Koevoet circuit

De betrouwbaarheid van elk elektronisch apparaat hangt af van hoe goed de hardware-beveiligingscircuits zijn ontworpen. De eindgebruiker (consument) is geneigd fouten te maken en het is de verantwoordelijkheid van een goede hardwareontwerper om zijn hardware te beschermen tegen eventuele fouten. Er zijn tal van soorten beveiligingscircuits met elk hun eigen specifieke toepassingen. De meest voorkomende soorten beveiligingscircuits zijn overspanningscircuits, beveiligingscircuits tegen omgekeerde polariteit, stroomstootbeveiliging en ruisbeveiligingscircuits. In deze tutorial zullen we het hebben over het Crowbar-circuit, een soort overspanningsbeveiligingscircuit dat vaak wordt gebruikt in elektronische apparaten. We zullen dit circuit ook praktisch maken en controleren hoe het in het echte leven werkt.

Vereiste materialen

• Lont
• Zener diode
• Thyristor
• Condensatoren
• Weerstanden
• Schottky-diode

Koevoet schakelschema

Het schakelschema van een koevoetcircuit is heel eenvoudig en gemakkelijk te bouwen en te implementeren, waardoor het een kosteneffectieve en snelle oplossing is. Het complete schakelschema van de koevoet wordt hieronder weergegeven.

Hier is de ingangsspanning (blauwe sonde) de spanning die moet worden bewaakt en het circuit is ontworpen om de voeding af te sluiten wanneer de voedingsspanning 9,1V overschrijdt. We bespreken de functie van elk onderdeel in het werkgedeelte hieronder.

Werking van Crowbar Circuit

Een Crowbar-circuit bewaakt de ingangsspanning en wanneer deze de limiet overschrijdt , veroorzaakt het een kortsluiting over de voedingskabels en blaast de zekering op. Zodra de zekering is doorgebrand, wordt de stroomtoevoer losgekoppeld van de belasting en wordt er dus geen hoogspanning gegenereerd. Het circuit werkt door een directe kortsluiting te creëren over de stroomkabels, alsof er een koevoet tussen de stroomkabels van het circuit valt. Daarom krijgt het zijn iconische naam koevoetcircuit.

De spanning waarover het circuit kortsluiting moet veroorzaken, is afhankelijk van de zenerspanning. Het circuit bestaat uit een SCR die direct is verbonden over de ingangsspanning en aarde van het circuit, maar deze SCR wordt standaard uitgeschakeld gehouden door de poortpin van de SCR te aarden. Wanneer de ingangsspanning de zenerspanning overschrijdt, begint de zenerdiode te geleiden en daarom wordt er spanning geleverd aan de poortpin van de SCR waardoor de verbinding tussen de ingangsspanning en aarde wordt gesloten, waardoor een kortsluiting ontstaat. Deze kortsluiting trekt een maximale stroom van de voeding en blaast de zekering op, waardoor de voeding van de belasting wordt geïsoleerd. De volledige werking kan ook gemakkelijk worden begrepen door naar de bovenstaande GIF-afbeelding te kijken. U kunt ook een demonstratievideo vinden aan het einde van deze tutorial.

De bovenstaande afbeelding geeft weer hoe het koevoetcircuit precies reageert wanneer de overspanning optreedt. Zoals je kunt zien, heeft de zenerdiode hier een nominale waarde van 9,1 V, maar de ingangsspanning is hoger dan de waarde en is momenteel 9,75 V. Dus de zenerdiode gaat open en begint te geleiden door spanning te leveren aan de poortpin van de SCR. De SCR begint dan te geleiden door de ingangsspanning en aarde kort te sluiten en zo de zekering op te blazen vanwege de maximale stroomafname, zoals weergegeven in GIF hierboven. De functie van elk onderdeel in dit circuit wordt hieronder uitgelegd.

Zekering: de zekering is het vitale onderdeel van dit circuit. De waarde van de zekering moet altijd minder zijn dan de maximale stroomsterkte van de SCR en meer dan de stroom die door de belasting wordt verbruikt. We moeten er ook voor zorgen dat de voeding voldoende stroom kan leveren om de zekering te doorbreken in het geval van storingen.

0.1uF condensator: dit is een filtercondensator; het verwijdert de pieken en andere ruis zoals harmonischen uit de voedingsspanning om te voorkomen dat het circuit valse triggering vormt.

9.1V zenerdiode: deze diode bepaalt de overspanningswaarde, aangezien we hier een 9.1V zenerdiode hebben gebruikt, zal het circuit reageren op elke spanning die boven de drempelwaarde van 9.1V ligt. De ontwerper kan de waarde van deze weerstand naar behoefte kiezen.

1K-weerstand: dit is slechts een neertrekweerstand die de Gate-pin van de SCR op aarde houdt en deze dus uitgeschakeld houdt totdat de zener begint te geleiden.

47nF-condensator: elke aan / uit-schakelaar zoals SCR vereist een dempingscircuit om de spanningspieken tijdens het schakelen te onderdrukken en te voorkomen dat de SCR vals wordt geactiveerd. Hier hebben we zojuist een condensator gebruikt om de klus te klaren. De waarde van de condensator moet net genoeg zijn om de ruis te filteren, omdat een hoge capaciteitswaarde de vertraging zal vergroten waarmee de SCR begint te geleiden na het toepassen van de poortpuls.

Thyristor (SCR): De Thyristor is verantwoordelijk voor het creëren van kortsluiting over de stroomrails. Er moet voor worden gezorgd dat de SCR zo'n hoge stroomwaarde kan verwerken dat de zekering doorbrandt en zichzelf beschadigt. De Gate-spanning van de SCR moet lager zijn dan de Zener-doorslagspanning. Lees hier meer over Thyristor.

Schottky-diode: deze diode is niet verplicht en wordt alleen gebruikt voor beveiligingsdoeleinden. Het zorgt ervoor dat we geen tegenstroom krijgen van de belastingzijde die mogelijk het beveiligingscircuit zou kunnen beschadigen. Een Schottky-diode wordt gebruikt in plaats van een gewone diode omdat deze minder spanningsval heeft.

Hardware

Nu we de theorie achter het Crowbar-circuit hebben begrepen, is het tijd om in het leuke gedeelte te gaan. Dat is eigenlijk het circuit bouwen bovenop een broodplank en in realtime kijken hoe het werkt. Het circuit dat ik aan het bouwen ben, is voor een 12V-lamp. Deze lamp verbruikt ongeveer 650mA bij een normale bedrijfsspanning van 12V. We zullen het koevoetcircuit ontwerpen om te controleren of de spanning hoger is dan de 12V en als dat het geval is, zullen we de SCR kortsluiten en zo de zekering doorblazen. Dus hier heb ik een 12V Zener-diode en TYN612 Thyristor gebruikt. De zekering is in een zekeringhouder gemonteerd, hier hebben we een patroonzekering van 500mA gebruikt. De volledige opstelling is weergegeven in de onderstaande afbeelding

Ik heb een RPS gebruikt om de ingangsspanning te regelen, in eerste instantie is de setup getest met 12V en het werkt prima door de lamp aan te zetten. Later wordt de spanning verhoogd met behulp van de RPS-knop, waardoor een kortsluiting ontstaat door de SCR en de zekering doorbrandt die ook de lamp uitschakelt en deze isoleert van de voeding. De volledige werking is ook te zien in de video onderaan deze pagina.

Beperkingen van het koevoetcircuit

Hoewel het circuit veel wordt gebruikt, heeft het zijn eigen beperkingen die hieronder worden vermeld

• De overspanningswaarde van het circuit hangt puur af van de Zener-spanningswaarde en er zijn slechts enkele waarden van de Zener-diode beschikbaar.
• Het circuit is ook onderhevig aan geluidsproblemen; dit geluid kan vaak een valse trigger veroorzaken en de zekering doen opblazen.
• In het geval van overspanning doet het circuit de zekering doorslaan en heeft later handmatige hulp nodig om de belasting weer te laten werken wanneer de spanning normaal wordt.
• De zekering is een mechanische zekering die vervangen moet worden en dus moeite, tijd en geld kost.