Einfache Überspannungsschutzschaltung mit Zenerdiode

Wie erstelle ich eine Überspannungsschutzschaltung mit einer Zenerdiode?

Die elektrischen Schaltungen und Komponenten, die heutzutage verwendet werden, widmen viel Vorliebe und Zeit, um es so sicher wie möglich zu machen. Moderne Netzteile sind heutzutage sehr zuverlässig, aber es besteht immer die Möglichkeit eines Ausfalls. Eine Stromversorgung kann auf viele Arten ausfallen, aber eine besonders besorgniserregende Möglichkeit ist, dass das Serienreglerelement, d. h. Transistor oder FET, so ausfallen kann, dass es zu einem Kurzschluss wird. Dieses Kurzschließen von Elementen lässt eine sehr hohe Spannung an der mit Strom versorgten Schaltung erscheinen, was zu schrecklichen Schäden an der gesamten Ausrüstung führt. Durch eine Schutzbeschaltung in Form eines Überspannungsschutzes kann die Schädigung des Bauteils und der Schaltung insgesamt minimiert oder ganz eliminiert werden .

Kurzschlussschutz, Verpolungsschutz und Über-/Unterspannungsschutz sind einige der Schutzschaltkreise, die verwendet werden, um jedes elektronische Gerät oder jeden Schaltkreis vor plötzlichen Pannen zu schützen. Im Allgemeinen werden Sicherungen oder MCB für den Überspannungsschutz verwendet, aber in diesem Projekt ist es unser Ziel, eine Schaltung zu schaffen, die eine bessere Leistung als eine Sicherung oder MCB bietet und die Einschränkungen der wichtigsten oben genannten Sicherheitsvorrichtungen überwindet.

Überspannungsschutz ist eine Eigenschaft eines Stromversorgungssystems, das sich irgendwie mit der Spannung über der Lastseite befasst, wenn die Eingangsspannung den voreingestellten Wert überschreitet. In einigen Situationen, in denen die Eingangsspannung höher als erwartet ist, verwenden wir immer einen Überspannungsschutz oder eine Crowbar-Schutzschaltung. Die Crowbar-Schutzschaltung ist eine der am häufigsten verwendeten Überspannungsschutzschaltungen.

Ein Netzteil kann auf viele Arten ausfallen; Ebenso kann es viele Möglichkeiten geben, einen Schaltkreis vor Überspannung zu schützen. Am einfachsten ist es, eine Sicherung auf der Eingangsversorgungsseite anzuschließen. Der Nachteil der Verwendung einer Sicherung besteht jedoch darin, dass es sich um einen einmaligen Schutz handelt, da der Sicherungsdraht durchbrennt, wenn die Spannung den voreingestellten Wert überschreitet, wodurch der Stromkreis geöffnet wird. Dann besteht die einzige Möglichkeit, die Schaltung wieder zum Laufen zu bringen, darin, die Sicherung durch eine neue zu ersetzen und alle Schaltungen, die sich auf die Sicherung beziehen, neu zu erstellen.

Ein Netzteilausfall wird normalerweise so gesehen, wenn das Netzteil nicht mehr funktioniert und keine Ausgabe erfolgt. Es gibt jedoch einige seltene Fehlerfälle, bei denen ein Kurzschluss vorliegt und sehr hohe Spannungen am Ausgang auftreten können. Für einen Linearregler können wir das Beispiel eines sehr einfachen Reglers auf Zenerdiodenbasis nehmen. Wir können eine ausgefeiltere Schaltung machen, um bessere Ergebnisse zu erzielen, diese Schaltungen verwenden die gleiche Idee, Strom durch den Transistor zu leiten.

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Der Hauptunterschied besteht in der Art und Weise, wie die Reglerspannung an die Basis des Transistors angelegt wird. Typischerweise ist die Spannung auf der Eingangsseite so, dass mehrere Volt über dem Längsreglerelement abfallen. Daher ermöglicht dies dem Reihendurchgangstransistor, die Ausgangsspannung geeignet zu regeln. Normalerweise würde ein solcher Transistor in einen Leerlaufzustand fallen, aber unter bestimmten Umständen kann der Transistor einen Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter entwickeln. In diesem Fall würde die volle ungeregelte Eingangsspannung am Ausgang erscheinen.

Wenn die volle Spannung am Ausgang erscheint, könnte dies viele der ICs beschädigen, die sich in der Schaltung befinden und mit Strom versorgt werden. In diesem Fall könnte die Schaltung wirtschaftlich nicht mehr repariert werden können. Die Funktionsweise von Schaltreglern ist sehr unterschiedlich, aber es gibt Situationen, in denen die volle Leistung am Ausgang des Netzteils erscheinen könnte.

Wir können eine Überspannungsschutzschaltung mit einer Zenerdiode bauen und Bipolartransistor in zwei Methoden.

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Zener-Spannungsreglerschaltung :

Diese Schaltung verwendet eine Zenerdiode, um der Lastseite einen geregelten Ausgang zu liefern und so die Schaltung zu schützen. Aber die Verbindungen sind so, dass der Stromfluss zur Lastseite auch dann nicht unterbrochen wird, wenn die Spannung die Sicherheitsgrenzen überschreitet. Der Ausgang erhält immer eine Spannung, die von der Nennleistung der Zenerdiode abhängt.

Überspannungsschutzschaltung mit Zenerdiode:

Diese Methode ist einfacher, bei der die Schaltung so ausgelegt ist, dass sie die Stromversorgung zur Lastseite abschaltet, wenn die Spannung die vorgegebenen Sollwerte überschreitet.

Erforderliche Materialien

• 1N4740A Zenerdiode
• FMMT718 PNP-Transistor
• Widerstände – 1k, 2,2k und 6k
• 2N2222 NPN-Transistor

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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.

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

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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2N2222 NPN-Transistor

2N2222 ist ein weit verbreiteter Bipolar-NPN-Transistor, der hauptsächlich für allgemeine Verstärkungs- oder Schaltanwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet wird. 2N222 ist für einen mäßigen Betrieb bei hoher Geschwindigkeit ausgelegt. Es ist ein sehr verbreiteter Transistor und wird als Beispiel für einen NPN-Transistor verwendet.

Das schematische Diagramm des Transistors ist unten angegeben.

Die Pinbelegung für den 2N2222 NPN-Transistor ist unten angegeben.

2N2222
1	Emitter
2	Basis
3	Kollektor, verbunden mit Gehäuse

Aufgrund der niedrigen Kosten und der geringen Größe ist dies der am häufigsten verwendete Transistor. Eines seiner Hauptmerkmale ist seine Fähigkeit, die hohen Stromwerte im Vergleich zu anderen ähnlichen kleinen Transistoren zu bewältigen. Es besteht entweder aus Silizium- oder Germaniummaterial und ist entweder mit positiv oder negativ geladenem Material dotiert. Während der Durchführung von Verstärkungsanwendungen empfängt er ein analoges Signal über Kollektoren und ein weiteres Signal wird an seine Basis angelegt. Das analoge Signal könnte das Sprachsignal mit einer analogen Frequenz von fast 4 kHz (menschliche Stimme) sein.

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FMMT718 PNP-Transistor

FMMT718 ist ein PNP-Transistor, daher werden Kollektor und Emitter geschlossen (vorgespannt in Vorwärtsrichtung), wenn der Basisstift auf Masse gehalten wird, und geöffnet (in Sperrrichtung vorgespannt), wenn ein Signal vorhanden ist zum Basisstift vorgesehen. Hier unterscheidet sich der PNP-Transistor von einem NPN-Transistor; Ein Logikgatter wird verwendet, um zwischen Massesignalspannungen umzuschalten.

Ein schematisches Diagramm des PNP-Transistors ist unten angegeben.

Die Pinbelegung für einen FMMT718 ist unten in tabellarischer Form angegeben.

FMMT718
1	Sammler	Strom fließt durch den Kollektor
2	Basis	Steuert die Vorspannung des Transistors
3	Emitter	Strom fließt durch den Emitter

  Zener-Spannungsreglerschaltung

Dies ist eine der beiden Konfigurationen von Überspannungsschutzschaltungen mit Zenerdiode. Diese Schaltung schützt nicht nur die lastseitige Schaltung, sondern regelt auch die Eingangsversorgungsspannung, um eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Das Schaltbild für den Überspannungsschutz mit Zener-Spannungsreglerschaltung ist unten angegeben.

Die Schwellenspannung, über der die Schaltung die Versorgung zur Lastseite trennt, wird als voreingestellter Spannungswert der Schaltung bezeichnet. Das Design der Schaltung ist so, dass der voreingestellte Wert der Schaltung die Nennleistung der Zenerdiode ist. Der Schwellenwert, über dem die Schaltung nicht leitet, liegt also bei etwa 5,1 V.

Die Leitung des Transistors Q1 hängt von der Basis-Emitter-Spannung des Transistors ab. Wenn die Ausgangsspannung der Schaltung zu steigen beginnt, erhöht dies die Vbe des Transistors und er leitet weniger. Dies wiederum reduziert die Ausgangsspannung und hält die Ausgangsspannung nahezu konstant.

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Schaltplan des Überspannungsschutzes mit Zenerdiode

Der Schaltplan für die Überspannungsschutzschaltung ist unten angegeben.

Zuerst betrachten wir die Funktionsweise der Schaltung, wenn die Stromversorgung ordnungsgemäß funktioniert. Im ordnungsgemäßen Arbeitszustand ist der Basisanschluss des Transistors Q2 hoch, was bewirkt, dass dieser Transistor abschaltet. Wenn Q2 ausgeschaltet wird, ist der Basisanschluss des Transistors Q1 niedrig und beginnt zu leiten. Auf diese Weise wird die Last mit der Versorgung verbunden, wenn die Versorgungsspannung unter der eingestellten Schwellenspannung liegt.

Wenn nun die Spannungsversorgung höher als der Schwellenwert ist, kommt es zu einem Zenerdurchbruch und die Zenerdiode D2 beginnt zu leiten. Dadurch wird der Basisanschluss von Q2, der zuvor hoch war, auf Masse gelegt. Da nun der Basisanschluss von Q2 mit Masse verbunden ist, beginnt er zu leiten. Die Basis des Transistors Q1, die mit dem Ausgang von Q2 verbunden ist, ist jetzt hoch und hört auf zu leiten. Dadurch wird die Last von der Versorgung isoliert und vor möglichen Schäden geschützt, die durch den Spannungsstoß verursacht werden könnten.

Die Funktion der oben angegebenen Schaltungen hängt auch vom Spannungsabfall jedes Transistors ab. Idealerweise sollte es niedrig sein, damit eine Schaltung ihrem theoretischen Gegenstück entspricht. Um den Spannungsabfall für den Transistor minimal zu halten, haben wir den PNP-Transistor FMMT718 verwendet, der einen sehr niedrigen Kollektor-Emitter-Sättigungswert hat. Dieser niedrige Wert von Vce ermöglicht einen niedrigen Spannungsabfall an den Transistoren.