Was ist Crowbar Circuit? Design und Betrieb

Crowbar-Schaltplan für Überspannungsschutz

Was ist Crowbar Circuit?

Die Crowbar-Schaltung ist im Grunde eine elektrische Schaltung, die verwendet wird, um die Schaltung vor Überspannung zu schützen . Es funktioniert, indem ein Kurzschluss oder ein niederohmiger Pfad über den Spannungsausgang gelegt wird, ähnlich wie ein Brecheisen über die Ausgangsklemmen des Netzteils fallen gelassen wird, daher der Name. Die Crowbar-Schaltung ist eine Art Überspannungsschutzschaltung.

Eine Brechstangenschaltung unterscheidet sich von anderen Sicherheits- oder Verriegelungsschaltungen, zum Beispiel einer Klemme beim Ziehen. Nach dem Auslösen fällt die Spannung unter den Auslösepegel, normalerweise nahe an Masse. Ein Brecheisen kehrt nicht in den normalen Betrieb zurück, wenn der Überspannungszustand entfernt wird.

Basierend auf dem Betrieb wird eine aktive Brechstange als eine Brechstange definiert, die den Kurzschluss beseitigen kann, wenn der Transient entfernt wird, wodurch das Gerät seinen normalen Betrieb wieder aufnimmt. Aktive Brechstangen werden verwendet, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von Transienten hoch und häufig ist, in Schaltkreisen wie dem Rotorkreis von doppelt gespeisten Generatoren gegen hohe Strom- und Spannungstransienten, die durch den Spannungsstoß im Stromnetz auftreten. So kann der Generator den Fehler überbrücken und auch während des Spannungseinbruchs schnell weiterarbeiten.

Die Crowbar-Schaltung hat eine niedrige Haltespannung, die es ermöglicht, einen höheren Fehlerstrom zu führen, ohne dabei viel Leistung zu verlieren. Der geringere Leistungsverlust in der Crowbar-Schaltung macht sie im Vergleich zu anderen Sicherheitsvorrichtungen zu einer bevorzugten Option.

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Erforderliche Komponenten

1. Sicherung
2. Zenerdiode
3. Schottky-Diode
4. Thyristoren
5. Widerstände
6. Kondensatoren

Crowbar-Schaltplan

Der obige Schaltplan ist die Brechstangenschaltung, die einfach und leicht zu implementieren ist. Die Schaltung ist außerdem kostengünstig und eine schnelle Lösung für den Überspannungsschutz. Das komplette Brechstangendiagramm mit den berechneten Werten der verwendeten Komponenten.

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Sicherung

Eine Sicherung ist eine elektrische Sicherheitsvorrichtung, die verwendet wird, um den Stromkreis vor Überstromspitzen zu schützen. Sein wesentlicher Bestandteil ist ein Metalldraht oder -streifen, der in Reihe mit der Schaltung verwendet wird. Wenn der Strom im Stromkreis zu hoch ist, schmilzt der Metallstreifen und unterbricht den Stromkreis. Die Werte der Schwelle des Stroms in einem Stromkreis hängen nur vom Schmelzpunkt des Metallstreifens ab. Es ist ein Opfergerät, das heißt, sobald es in einem Stromkreis betrieben wird, um es zu unterbrechen, muss es je nach Typ entweder ersetzt oder neu verdrahtet werden.

Sicherungen werden seit sehr langer Zeit verwendet und haben sich im Laufe der Zeit so entwickelt, dass sie je nach Anwendung auf der Grundlage sehr spezifischer Strom- und Spannungsnennwerte, Ausschaltkapazitäten und Reaktionszeiten funktionieren.

Es sind auch einige andere Geräte für die gleiche Anwendung erhältlich, sogenannte Leistungsschalter. Alternativ zu den Sicherungen können Sicherungsautomaten verwendet werden, die jedoch deutlich andere Eigenschaften haben. Im Allgemeinen besteht das Element der Sicherung aus Zink, Kupfer, Aluminium oder einer Legierung, um die vorhersagbare und stabile Charakteristik zu erhalten.

Eine allgemeine schematische Darstellung einer Sicherung ist unten angegeben.

Das Symbol der Sicherung kann je nach Darstellung unterschiedlich sein. In der obigen Schaltung gibt es vier Darstellungen, wobei die erste eine IEC-Darstellung ist und die verbleibenden zwei auf einer IEEE-Darstellung basieren.

Sicherungen sind weit verbreitet, weil sie ihre eigenen Vorteile mit sich bringen. Einige davon sind unten aufgeführt:

1. Sicherung ist das billigste verfügbare Gerät zum Schutz eines Stromkreises.
2. Sicherung ist wartungsfrei.
3. Die Bedienung der Sicherung ist einfach und unkompliziert.
4. Die Sicherung hat die Fähigkeit, enorme Kurzschlussströme zu unterbrechen, ohne Geräusche, Flammen, Gas oder Rauch zu erzeugen.
5. Die Betriebszeit einer Sicherung kann viel kürzer sein als die Betriebszeit eines Leistungsschalters.

Natürlich gibt es neben allen Vorteilen auch Nachteile, wenn auch nicht so viele wie die Vorteile. Zwei davon sind unten aufgeführt:

1. Während eines Kurzschlusses oder einer Überlastung dauert es einige Zeit, bis die Sicherung durchgebrannt ist. Während dieser Zeit verliert die Schaltung Strom.
2. Wenn Sicherungen in Reihe geschaltet sind, ist es schwierig, die Sicherung zu unterscheiden, es sei denn, die Sicherung weist einen signifikanten Größenunterschied auf.

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Schottky-Diode

Schottky-Diode ist in diesem Projekt nicht obligatorisch und wird nur zu Schutzzwecken verwendet. Es wird hauptsächlich als Gleichrichter in Hochfrequenz-Niederspannungswechselrichtern, Verpolungsschutzdioden und Freilaufdioden verwendet. Sie wird auch als Oberflächensperrdiode, Heißelektronendiode oder Heißträgerdiode bezeichnet. Es unterscheidet sich ein wenig von normalen PN-Übergangsdioden, bei denen Metalle wie Platin oder Aluminium anstelle von Halbleitern vom P-Typ verwendet werden.

In der Schottky-Diode sind Halbleiter und Metall verbunden und bilden einen Metall-Halbleiter-Übergang, bei dem die Halbleiterseite als Kathode und die Metallseite als Anode fungiert. Wenn sich zwischen Metall und Halbleiter ein Metall-Halbleiter-Übergang bildet, entsteht eine Verarmungsschicht, die auch als Schottky-Barriere bezeichnet wird.

Schottky hat eine geringe gespeicherte Ladung und weist einen geringeren Leistungsverlust und mechanische Eigenschaften mit höherem Wirkungsgrad auf. Es ist so hergestellt, dass alle Außenflächen korrosionsbeständig sind und Anschlüsse leicht lötbar sind, wo Strom nur in eine Richtung fließt und es den Stromfluss in die andere Richtung stoppt. Der Leistungsabfall, der in dieser Diode auftritt, ist geringer als bei PN-Übergangsdioden. Wenn Spannung an die Diodenanschlüsse angelegt wird, beginnt Strom zu fließen, was zu einem kleinen Spannungsabfall an den Anschlüssen führt. Die geringeren Spannungsabfälle führen zu einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Schaltgeschwindigkeit.

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Zenerdiode

Zener-Diode ist eine Art Diode, die Strom in beide Richtungen durchfließen lässt, im Gegensatz zu einer normalen Diode, die Strom nur in eine Richtung fließen lässt, nämlich von der Anode zur Kathode. Dieser Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung tritt nur auf, wenn die Spannung an den Anschlüssen die als Zenerspannung bezeichnete Schwellenspannung überschreitet. Diese Zenerspannung ist eine Eigenschaft des Geräts, die den Zenereffekt regelt, der wiederum die Funktion der Diode regelt.

Zener-Dioden haben einen stark dotierten p-n-Übergang, wodurch das Gerät auch dann ordnungsgemäß funktioniert, wenn eine Sperrspannung anliegt. Viele Zenerdioden verlassen sich jedoch stattdessen auf einen Lawinendurchbruch. Beide Durchbruchtypen treten im Gerät auf, der einzige Unterschied besteht darin, dass der Zener-Effekt bei niedrigeren Spannungen vorherrscht, während der Lawinendurchbruch bei höheren Spannungen auftritt. Sie werden verwendet, um stabilisierte Stromversorgungen mit geringer Leistung zu erzeugen. Sie werden auch verwendet, um Schaltungen vor Überspannung und elektrostatischer Entladung zu schützen.

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Ein schematisches Diagramm einer Zener-Diode, die im Allgemeinen in Schaltungen verwendet wird, ist unten angegeben.

Thyristor

Thyristor ist im Grunde ein vierschichtiges Gerät, er besteht abwechselnd aus zwei P-Typ- und zwei N-Typ-Halbleitern. Der Aufbau eines Thyristors kann als P-N-P-N dargestellt werden. In seiner einfachsten Form hat ein Thyristor drei Anschlüsse:Anode, Kathode und Gate. Das Gate steuert den Stromfluss zwischen Anode und Kathode. Die Hauptfunktion von Thyristoren besteht darin, elektrische Leistung und Strom zu steuern, indem sie als Schalter fungieren.

Er wird hauptsächlich als Gleichrichter verwendet, da er schnell von einem stromleitenden in einen nichtleitenden Zustand wechseln kann. Darüber hinaus ist der Wartungsaufwand gering und der Betrieb unter den richtigen Bedingungen bleibt langfristig störungsfrei funktionsfähig. Thyristoren werden ausgiebig und in einer Vielzahl von elektrischen Schaltungen verwendet, von einfacheren Einbruchsalarmen bis hin zu Hochspannungsleitungen.

Die Funktionsweise eines Thyristors wurde im Laufe der Jahre ausgiebig untersucht, und es sind ziemlich genaue Daten über seine Funktionsweise bekannt. Für den einfachsten Thyristortyp, der vier Schichten (P-N-P-N) und drei Übergänge (PN, NP, PN) hat. Wenn die Anode in Bezug auf die Kathode ein positiver Anschluss ist, sind die Übergänge PN und PN in Durchlassrichtung vorgespannt, während der mittlere NP-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist. Daher blockiert der NP-Übergang den positiven Stromfluss von der Anode zur Kathode. Der Thyristor befindet sich im Vorwärtssperrzustand. Ebenso wird der negative Stromfluss durch die äußeren PN-Übergänge blockiert. Der Thyristor befindet sich in einem rückwärts sperrenden Zustand. Ein weiterer Zustand, in dem ein Thyristor existieren kann, ist der vorwärtsleitende Zustand. In diesem Zustand erhält er ein ausreichendes Signal zum Einschalten und beginnt zu leiten.

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Ein typisches Thyristordiagramm ist in der obigen Abbildung dargestellt.

Funktionsweise der Crowbar-Schaltung

Bringen Sie alle Komponenten der aktuellen Werte wie in der Schaltung angegeben richtig an. Eine Crowbar-Schaltung verfolgt die Eingangsspannung und wirkt nur, wenn sie den Grenzwert überschreitet. Wenn der Grenzwert überschritten wird, verursacht der Stromkreis einen Kurzschluss zwischen den Stromleitungen und die angeschlossene Sicherung aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt schmilzt und unterbricht den Stromkreis. Der Spannungswert, bei dem der Kurzschluss auftritt, hängt von der Zenerspannung ab. Der SCR in der Schaltung ist direkt mit der Eingangsspannung und der Masse der Schaltung verbunden. Dieser SCR wird jedoch ausgeschaltet gehalten, indem der Gate-Anschluss des SCR geerdet wird. Wenn die Zener-Spannung überschritten wird, beginnt die Zener-Diode zu leiten und die Spannung wird an den Gate-Anschluss des SCR angelegt. Die am Gate-Anschluss des SCR anliegende Spannung macht diesen leitend und es entsteht ein Kurzschluss zwischen der Eingangsspannung und Masse. Dieser Kurzschluss zieht den maximal möglichen Strom aus dem Stromkreis und löst die Sicherung aus, die die Stromversorgung von der Last trennt.

Diese Anordnung der Schaltung erspart den Bauteilen und der Schaltung selbst Spannungsüberschreitungen, indem eine Opfersicherung durchgebrannt wird, die sehr einfach ausgetauscht werden kann.