Elektronischer Leitungsschutzschalter: Design, Schaltplan und Funktionsweise erklärt

Elektronischer Leitungsschutzschalter – Schaltbild, Funktionsweise und Anwendungen

AC-Geräte, die wir in unseren Haushalten verwenden, haben generell eine Grenze für die handhabbaren Strom- und Spannungswerte. Diese Schwellenwerte für Spannung und Strom werden als Geräteeinschätzung bezeichnet und sind die Messwerte, die der Hersteller für den Bereich angibt, in dem das Gerät ordnungsgemäß funktioniert. Nicht nur die Nennspannung und der Nennstrom sind für die optimalen Betriebsbedingungen erforderlich, sie sind auch die Werte, oberhalb derer das Gerät beschädigt werden kann. Ein defektes Gerät kann manchmal auch andere Geräte beschädigen, die mit demselben Netzwerk verbunden sind.

Diese Probleme treten aufgrund von Schwankungen in der Spannung auf, die wir aus unserem Stromnetz beziehen, und sind im Allgemeinen unvermeidbar. Diese Spannungsspitzen sind verantwortlich für die Beschädigung vieler elektronischer Geräte – von kleinen Haushaltsgeräten bis hin zu großen Hochleistungs-Industriemaschinen. Dieser Artikel befasst sich mit dem Bau eines elektronischen Leitungsschutzschalters, der seine Schaltung so nutzt, dass er unsere Geräte vor plötzlichen Spannungsspitzen schützt und die Last vom Netz trennt.

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Schaltbild des elektronischen Leitungsschutzschalters

Ein schematisches Diagramm der Schaltung ist unten dargestellt:

Benötigte Bauteile für elektronischen Leitungsschutzschalter

1. LM358 Op-Amp
2. 7805 Regler = +5V
3. Relais = 5V
4. BC547 ICs = 2 Stück
5. Netztransformator = 12V
6. Variables Potentiometer = 10kΩ
7. Diodenbrücke
8. Widerstände = 1kΩ, 2kΩ, 2,2kΩ, 5,1kΩ & 10kΩ
9. Kondensatoren = 0,1μF, 10μF & 100μF

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LM358

Der LM358 IC ist ein Operationsverstärker-IC. Es handelt sich um einen niedrigleistungsfähigen Dual-Channel-Op-Amp. Er verfügt über zwei intern frequenzkompensierte, unabhängige, hochverstärkende Op-Amps. Er ist so ausgelegt, dass er mit einer einzelnen Stromversorgung arbeitet und über einen weiten Spannungsbereich betrieben werden kann. Es gibt viele Anwendungen für diesen IC, darunter DC-Verstärkungsblock, Wandlerverstärker und konventionelle Op-Amp-Schaltungen. Dieser IC hat ein 8-Pin-Gehäuse.

Das Pinout ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

Die interne Struktur des IC ist in der obigen Abbildung gezeigt. Wie besprochen, hat der IC zwei unabhängige Op-Amps. Die Anschlüsse 1 und 7 sind die Ausgänge der Op-Amps. Die Anschlüsse 3 und 5 sind die nicht-invertierenden Eingänge, während die Anschlüsse 2 und 6 die invertierenden Eingänge sind. Es sind die üblicherweise vorhandenen Masse- und VCC-Anschlüsse an 4 und 8 vorhanden.

Dieser IC hat neben seiner Wirtschaftlichkeit und leichten Verfügbarkeit noch einige weitere vorteilhafte Eigenschaften, die mehr auf der elektronischen Seite liegen. Einige der Merkmale sind unten aufgelistet.

1. Sein Hauptverkaufsargument: Die zwei Op-Amps sind intern frequenzkompensiert
2. Der Bereich der Einfachversorgung beträgt 3–32 V.
3. Der Bereich der Doppelversorgung beträgt -16 bis -1,5 V oder 1,5 V bis 16 V.
4. Spannungsverstärkung 100 dB und Bandbreite 1 MHz.
5. Stromaufnahme des IC ist sehr gering, im Allgemeinen im Bereich von 500 µA.
6. Es gibt einen kleinen Offset-Spannung am Eingang, der allgemein etwa 2 mV beträgt.
7. Der Common-Mode-Spannungsbereich enthält das Massepotenzial.
8. Die differentielle Eingangsspannung und die Versorgungsspannung, die dem IC zugeführt werden, sind vergleichbar.

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7805 Regler IC

Schaltungen, die Spannungsquellen enthalten, können Schwankungen aufweisen, die nicht zu einer festen Ausgangsspannung führen. Einer der populären ICs für diesen Zweck ist der 7805 Regler IC, ein Mitglied der festen linearen Spannungsregler, der solche Schwankungen ausgleicht. Es gibt viele Anwendungen, in denen der 7805 verwendet wird, die wichtigsten sind:

1. Festspannungsregler
2. Positiver Regler in negativer Umgebung
3. Einstellbarer Ausgangsregler
4. Stromregler
5. Einstellbarer DC-Spannungsregler
6. Geregelter Dual-Supply
7. Ausgangspolaritäts-Umkehrschutzschaltung
8. Rückwärtssperr-Schutzschaltung

Pin Nr.	Pin Name	Funktion
1	Eingang	Unregulierte Eingangsspannung anlegen für geregelten Ausgang
2	Masse	Mit Masse verbunden
3	Ausgang	Ausgang ist ein geregelter Spannungssignal

Der IC erreicht seine maximale Effizienz, wenn eine Eingangsspannung von 7,2 V angelegt wird.

Im IC 7805 Spannungsregler wird viel Energie in Form von Wärme abgegeben. Die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wird als Wärme freigesetzt. Je größer der Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, desto mehr Wärme entsteht. Die Öffnung im Transistor dient zum Anschluss eines Kühlkörpers. Daher bietet dieser IC auch eine Möglichkeit für einen Kühlkörper.

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BC547 Transistor

BC547 ist ein NPN-Bipolartransistor. Er wird hauptsächlich für Schaltzwecke sowie für Verstärkungsprozesse verwendet. Der kleinere Strom an der Basis wird verwendet, um den größeren Strom an Kollektor und Emitter zu steuern. Seine grundlegenden Anwendungen sind Schalten und Verstärken. Unten ist das Pinout des BC547 Transistors:

Die Funktionsweise des Transistors ist einfach. Wenn an seinen Anschlüssen eine Eingangsspannung angelegt wird, beginnt ein gewisser Strom von der Basis zum Emitter zu fließen und steuert den Strom am Kollektor. Die Spannung zwischen Basis und Emitter ist am Emitter negativ und am Basisanschluss positiv für seine NPN-Konstruktion.

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Relais

Ein Relais ist ein elektrisch, elektromagnetisch oder elektronisch betätigter Schalter. Der Schalter kann beliebig viele Kontakte in verschiedenen Kontaktformen haben, wie Schließer, Öffner oder Kombinationen davon. Relais werden verwendet, um einen Stromkreis durch ein unabhängiges Niederspannungssignal zu steuern, oder wo mehrere Stromkreise durch ein Signal gesteuert werden müssen. Die traditionelle Form von Relais verwendet einen Elektromagneten, um Kontakte zu schließen oder zu öffnen, aber andere Betriebsprinzipien wurden erfunden, wie beim Halbleiterrelais, das Halbleitereigenschaften zur Steuerung ohne bewegliche Teile nutzt. Das Pinout eines 5V-Relais, das in der Schaltung verwendet wird, ist unten dargestellt.

Pin Nr.	Pin Name	Beschreibung
1	Spulenende 1	Wird zum Auslösen des Relais verwendet
2	Spulenende 2	Wird zum Auslösen des Relais verwendet
3	Common (COM)	Mit einem Ende der Last verbunden
4	Normalerweise geschlossen (NC)	Wenn das andere Ende hier angeschlossen ist, bleibt die Last vor dem Auslösen verbunden
5	Normalerweise offen (NO)	Wenn das andere Ende hier angeschlossen ist, bleibt die Last vor dem Auslösen getrennt

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Funktionsweise des elektronischen Leitungsschutzschalters

Verbinden Sie die Komponenten korrekt gemäß dem obigen Schaltplan. Der oben gezeigte Schaltplan besteht aus drei Teilen. Diese drei Teile müssen zu einem einzigen großen Schaltkreis verbunden werden. Die drei Teile sind:

• Leistungsmodul
• Op-Amp-Modul
• Relais-Modul

Die drei Module der Schaltung werden im folgenden Abschnitt kurz besprochen.

Leistungsmodul

Der Op-Amp in dieser Schaltung ist der Controller für den Leitungsschutzschalter unseres Projekts. Dieser Op-Amp benötigt eine geregelte 5V-Stromversorgung. Wir betreiben diese Schaltung aus unserem Netz, das eine AC-Spannung von etwa 220V hat. Zunächst müssen wir die für uns verfügbare Netzspannung heruntertransformieren, um den Op-Amp zu versorgen.

Dafür verwenden wir einen Netztransformator, in unserem Fall einen, der uns eine heruntertransformierte Spannung von 12V liefert. Diese 12V AC-Spannung, die vom Transformator gewonnen wird, wird dann mit einer aus einer Diodenbrücke bestehenden Gleichrichterschaltung gleichrichtet. Dies wandelt die AC-Spannung in DC-Spannung um.

Der Ausgang dieser Gleichrichtung gibt uns nun etwa 12V DC-Spannung. Diese 12V DC wird dann mit unserem LM7805 Spannungsregler-IC geregelt. Wir die Ausgangsspannung des Leistungsmoduls mithilfe eines Spannungsteilers mit einem variablen Widerstand und einem Festwiderstand zwischen 0 und 5V einstellen. Durch Ändern der Potentiometerspannung können wir verschiedene Spannungen erhalten. Sie können auch einen 12V-auf-5V-Wandler-Schaltkreis verwenden.

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Op-Amp-Modul

Das Op-Amp-Modul ist der Hauptteil der Schaltung, und hier findet der Spannungsvergleich statt. Da der Leitungsschutzschalter, den wir bauen, Schutz vor sowohl hohen als auch niedrigen Spannungsspitzen bietet, müssen wir beide Fälle berücksichtigen. Beide Fälle haben ihre eigene Schaltung und verbinden sich am markierten Anschlusspunkt mit dem Hauptschaltkreis.

Der Op-Amp in der Schaltung wird im Differenzmodus betrieben. Von allen Anwendungen eines Op-Amps haben wir ihn in dieser Schaltung als Spannungskomparator verwendet. Dieser Komparator gibt entweder High oder Low als Ausgang nach dem Vergleich der Spannungen an zwei seiner Anschlüsse. Wir können die Schwellenwerte für sowohl die untere als auch die obere Grenze mithilfe von Widerstandsnetzwerken einstellen.

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Relais-Modul

Da wir nun die ordnungsgemäße Stromversorgung für den Op-Amp-Schaltkreis bereitgestellt haben und die Op-Amps so funktionieren, wie sie sollen, müssen wir nun über die Funktionsweise der Schaltung nachdenken, nachdem eine hohe oder niedrige Spannungsspitze vom elektronischen Leitungsschutzschalter erkannt wurde.

Der Spannungsspitzenwert wird vom Op-Amp-Modul der Schaltung gewonnen, das oben besprochen wurde. Basierend auf dem Op-Amp-Ausgang, der vom Op-Amp-Modul gewonnen wird, wird das Relais ausgelöst. Wenn beide Ausgänge der Op-Amps High sind, wird erst dann das Relais ausgelöst und die AC-Last direkt an das Netz angeschlossen. Ein zusätzlicher 1k-Ohm-Widerstand wird zur Strombegrenzung verwendet.

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