре фактора, которые могут повлиять на этот процесс:

1. Входное значение переменного тока.
2. Минимальное сопротивление, необходимое для термистора NTC (при t = 0).
3. Постоянный ДК.
4. Температура окружающей среды.

Ограничитель тока — это устройство или группа устройств, используемых для защиты элементов цепи от пусковых нагрузок. Термисторы и резисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) — это два простых варианта защиты.

Их самыми большими недостатками являются длительное время охлаждения и большие потери мощности. Диод ограничения тока регулирует или ограничивает ток в широком диапазоне. Они состоят из JFET с одним затвором, замкнутым на исток, и действуют как двухполюсный ограничитель тока.

Они позволяют току, проходящему через них, повышаться до определенного значения и сравниваются с заданным значением. В отличие от диодов Зенера, они сохраняют постоянный ток, а не напряжение. Токоограничивающие диоды сохраняют ток, протекающий через них, неизменным при любом изменении нагрузки.

Типы токоограничивающих диодов

Существует множество различных типов токоограничивающих диодов, классифицируемых по:

• номинальный ток регулятора;
• максимальное предельное напряжение;
• рабочее напряжение;
• потребляемая мощность.

Наиболее часто используемые максимальные напряжения составляют 1,7 В, 2,8 В, 3,1 В, 3,5 В и 3,7 В и 4,5 В·мА при обычном токе регулятора 10 мА .

Схема ограничения постоянного тока

Большинство источников питания имеют отдельные контуры управления постоянным током и напряжением для регулирования выходных сигналов либо в режиме постоянного напряжения (CV), либо в режиме постоянного тока (CC), который включается в управление в зависимости от того, насколько сопротивление нагрузки соответствует настройкам выходного напряжения и тока.

Таким образом, защита в основном осуществляется за счет ограничения значения тока. В этом случае можно использовать простую схему ограничителя источника с использованием двух диодов и резистора.

В любом блоке питания всегда есть риск короткого замыкания на выходе. Следовательно, в этих условиях необходимо защитить его от повреждений. Существует ряд схем, которые можно использовать для защиты блока питания.

Одна из самых простых схем включает всего два диода и добавочный резистор. В схеме используется шумомерный резистор, включенный последовательно с выходным транзистором. Два диода, помещенные между выходом схемы и базой транзистора, обеспечивают защиту. Когда схема работает в нормальном рабочем диапазоне, на резисторе присутствует небольшое напряжение.

Это напряжение плюс транзистор, излучающий базу, намного меньше, чем падение напряжения на диодном переходе, необходимое для включения двух диодов. Однако при увеличении постоянного тока напряжение на резисторе увеличивается. Когда они равны напряжению, необходимому для работы, они включаются, напряжение на транзисторе падает, ограничивая тем самым ток.

Схема этого диодного ограничителя тока для блока питания проста. Значение последовательного резистора можно рассчитать так, чтобы напряжение на нем возрастало до 0,6 вольт (напряжение включения для кремниевого диода) при достижении максимального тока. Однако всегда лучше обеспечить некоторый запас защиты и лучше ограничить его до необходимого уровня.

Ограничитель с обратной связью

Та же самая простая диодная форма ограничения тока может быть включена в силовые цепи, которые используют обратную связь для определения фактического выходного напряжения и обеспечивают более точную регулировку выходного сигнала.

Если точка измерения выходного напряжения берется после сопротивления последовательного тока, падение напряжения на выходе можно скорректировать.

Эта схема обеспечивает гораздо лучшую стабилизацию, чем стабилизатор с прямым эмиттером, а также может учитывать падение напряжения на токоограничивающем резисторе, если падение напряжения на транзисторе в цепи питания достаточно.

Выходное напряжение также можно отрегулировать до нужного значения с помощью переменного резистора. Диодная форма ограничения тока может быть легко интегрирована в схему. Кроме того, это дешево и практично.

Области применения токоограничивающих диодов

Токоограничивающие диоды обеспечивают высокую производительность и простоту использования по сравнению с биполярными транзисторами в системах защиты. Они универсальны и имеют отличные характеристики с точки зрения работы в динамическом температурном режиме. Устройства, использующие диоды:

• схемы генератора сигналов;
• схемы синхронизации;
• блок зарядки;
• светодиодное управление;
• замена удерживающих катушек в узлах телефонной связи.

Диоды ограничения тока доступны от многих производителей полупроводников, таких как Calogic, Central Semiconductor, Diodes Inc., ON Semiconductor или Zetex. На рынке электроники представлено очень большое разнообразие диодов, используемых диодных схем или других устройств, для которых может потребоваться ограничение тока.