Ограничитель тока нагрузки — схемные решения

Вопросы и ответы

Применение токоограничивающего резистора для светодиода


Резистор служит для ограничения тока

Для декоративного оформления, обеспечения хорошей видимости в затемненном коридоре и решения других практических задач используются светодиоды. Они намного экономичнее классических ламп накаливания. Высокая прочность предотвращает загрязнение окружающей среды вредными химическими соединениями, что не исключено после повреждения колбы газоразрядного источника света.

Учитывая одностороннюю разводку полупроводникового перехода, понятно, что светодиод должен быть подключен к аккумулятору, другому источнику постоянного тока. Напряжение стандартной бытовой сети выпрямляется, снижается до номинального уровня. Резистор ограничивает ток.

Ограничение тока КЗ

Для защиты электростанций и крупных заводов от импульсных токов иногда применяют токоограничители коммутационного типа (взрывного действия). Они состоят из:

  • устройство отключения;
  • предохранитель;
  • блок микросхем;
  • трансформатор.

Контролируя количество электричества, логическая схема посылает сигнал на детонатор (через 80 микросекунд), когда происходит короткое замыкание. Последний разрывает шину внутри патрона и ток перенаправляется на предохранитель.

Схема с ручной регулировкой

В некоторых случаях требуется устройство с возможностью ручного изменения предельного значения тока в нагрузке, например, когда речь идет о необходимости зарядки автомобильных аккумуляторов. Схема регулируемого узла показана на рисунке 3.

Рис. 3 Цепь с регулировкой ограничения тока

Характеристики устройства:

  • входное напряжение — до 40 В,
  • выходное напряжение — до 32 В,
  • диапазон ограничения тока — 0,01…3 А.

Главной особенностью схемы является возможность как изменения величины ограничения тока в нагрузке, так и возможность регулировки выходного напряжения. Ограничение тока задается переменным резистором R 5, а выходное напряжение — переменным резистором R 6. Диапазон ограничения тока определяется сопротивлением датчика тока — резистора R2 .

При конструировании такого устройства стоит помнить, что на VT 4 выделяется довольно большой ток, поэтому для исключения возможности перегрева элемента и выхода из строя его необходимо устанавливать на радиатор. Также обратите внимание, что переменные резисторы R 5 и R 6 должны иметь линейную регулировочную зависимость для более практичного использования устройства. Возможные аналоги б/у деталей :

  • Транзисторы КТ815 VD139,
  • Транзистор КТ814 VD140,
  • Транзистор КТ803 2N5067.

Особенности работы и расчеты


Используйте резистор при проверке светодиода

Несмотря на существенные преимущества, внимательные пользователи рекомендуют учитывать и существенные недостатки светодиодных устройств:

Читайте также: Пусковой ток светодиодных ламп и светильников: откуда он берется и как бороться

  • полупроводниковые технологии определяют нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ);
  • повышение напряжения выше определенного порога сопровождается деградацией p-n перехода;
  • при определенном уровне (при прямом или обратном подключении) резкое увеличение тока выводит изделие из строя.

Особое значение имеет собственное малое сопротивление в рабочем режиме. Относительно небольшое изменение основных параметров источника питания может привести к повреждению полупроводникового перехода. По этой причине в схему добавлен токоограничивающий резистор.

Дополнительный пассивный элемент увеличивает энергопотребление. По этой причине рекомендуется использовать такие решения в сочетании с маломощными светодиодами, либо создавать устройства с малой скважностью.

Математический расчет


Таблица зависимости напряжения светодиода от цвета

В простейшей схеме токоограничивающий резистор (R) и светодиод подключены последовательно к источнику постоянного тока (I) с определенным напряжением (Ui) на выходных зажимах. Рассчитать электрическое сопротивление можно по известной формуле закона Ома (I = U/R).

Пригодится и второй постулат Кирхгофа. В данном примере он определяет следующее равенство: Ui = Ur + Uc, где Ur(Uc) — напряжение на резисторе (светодиоде) соответственно. Простым преобразованием этих выражений можно получить основные зависимости:

  • Ui = I*R + I*Rc;
  • R = (Ui — Uc) / I.

Здесь Rc обозначает дифференциальное сопротивление полупроводникового прибора, которое нелинейно зависит от напряжения и тока. На противоположной части ВАХ можно выделить блокирующий участок. Значительное увеличение Rc в этой области препятствует движению электронов (Irev = 0). Но при последующем увеличении напряжения на определенном уровне (Uобр-м) происходит пробой p-n перехода.


Рассчитать сопротивление резистора для светодиода на 5В

Поскольку драйвер обеспечивает постоянный ток, особое внимание следует уделить правильному «прямому» подключению. Особенности ВАК:

  • на первом участке, вплоть до Un, постепенно уменьшается сопротивление и соответственно увеличивается ток;
  • от Un до Um — рабочая зона (излучение в светлой зоне);
  • далее — резкое снижение сопротивления провоцирует экспоненциальный рост силы тока с последующим выходом изделия из строя.

Расчет светодиодов осуществляется исходя из значения рабочего напряжения Uc. Производители указывают этот параметр в сопроводительной документации. Для расчета электрического сопротивления подходящего токоограничивающего резистора используют формулу: R = (Ui — Uc) / I.

Графический расчет


Вольт-амперная характеристика светодиода

Если вы берете CVC, вы можете использовать графическую технику. Первая графическая и цифровая информация берется из паспорта, либо на официальном сайте производителя. Алгоритм действий (пример):

  • по первым данным номинальный ток светодиода (In) 25 мА;
  • из соответствующей точки (1) на оси вертикальной ординаты проводят штриховую линию до точки пересечения с кривой ВАХ (2);
  • отметьте напряжение источника тока (Ui = 5,5 В) по оси абсцисс (3);
  • провести линию через точки (2) и (3);
  • пересечение с осью Y покажет значение максимально допустимого тока (Im = 60 мА).


Расчет сопротивления резистора для питания диода током 100 мА при напряжении питания 5 вольт

Кроме того, по классической формуле нетрудно рассчитать, какое сопротивление необходимо для светодиода в данном случае: R = Ui / Im = 5,5/0,06 ≈ 91,7. В серийном ряду надо выбирать ближайший номинал с небольшим запасом — 100 Ом. Это решение несколько снизит эффективность. Зато в щадящем режиме функциональные компоненты будут меньше нагреваться. Соответственно уменьшатся нагрузки на полупроводниковое соединение. Ожидайте увеличения срока службы источника света.

Чтобы правильно подобрать резистор, нужно знать мощность (P). Значения по умолчанию (Вт): 0,125; 0,25; 0,5; один; 2; 5. Расчеты можно произвести по всем известным параметрам по формулам: P = Im2 * R = Ur2 / R. Если взять исходные данные соответствующего примера: P = 0,06 * 0,06 * 100 = 0,36 Вт. При выборе модели необходимо подобрать резистор сопротивлением 100 Ом с мощностью рассеивания 0,5 Вт.

Допуски на точность электрического сопротивления резисторов составляют от 0,001 до 30 % от номинального значения. В маркировке по международным стандартам соответствующие классы указываются латинскими буквами (D — 0,5%; G — 2%; J — 5%).

Принцип действия ограничителя

Основной принцип схем ограничения тока заключается в том, чтобы погасить избыточный ток на таком элементе, который может преобразовывать энергию в другую форму, например, в тепло. Это хорошо видно в работе ограничителя тока, где в качестве шунтирующего элемента используется терморезистор или тиристор.

Еще один метод защиты, который также часто используется, — это отключение нагрузки от линии, где произошел скачок напряжения. Эти типы выключателей могут быть автоматическими, с возможностью самовозврата после исчезновения угрозы или требовать замены элемента реактивной защиты, как в случае с предохранителем.

как называется ограничитель тока

Наиболее совершенными считаются электронные схемы ограничителей, работающих по принципу закрытия канала прохождения электричества при его увеличении. При этом используются специальные проходные элементы (например, транзисторы), которые контролируются датчиками.

Современные комбинированные системы сочетают в себе функцию ограничителей тока при определенных перегрузках и вариант защиты с отключением нагрузки при токах короткого замыкания. Обычно такие системы работают в сетях высокого напряжения.

Схема ограничителя тока

На примере простейшей схемы устройства ограничения тока можно понять, как работает «электронный предохранитель». Схема собрана на двух биполярных транзисторах и позволяет регулировать силу электричества в низковольтных блоках питания.

ограничитель тока

Назначение компонентов схемы:

  • VT1 — проходной транзистор;
  • VT2 — усилитель управляющего сигнала проходного транзистора;
  • Rs – датчик уровня тока (низкоомный резистор);
  • R — токоограничивающий резистор.

Протекание допустимого тока в цепи сопровождается падением напряжения выше Rs, величина которого после усиления на VT2 поддерживает проходной транзистор в полностью открытом состоянии. Как только сила электричества превысила пороговый предел, переход транзистора VT1 начинает прикрываться по отношению к увеличению электричества. Отличительной особенностью данной конструкции прибора являются большие потери (падение напряжения до 1,6 В) на датчике и проходном элементе, что нежелательно для питания низковольтных устройств.

схема ограничения тока

Аналог описанной выше схемы является более совершенным, где уменьшение падения напряжения на переходе достигается заменой проходного элемента с биполярного на полевой транзистор с малым сопротивлением перехода. На трассе потери всего 0,1 В.

Ограничение тока генератора

В автомобильных генераторах важно контролировать не только величину выходного напряжения, но и ток, подаваемый на нагрузку. Если превышение первого может привести к выходу из строя осветительного оборудования, истончению обмоток приборов, а также зарядке аккумулятора, то второе может вывести из строя обмотку самого генератора.

ограничитель тока нагрузки

Выходной ток увеличивается тем больше, чем больше нагрузки подключено к выходу генератора (за счет уменьшения общего сопротивления). Для предотвращения этого используется электромагнитный ограничитель тока. Принцип его работы основан на включении добавочного сопротивления в цепь обмотки возбуждения генератора в случае повышения электроэнергии.

Ограничитель на биполярном транзисторе

Самым большим недостатком описанной выше схемы является сложность изменения границ границ. В более совершенных устройствах для устранения этого недостатка используется дополнительный элемент, выполняющий функции датчика. Как правило, такой датчик представляет собой мощный резистор, включенный последовательно с нагрузкой. В тот момент, когда падение напряжения на резисторе достигает определенного значения, ток будет автоматически ограничен. Схема такого устройства показана на рисунке 2.

Рис. 2 Схема биполярного транзистора

Регулируемый ограничитель тока
Как видите, в основе схемы лежат два биполярных транзистора npn-структуры. В качестве датчика используется резистор R 3 сопротивлением 3,6 Ом.

Принцип работы устройства следующий: напряжение от источника подается на резистор R 1 , а через него на донышко транзистора VT 1. Транзистор открывается, и большая часть напряжения от источника подается к выходу устройства. При этом транзистор VT 2 находится в закрытом состоянии. В момент, когда падение напряжения на датчике (резистор R 3) достигнет порога открытия транзистора VT 2, он откроется, а транзистор VT 1, наоборот, начнет закрываться, тем самым ограничив ток на входе выход устройства. Светодиод HL 1 является индикатором функции ограничителя.

Порог срабатывания зависит от сопротивления резистора R 3 и напряжения открытия транзистора VT 2. Для описываемой схемы порог срабатывания равен: 0,7 В/3,6 Ом = 0,19 А.

Ограничитель пускового тока

Оборудование этого типа предназначено для защиты индуктивных и емкостных нагрузок (различной мощности) от перенапряжения при пуске. Устанавливается в системах автоматизации. Больше всего таким перегрузкам по току подвержены асинхронные двигатели, трансформаторы, светодиодные лампы. Следствием применения ограничителя тока нагрузки в этом случае является увеличение срока службы и надежности устройств, разгрузка электрических сетей.

ограничитель пускового тока

Примером современной модели однофазного ограничителя тока является устройство РОПТ-20-1. Он универсален и содержит как ограничитель пускового тока, так и реле контроля напряжения. Схема управляется микропроцессором, который автоматически гасит пусковой толчок и может отключить нагрузку, если напряжение в сети превысит допустимый уровень.

Устройство включается в разрыв токовой и нагрузочной линий, работает следующим образом:

  1. При подаче напряжения включается микроконтроллер, который проверяет наличие фазного напряжения и его значение.
  2. Если в течение периода проблем не обнаружено, нагрузка подключается, о чем сигнализирует зеленый светодиод «Сеть.
  3. Идет обратный отсчет 40 миллисекунд, и реле шунтирует демпфирующий резистор.
  4. При отклонении напряжения от нормы или его выходе из строя реле отключает нагрузку, о чем сигнализирует загорание красного светодиода «Авария.
  5. При восстановлении параметров сети (ток, напряжение) система возвращается в исходное состояние.

Подключение светодиода через резистор


Схема подключения светодиодов

На основании представленных данных можно сделать несколько важных промежуточных выводов:

  • схемы резистивной защиты используются при малой мощности;
  • они не выполняют стабилизирующих функций;
  • пассивный элемент не способен гасить импульсные скачки напряжения.

Приемлемые показатели эффективности могут быть достигнуты за счет создания:

  • датчики;
  • индикаторы;
  • сигнальное оборудование.

Для небольшого локального освещения аквариума подходит такое решение. Однако длительное потребление большого количества энергии вряд ли будет приемлемым. Отсутствие стабилизации проявляется заметным изменением яркости при повышении/понижении напряжения.

Специалисты рекомендуют использовать блоки питания с надежной стабилизацией тока с суммарной потребляемой мощностью более 1,5-2 Вт. Эти устройства (диммеры) применяют для соединения групп осветительных приборов и мощных полупроводниковых приборов.

похожие кроссворды

  1. Единица силы электрического тока
  2. Единица измерения силы электрического тока
  3. Прибор для измерения силы электрического тока
  4. Прибор для измерения силы тока
  5. Единица электрического тока в системе СГСМ (10 ампер)
  6. Текущее устройство
  7. Единица силы тока в системе cgsb
  8. Устройство для регулирования напряжения и тока
  9. Единица электрического тока 5 букв
  10. Единица измерения силы электрического тока 9 букв
  11. Устройство для регулирования силы тока и его напряжения 7 букв
  12. Единица измерения силы электрического тока в системе СИ 5 букв
  13. Текущая единица измерения 5 букв
  14. Устройство для регулирования напряжения и тока 7 букв
  15. Устройство для поддержания постоянного электрического тока 8 букв
  16. Прибор для измерения силы тока 9 букв

Расчет резистора для светодиода


Программа расчета сопротивления светодиодов

Сделать необходимые расчеты онлайн можно с помощью специализированного калькулятора. Полное использование таких программ предлагается бесплатно.

Однако доступ в Интернет есть не всегда. Изучив достаточно простую методику, любой желающий сможет быстро подобрать резистор для светодиода без поиска нужного софта.

Для наглядной демонстрации алгоритма рассмотрим подключение защитного резистора к цепи питания (5 В) конкретного светодиода (Epistar 1W HP).

Технические характеристики:

  • мощность рассеяния, Вт — 1;
  • ток, мА — 350;
  • прямое напряжение (типовое/макс.), В — 2,35/2,6.

Для ограничения тока светодиода с учетом рекомендаций производителя подойдет резистор с электрическим сопротивлением R=(5-2,35)/0,35=7,57 Ом. По стандарту Е24 наиболее близкими значениями являются 7,5 и 8,2 Ом. Если вы используете правила по умолчанию, вам нужно выбрать большее значение, которое отклоняется от расчетного почти на 8,5%. Дополнительная ошибка будет создана с допуском 5% для недорогих продуктов. При таком отклонении трудно добиться приемлемых характеристик схемы по функциям защиты и потребляемому току.

Первый способ решить проблему — выбрать больше противников с более низкими оценками. Затем применяют последовательный, параллельный или комбинированный вариант соединения для получения необходимого эквивалентного сопротивления участка цепи. Второй способ заключается в добавлении подстроечного резистора.

интересные слова

  1. Отказ
  2. Томас
  3. Жемчуг
  4. Калуга
  5. Чача
  6. Киев

Как правильно найти и посчитать формулой сопротивление цепи

Сначала нужно разобраться с понятиями и формулами. Индуктивный тип считается следующим: XL= ωL, где L — индуктивность цепи, а ω — круговая частота переменного тока, равная 2πf (f — частота переменного тока). Чем выше частота сети, тем больше R для нее будет любого дросселя.

Вам будет интересно Функции химических источников

Емкостный тип можно рассчитать по формуле: Xc = 1/ωC, где C — емкость радиоэлемента. Здесь все наоборот. При увеличении частоты сопротивление конденсатора напряжению уменьшается. Отсюда следует, что для сети постоянного тока емкостью является бесконечно большое R.


Вы также можете рассчитать характеристику, используя другие величины

Но не только тип сопротивления и обеспечивающие его радиоэлементы влияют на общую стоимость схемы. Особую роль играет и способ соединения элементов в электрическую цепь. Есть два варианта:

  • Последовательный;
  • Параллельно.

В последовательном подключении

Это самый простой тип для практической и теоретической оценки. В нем резистивные элементы соединены, очевидно, последовательно, образуя своеобразную «трубку», после которой замыкается электрическая цепь. Вычислить общее значение в этом случае достаточно просто: нужно последовательно сложить все значения, выдаваемые каждым из резисторов. Например, если подключить 5 резисторов по 5 Ом, то общий параметр будет 5 х 5 — 25 Ом.


Формула последовательной сети

В параллельном подключении

В параллельных сетях все немного сложнее. Если при последовательном методе ток должен проходить через все резисторы, он вправе выбрать любой. На самом деле, он будет просто разделен между ними. Дело в том, что есть характеристика, одинаковая для всех радиоэлементов, например значение 5 Ом означает, что для нахождения общего R необходимо разделить его на количество подключенных резисторов: 5/5 = 1 Ом.

Важно! В связи с тем, что напряжения на параллельных участках одинаковы, а токи складываются, т.е сумма токов на участках равна неразветвленному току, Rобщ будет рассчитываться по формуле: 1/ R = 1 /R1 + 1 /R2 +… + 1/Rn.


Формула параллельной сети

Расчет мощности рассеивания


Обозначения резисторов на схемах

В любом случае при выборе электрического сопротивления цепи следует ставить несколько меньший ток, чтобы продлить срок службы светодиода. Во избежание теплового повреждения используйте изделие в рекомендованном диапазоне температур. Для Epistar 1W HP — от -40°C до +80°C. При необходимости используйте крепление на специализированном звездчатом радиаторе. Это дополнение увеличивает эффективную площадь рассеивания тепла.

Для точного подбора оценивают рассеиваемую мощность резистора: P = I2 * R = (0,35) 2 * 7,57 = 0,1225 * 7,57 ≈ 0,93 Вт. Запас по этому параметру составляет не менее 20-25 %. Значения 1 Вт недостаточно, поэтому выбирается следующее значение в стандартном ряду — 2 Вт.

Эффективность составной схемы регулируется соотношением Uc/Ui = 2,35/5 = 0,47 (47%). Конечный результат показывает, что более половины электроэнергии в этом случае тратится впустую. На самом деле показатель еще хуже, так как не весь потребляемый светодиодом ток расходуется на излучение в видимой части спектра. Значительную часть составляют электромагнитные волны ИК-диапазона.

Параллельное соединение


Параллельное соединение светодиодов

В любой точке последовательной цепи ток одинаков. Это упрощает расчет, предотвращает аварийные ситуации. При выходе из строя одного элемента все светодиоды гаснут. Таким образом, исключается поражение электрическим током. Отмеченные причины объясняют популярность использования этого метода при создании ленточных светильников и других конструкций.

Определенные преимущества дает использование параллельного соединения. В этой версии продукт сохраняет частичную работоспособность при повреждении цепи. Такое решение обеспечивает одинаковое напряжение в точках подключения к источнику питания каждой ветки.

Параллельное соединение подходит для организации независимых цепей управления. На этой технологии основаны принципы работы новогодних венков. Отдельные ветки подключаются к источнику питания по заданному программой алгоритму.

Вы не можете использовать один резистор для нескольких диодов параллельно. Тщательный выбор сопротивления объясняется необходимостью точной регулировки тока. В некоторых ситуациях погрешности в 0,1-0,5 А вызывают поломку, радикальное снижение ресурса.

Фактические технические характеристики светодиодов существенно различаются даже в пределах одной партии продукции. По этой причине каждая цепь защищена отдельным резистором.

Простейшая схема на полевом транзисторе

Ограничитель тока
Самым простым решением, когда необходимо ограничить постоянный ток в нагрузке, является использование схемы на полевых транзисторах. Принципиальная схема этого устройства показана на рис. 1:

Рис. 1 полевой транзистор

Ток нагрузки при использовании схемы, показанной на рис. 1 не может быть больше пускового тока примененного транзистора. Поэтому диапазон отсечки напрямую зависит от типа транзистора. Например, при использовании отечественного транзистора КП302 ограничение составит 30-50 мА.

Оцените статью
Блог про технические приборы и материалы