Elektronisen sulakkeen toimintaperiaate

Joskus koulussa rakennettiin elektroninensulake yhtenä työnä josta sai arvosanan. Ja josta olisi saanut vielä paremman arvosanan jos olisi osannut selittää sen toiminnan. Ikävä kyllä kukaan ei osannut selittää. Joten selitetään se nyt koska uskon viimein tajuavani sen…

Eli kysymyksessä alla olevan kuvan mukainen kytkentä. Tuo elektroninensulake taisi olla ja on varmaan vieläkin kaikkien tuntemassa Bebekissä myynnissä rakennussarjana.

sulake.gif

Kytkennässä on kolme NPN-transistoria. Joista T1 ja T2 voisi olla jotain 100-300 Hfe kertoimeltaan ja kestää vaikka 0,2A virtoja. Jännitteillä nyt niin väliä olkoot vaikka 25V. Eli jotkin yleiset halvat NPN transistorit tuohon käy ei ole niin tarkkaa että systeemin saisi toimimaan.

T3 transistori pitää olla taas niin järeä, että se kykenee kytkemään halutun kuorman ja kestämään sen käyttämiä tasajänniteitä ja virtoja. Olikohan virrankesto jotain 0,5-2 ampeeria aikoinaan. Ja jännitekesto joku 15 volttia. T3 transistorin Hfe arvohan ei yleensä taida olla kovin iso ehkä 10. Silläkään ei siis ole niin merkitystä kunhan on edes vaikka 3.

Järein vastushan tehonkestoltaan on R4. Eli sen olisi hyvä olla niin sanottu tehovastus, joka kestää nyt vaikka 1-3W tehoja. Sen ohmit olisi hyvä olla vaikka kuorman oikosulku imbedansista vaikka 2/3 . Eli jos oikosulussa olevan kuorman resistanssi olisi 3 ohmia. Niin R3 olisi vaikka 2-5 ohmia.

R1 ja TR1 voisi olla molemmat vaikka 1000 ohmia. Ja R2 vaikka 2700 ohmia. Nyt vaan täytyy huomata että TR1 on säädettävä trimmeri vastus.

Vastus R3 voisi olla vaikka 1000 ohmia. Samoin R5 voisi heittää myös arvon 1000 ohmia.

Kondensaattori C1 voisi olla vaikka 1uF. Mitä suurempi tuo arvo on sitä hitaammin elektroninen sulake reakoi virranvaihteluihin. Jännitekesto kondensaattorille voi olla vaikka 10 volttia.

Napiksi riittä nyt mikä tahansa pieni kytkin tai vaikka johdonpätkät.

Eli n√§m√§ arvot ole nyt niin tarkkoja. Ja uskoisin ett√§ noillakin l√§hes summassa heitetyill√§ arvoilla t√§m√§ systeemi saadaan toimimaan odotetulla tavalla. Josta seuraava kuva ja sen alla nyt toivon mukaan sulakkeen toimintaan tyhjent√§v√§ selitys. Josta voi sitten itse kukin alkaa ‚Äúarpomaan‚ÄĚ sopivia arvoja komponenteille.

sulake1.gif

Eli nyt oletetaan, että kuormana on vaikka pieni 4,5 voltin tasavirta sähkömoottori. Ja systeemiin kytketään nyt vaikka 6 voltin jännite. Niin tapahtuu seuraavaa:

R1 ja TR1 vastuksien kautta alkaa kulkemaan virtaa. Joka menisi suoraan T3 kannalle ja ohjaisi T3 auki. Mutta koska kondensaattori C1 ‚Äúimee‚ÄĚ virtaa ensin se ei p√§√§se ohjaamaan T3 transistoria auki. Eik√§ BE v√§lin U4 j√§nnite nouse yli 0,6-0,7 voltin, joka tarvitaan my√∂s ett√§ transistori alkaa johtamaan.

Joka taas tarkoittaa, että R3 vastukselta T2 transistorille menevä virta menee suoraan T2 transistorin kannalle. Ja saa sen aukeamaan kun jännite BE välillä nousee 0,6-0,7V. Koska äsken sulkeutuneeksi jäänyt transistori T3 ei alkanut juoksuttaan virtaa T2 transistorin kannan ohi kuormaan.

Josta taas seuraa se, ett√§ T1 transistori saa ohjausvirtansa ja 0,6-0,7 j√§nnitteen BE v√§lille, vaikka vastus R5 viekin siit√§ osan oman osansa. Ja n√§in ollen my√∂s transistori T1 aukeaa ja kuorma alkaa saamaan virtaa ja 4,5 voltin s√§hk√∂moottori alkaa py√∂rim√§√§n. T√§ss√§ t√§ytyy vain huomata se, ett√§ TR1 trimmerin asetus voi jo nyt laukaista sulakkeen pois p√§√§lt√§. Siksi sit√§ voikin joutua s√§√§t√§m√§√§n kunnes moottori j√§√§ py√∂rim√§√§n ja sulake saavuttaa sopivan ‚Äútasapainon‚ÄĚ sy√∂tt√§√§kseen moottorille virtaa ja j√§nnitett√§.

Seuraavaksi sitten selitys miten sulake katkaisee virran kulun moottorille kun moottoria kuormitetaan vaikka sormin.

sulake1.gif

Nyt kun moottoria sitten kuormitetaan, niin j√§nnite U1 pienenee ja j√§nnite U2 suurenee. T√§st√§ seuraa se, ett√§ j√§nnite U3 nousee my√∂s samalla. Josta seuraa my√∂s j√§nnitteen U4 kasvu, joka alkaa l√§hestym√§√§n 0,6-0,7 volttia. T√§ss√§ kohtaa kondensaattori pyrkii viel√§ imem√§√§n virtaa sis√§√§ns√§ est√§en virran p√§√§syn T3 transistorin kannalle. Ja jos nyt kuormitus hellitt√§√§. Niin U1 suurenee uudelleen ja U2 pienenee. Jolloin kondensaattorille tulviva virta lakkaa. Ja kytkent√§ saavuttaa taas ‚Äútasapainon‚ÄĚ. Kondensaattori C1 UC j√§nnite purkautuu hiljalleen T3 transistorin BE diodin kautta. Ja U4 j√§nnite alkaa laskemaan.

Mutta nyt oletetaan, että kuorman määrä moottorilla vain kasvaa. Niin kondensaattorille C1 tulvii virtaa jota se ei lopulta kykenekään imemään. Ja lopulta virta ohjautuu T3 transistorin kannalle saaden T3 transistorin johtamaan.

Ja kun T3 transistori alkaa johtamaan niin se ohjaa vuorostaan T2 transistorin kannalle menevän virran suoraan kuormaan. Ja T2 transistori sulkeutuu. Jolloin myös T1 transistorin kannan virransaanti lakkaa. Ja sekin sulkeutuu. Koska T1 transistori sai ohjausvirtansa kannalle T2 transistorin kautta.

Lopulta ollaan tilanteessa missä vain transistori T3 johtaa. Ja moottori saa hyvin pienen virran T3 kautta. Ja tästä tilanteesta pääsee pois painamalla nappia tai ottamalla kuorman tai kytkennän syöttöjännitteen hetkeksi pois. Ja odottamalla, että C1 kondensaattori tyhjenee.

Eli nyt jos miettii niin TR1 säätämällä voidaan säätää sulakkeen herkkyyttä rajoittaa virtaa. Vastus R2 taas takaa R1 vastuksen kanssa, että TR1 säätäminen laidasta laitaan sallii vain tietyn suuruiset minimi ja maksimi arvot sulakkeen virroille.

Selitys oli varmaan kohtuu sekava. Mutta Kirchhoffin virta ja jännitelait on kokonaan koko sulakkeen toiminnan ydin. Eli kannattaa pohtia jänniteiden U1 ja U2 keskinäistä suhdetta kun kuorma suurenee ja pienenee. Ja niiden jännitteiden vaikutusta muualle. Ja ajatella C1 kondensaattori kuin jousena, joka joustaa kunnes ei enää pysty. Ja saa näin ollen aikaan ketjureaktion, joka saa T3 transistorin avautumaan ja kytkemään virran pois kuormalta kuormitustilanteessa.

Ehk√§ t√§m√§ oli nyt v√§h√§n huono selitys asialle. Mutta ei t√§m√§ ‚Äúopetusty√∂‚ÄĚ olekaan kait niin helppoa. Toivottovasti joku edes sai AHAA-el√§myksen‚Ķ

Jyrki