Elektroniczny
E
l
e
k
t
r
o
n
i
c
z
n
y
Elektroniczny
E
l
e
k
t
r
o
n
i
c
z
n
y
bezpiecznik
b
e
z
p
i
e
c
z
n
i
k
bezpiecznik
b
e
z
p
i
e
c
z
n
i
k
Do czego to służy?
Do czego służy bezpiecznik, wie każdy - ma
on przerwać obwód, jeśli prąd przekroczy
2617
2
6
1
7
2617
2
6
1
7
dopuszczalną wartość. Popularne bezpieczni-
ki topikowe mają swoje zalety, ale też liczne
wady. Większość bezpieczników wcale nie
chroni układu elektronicznego przed uszko-
dzeniem, a jedynie zapobiega zwarciu i poża-
rowi w przypadku, gdy chroniony układ pomiarowego nie ma. Pomiar zrealizowano szyna zasilania jest przerywana. Sposób włą-
elektroniczny ulega awarii. Niekorzystne w niecodzienny sposób. Idea przedstawiona czenia i uproszczony schemat wewnętrzny
właściwości bezpieczników topikowych są jest w uproszczeniu na rysunku 1. Podczas obu wersji jest pokazany na rysunku 2.
przyczyną, że są one rzadko stosowane po normalnej pracy MOSFET jest w pełni Pełny schemat ideowy wersji  ujemnej
stronie wtórnej transformatora sieciowego. otwarty, to znaczy, że na jego bramce napię- jest pokazany na rysunku 3. Stabilizator U1
Są umieszczane jedynie w obwodzie sieci cie, że jest rzędu 8V lub więcej. Otwarty zasila układ sterujący napięciem stabilizowa-
energetycznej, gdzie chronią nie tyle trans- MOSFET przedstawia sobą niewielką rezy- nym o wartości 9V. Kondensatory C1, C2 są
formator i układ, co przewody i inne bez- stancję. Wartość tej rezystancji to oczywiście potrzebne, by wyeliminować jakiekolwiek
pieczniki w obwodach sieci. podawany w katalogach parametr R . ryzyko samowzbudzenia stabilizatora, co
DSon
Wydawałoby się, że po stronie wtórnej Właśnie rezystancja otwartego MO- mogłoby nastąpić w niesprzyjających warun-
transformatora można zastosować układy SFET-a pełni rolę rezystora pomiarowego.
elektroniczne, które będą pełnić funkcje bez- Prąd płynący przez tę rezystancję wywołuje
pieczników. Jednak zaprojektowanie i wyko- niewielki spadek napięcia, rzędu setek lub
nanie dobrego bezpiecznika elektronicznego dziesiątek miliwoltów. Napięcie to jest dopro-
nie jest wcale łatwe, o czym przekonało się wadzone przez rezystor Rb do wejścia
już wielu elektroników. Trzeba bowiem po- wzmacniacza operacyjnego, który tu pełni ro-
godzić różne, częściowo wzajemnie sprzecz- lę komparatora. Komparator porównuje ten
ne, wymagania na przykład: spadek napięcia z niewielkim napięciem z po-
- niewielki spadek napięcia, tencjometru P. Nadmierny prąd spowoduje
- szybkość dostosowaną do potrzeb wystąpienie na rezystancji MOSFET-a spad-
- regulowany próg zadziałania ku napięcia większego niż napięcie z poten-
cjometru, a to spowoduje reakcjÄ™ komparato-
Jak to działa? ra i wyłączenie MOSFET-a. Napięcie na wej- Fot. 1
W bezpiecznikach elektronicznych z reguły ściu odwracajacym komparatora wzrośnie je-
sprawdza się spadek napięcia na rezystorze szcze bardziej i układ się zatrzaśnie. Tranzy- Rys. 2 Wykorzystanie
pomiarowym o niewielkiej wartości. W pre- stor zostanie na trwałe odcięty, a powrót do
zentowanych rozwiązaniach takiego rezystora normalnej pracy może nastąpić dopiero wsku-
tek świadomej ingerencji człowieka.
Rys. 1 Zasada działania Przedstawiona idea została zrealizowana.
Powstał i został starannie przebadany model,
pokazany na fotografii 1. Układ pracował
w różnych warunkach, przy czym zależnie od
warunków i potrzeb był w istotny sposób
modyfikowany. Wyniki pomiarów okazały
się więcej niż obiecujące i okazało się, iż war-
to zaprojektować dwa oddzielne układy:  do-
datni i  ujemny . Ich działanie jest w sumie
jednakowe, a różnica polega na tym, która
Elektronika dla Wszystkich
Luty 2002
52
kach pracy. Dzięki stabilizatorowi U1 układ żeby niezawodnie  ściągnąć do dołu napięcie niezrównoważenia za pomocą potencjometru
bezpiecznika może poprawnie pracować przy na wejściu odwracającym w sytuacji, gdy na PR2 (do czego potrzebny jest dzielnik R7, R8).
napięciu wejściowym 10...35V. przykład obciążenie nie jest podłączone. War- Bardzo ważną rolę odgrywają w układzie
Należy zwrócić uwagę, że do poprawnej tość R9 nie jest krytyczna. Warto zauważyć, kondensator C4 i obwód jego rozładowania
pracy układu konieczne jest napięcie, które że przy podanych na schemacie wartościach z tranzystorem T1. Od stałej czasowej R6C4
w pełni otworzy MOSFET-a. Do pełnego R9, R10, na wejście przekazywane jest prawie zależy szybkość zadziałania bezpiecznika
otwarcia typowego MOSFET-a mocy wyma- całe napięcie z tranzystora T2. Wbrew pozo- w przypadku gwałtownego wzrostu prądu.
gane jest napięcie co najmniej 8V. Właśnie dla- rom, w czasie normalnej pracy dioda LED D1 Czas zadziałania w większości przypadków
tego w układzie zastosowano stabilizator 9- i brzęczyk piezo Y1 nie wpływają na działanie nie powinien być bliski zeru. W proponowa-
woltowy. Tylko tak zwane logiczne MOSFET- układu, bowiem spadek napięcia na tranzysto- nej wersji czas zadziałania wynosi kilkadzie-
y mocy, zwykle mające w oznaczeniu literkę rze T2 podczas pracy nie przekracza 400mV, siąt milisekund lub mniej, zależnie od warto-
L, mające obniżone napięcie progowe, oraz a przy takich napięciach ani dioda LED, ani ści prądu udarowego.
MOSFET-y małej mocy, otworzą się w pełni brzęczyk praktycznie nie przewodzą prądu. Kondensator C4 zapobiega też zadziała-
przy napięciu bramka-z
ródło równym 4,5...5V. Oba te elementy pełnią w układzie ważną niu bezpiecznika przy włączeniu napięcia za-
rolę. Brzęczyk sygnalizuje dz
więkiem fakt silającego oraz po dołączeniu obciążenia -
Rys. 3 Schemat ideowy wersji  ujemnej rozładowany kondensator C4 przez krótki
czas utrzymuje na wejściu odwracającym na-
pięcie niższe, niż na wejściu nieodwracają-
cym, przez co wymusza  stan wysoki na
wyjściu wzmacniacza, a tym samym zapew-
nia niezawodne otwarcie tranzystora T2.
*)
Obwód z tranzystorem T1 i przyciskiem
S1 jest potrzebny, by ręcznie  wyzerować
układ po zadziałaniu bezpiecznika, gdy tran-
zystor T2 zostanie zatkany. Tranzystor T1
szybko rozładuje kondensator C4 i zwierając
*) nóżkę 2 wzmacniacza U2 do masy wymusi
na jego wyjściu stan wysoki, który otworzy
tranzystor. Na pierwszy rzut oka wydaje siÄ™,
że przycisk S1 mógłby być włączony za-
miast tranzystora T1. Należy jednak pamię-
tać, że w tym czasie, gdy przewodzi tranzy-
stor T1, wymuszone jest otwarcie także tran-
zystora T2 nawet wtedy, gdy przez obciąże-
nie płynie nadmiernie duży prąd. Jeśli więc
przycisk S1 byłby włączony zamiast tranzy-
stora T1, bezpiecznik zupełnie nie pełniłby
swojej roli przy ciągłym naciskaniu przyci-
sku. Żeby wyeliminować ryzyko uszkodze-
nia obciążenia, zastosowano obwód z kon-
densatorem C3. Stała czasowa R4C3 okre-
śla, na jak długo zostaną włączone tranzysto-
ry T1 i T2 przy dowolnie długim naciśnięciu
przycisku S1.
Pełny schemat wersji  dodatniej pokaza-
Rys. 4 Schemat ideowy wersji  dodatniej zadziałania bezpiecznika, co pozwoli unik- ny jest na rysunku 4. Jest to niemal identycz-
nąć niepotrzebnego szukania przyczyny bra- ny układ, tylko w pewnym sensie odwrotny,
Oznacza to, że układ będzie pracował pra- ku reakcji zasilanego układu. Dioda LED też co wynika z konieczności zastosowania tu
widłowo przy napięciach zasilania wynoszą- może pełnić funkcje sygnalizatora świetlne- tranzystora MOSFET z kanałem P. Dlatego
cych co najmniej 10V. Jeśli konieczna byłaby go, jednak jej główne zadanie jest inne. Nie- zastosowano stabilizator 79L09 i wzmac-
praca przy napięciu niższym, obwód stabili- zależnie od wartości napięcia zasilającego niacz operacyjny TL081. Z łatwością można
zatora należy zasilać z oddzielnego z
ródła układ, nie dopuszcza do niekontrolowanego zidentyfikować poszczególne obwody, zwła-
napięciem większym niż 10V. wzrostu napięcia na wejściu wzmacniacza szcza że numeracja elementów jest analo-
Kluczową rolę w układzie pełni wzmac- operacyjnego, co pozwala uniknąć trwałego giczna jak w wersji  ujemnej . Różnica pole-
niacz operacyjny U2, który porównuje napię- zatrzaśnięcia lub innych kłopotów, np. z tzw. ga na uproszczonym obwodzie korekcji na-
cia na obu swych wejściach. Napięcie na wej- inwersją. pięcia niezrównoważenia - suwak PR2 jest
ściu nieodwracającym pochodzi z suwaka po- W układzie pracuje wzmacniacz operacyj- dołączony wprost do szyny zasilania i nie ma
tencjometru PR1 i może być regulowane ny TLC271 w trybie high bias, co uzyskuje rezystorów R7, R8. Dodatkowo przewidzia-
w granicach mniej więcej 3,6mV...360mV (co się dołączając nóżkę 8 do ujemnej szyny za- no też możliwość zastąpienia stabilizatora
teoretycznie daje zakres regulacji  prądu za- silania. Właśnie ten tryb pracy jest w tym 79L09  programowaną dioda Zenera , czyli
działania w granicach 0,1A...10A). Napięcie wypadku optymalny, ale nie ze względu na układem TLC431, co wymaga dodatkowych
to jest porównywane z napięciem na rezystan- szerokie pasmo przenoszenia i dużą szybkość rezystorów R11...R13. W wersji podstawo-
cji otwartego MOSFET-a, które jest podawane zmian napięcia wyjściowego (slew rate), tyl- wej wykorzystany będzie stabilizator 79L09,
na wejście odwracające przez sieć rezystorów ko z uwagi na korzystne parametry wejścia a wspominane opcjonalne elementy nie będą
R10, R9, R6. Rezystor R9 jest potrzebny, i możliwość pełnej korekcji napięcia stosowane.
Elektronika dla Wszystkich
Luty 2002
53
*)
Montaż i uruchomienie czowe obwody wykonać grubymi przewoda- można znalez
ć zależność R od temperatu-
DSon
Wersję  ujemną można zmontować na płytce mi o przekroju co najmniej 1,5mm2, a moduł ry. Rysunek 8 pokazuje, że rezystancja ta
pokazanej na rysunku 5. Montaż nie sprawi bezpiecznika włączyć według rysunku 7, wzrasta mniej więcej dwukrotnie przy wzro-
trudności. Układ scalony należy włożyć do a nie tak, jak pokazuje rysunek 2. ście temperatury do górnej dopuszczalnej gra-
podstawki na końcu, po zmontowaniu wszyst- nicy +150oC.
kich elementów. W układzie podstawowym Możliwości zmian
nie trzeba montować rezystorów R7, R8 i po- Jak podano, zakres regulacji prądu zadziała-
tencjometru PR2. Są one potrzebne, jeśli uży- nia bezpiecznika można zmieniać za pomocą
ty egzemplarz wzmacniacza operacyjnego ma PR1 w bardzo szerokich granicach, mniej
znaczne napięcie niezrównoważenia, a układ więcej stukrotnie. Dokładne wartości naj-
ma działać także przy małych prądach. mniejszego i największego prądu zadziałania
Wersję  dodatnią można zmontować na zależą nie tylko od napięcia na suwaku po-
płytce pokazanej na rysunku 6. Elementy tencjometru, ale też od rezystancji otwartego
R11, R12, R13 i U3 nie będą montowane. MOSFET-a. W układach modelowych wyko-
W układzie podstawowym nie trzeba też rzystano MOSFET-y mocy o bardzo małej
montować potencjometru PR2. rezystancji R , przez co zakres regulacji
DSon
Układy zmontowane prawidłowo ze spraw- sięga co najmniej kilku amperów. Kto chciał-
nych elementów będą pracować od razu. Trze- by zbudować bezpiecznik o mniejszych prą- Rys. 8 Charakterystyka cieplna R
DSon
ba tylko za pomocą P1 ustawić pożądany prąd dach nominalnych, powinien po prostu zasto-
zadziałania. W przypadku wersji  ujemnej sować MOSFET-y o większej rezystancji Radiator dla MOSFET-a nie jest potrzeb-
z tranzystorem BUZ11 zakres regulacji powi- R , nawet małe BS170 czy BS107. ny jeśli moc strat przy temperaturze złącza
DSon
nien wynosić mniej więcej 0,1...10A. W wersji Warto pamiętać, że generalnie rezystancja nie wyższej od +150oC nie przekroczy 1W.
 dodatniej z tranzystorem IRF9540 zakres re- w stanie otwarcia tranzystorów MOSFET Przy tranzystorze BUZ11 oznacza to mozli-
gulacji wyniesie mniej więcej 30mA...3A. z kanałem P jest dwukrotnie większa, niż od- wość pracy bez radiatora z prądami rzędu kil-
Wartości te będą różne, zależnie od rezystancji powiadających im tranzystorów z kanałem ku amperów. Aby jednak uniezależnić się od
danego egzemplarza tranzystora i od napięcia N. Przykładowo dla tranzystorów z kanałem omówionych zmian termicznych warto za-
niezrównoważenia egzemplarza wzmacniacza N maksymalna wartość R w temperaturze stosować niewielki radiator.
DSon
operacyjnego. Jeśliby okazało się, że nie moż- pokojowej wynosi: Wartości elementów podane na schemacie
na uzyskać małych prądów zadziałania nawet BUZ10 - 0,07&! i w wykazie okażą się odpowiednie do wielu
w skrajnej pozycji suwaka PR1, należy wluto- BUZ11 - 0,04&! zastosowań. Kto chciałby jednak wykonać
wać elementy do korekcji napięcia niezrówno- BUZ11A - 0,055&! bezpiecznik o innej charakterystyce czaso-
ważenia (potencjometr PR2, R7, R8). IRF540 - 0,052&! wo-prądowej, może śmiało zmieniać warto-
Jeśli bezpiecznik będzie pracował przy IRF530 - 0,16&! ści kondensatorów C4 w szerokim zakresie
dużych prÄ…dach, rzÄ™du amperów, należy klu- BS170 - 5&! od zera do 1µF oraz C3 w zakresie
BS107 - 26&!. 1nF...220nF. Wartość C3 powinna być pro-
Dla tranzystorów porcjonalna do wartości C4 - przy maleńkiej
z kanałem P: wartości C3 i wielokrotnie większej C4 czas
IRF9540 - 0,117&! otwarcia T1 może okazać się za mały do roz-
BUZ271 - 0,15&! ładowania C4. W razie wątpliwości trzeba to
BUZ171 - 0,3&! sprawdzić za pomocą oscyloskopu.
Podane wartości Jeśli ktoś w wersji  dodatniej zechce wy-
dotyczą temperatu- korzystać stabilizator U3 zamiast U1 powi-
ry pokojowej. Przy nien dobrać wartość R11 w zależności od na-
wzroście temperatu- pięcia zasilającego, by prąd płynący przez
ry złącza rezystan- kostkę TLC431 nie spadał poniżej 1mA.
cja zauważalnie ro-
śnie. W katalogach Leszek Potocki
Wykaz elementów
T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IRF9540
T
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
I
R
F
9
5
4
0
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24k&!
R
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2
4
k
&!
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79L09
U
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7
9
L
0
9
R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10&!
R
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
&!
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TL081
U
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
T
L
0
8
1
R3,R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M&!
R
3
,
R
6
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
M
&!
U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TLC431
U
3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
T
L
C
4
3
1
R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k&!
R
4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
0
k
&!
S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mswitch
S
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
m
s
w
i
t
c
h
R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k&!
R
5
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
0
k
&!
Y1 . . . . . . . . . . . . . . . . .piezo z generatorem
Y
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
p
i
e
z
o
z
g
e
n
e
r
a
t
o
r
e
m
R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k&!
R
9
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
k
&!
Wersja  ujemna
R10,R13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k&!
R
1
0
,
R
1
3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
k
&!
R7,R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .nie montować
R
7
,
R
8
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
n
i
e
m
o
n
t
o
w
a
ć
R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*
R
1
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
*
Rys. 5 Schemat montażowy wersji  ujemnej
w układzie podstawowym
w
u
k
Å‚
a
d
z
i
e
p
o
d
s
t
a
w
o
w
y
m
R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2k&!
R
1
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2
,
2
k
&!
Rys. 6 Schemat montażowy wersji  dodatniej
PR2 . . .nie montować w układzie podstawowym
P
R
2
.
.
.
n
i
e
m
o
n
t
o
w
a
ć
w
u
k
Å‚
a
d
z
i
e
p
o
d
s
t
a
w
o
w
y
m
PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . .1k&! miniaturowy
P
R
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
k
&!
m
i
n
i
a
t
u
r
o
w
y
Wersja  dodatnia
PR2 . . . . . . . . . . . . . . . .22k&! miniaturowy
P
R
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2
2
k
&!
m
i
n
i
a
t
u
r
o
w
y
P
R
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
n
i
e
m
o
n
t
o
w
a
ć
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/50V PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .nie montować
C
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
µ
F
/
5
0
V
Rys. 7 Praca przy dużych prądach
C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/16V w ukÅ‚adzie podstawowym
C
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
µ
F
/
1
6
V
w
u
k
Å‚
a
d
z
i
e
p
o
d
s
t
a
w
o
w
y
m
C3,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF R11,R12,R13 . . . . . . . . . . . . .nie montować
C
3
,
C
4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
0
n
F
R
1
1
,
R
1
2
,
R
1
3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
n
i
e
m
o
n
t
o
w
a
ć
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED żółta
D
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
L
E
D
ż
ó
Å‚
t
a
w układzie podstawowym
w
u
k
Å‚
a
d
z
i
e
p
o
d
s
t
a
w
o
w
y
m
T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548
T
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
B
C
5
4
8
U3 . .nie montować w układzie podstawowym
U
3
.
.
n
i
e
m
o
n
t
o
w
a
ć
w
u
k
Å‚
a
d
z
i
e
p
o
d
s
t
a
w
o
w
y
m
W skład zestawu AVT-2617 wchodzą płytki i elementy
dla wersji  ujemnej i  dodatniej .
Elektronika dla Wszystkich
Luty 2002
54