Crowbar Schakelingen: Hoe Ze Tegen Overspanning Beschermen

Crowbar Schakelingsschema voor Overspanningsbeveiliging

Wat is een Crowbar Schakeling?

De crowbar-schakeling is eigenlijk een elektrische schakeling die voorkomt dat de schakeling beschadigt wordt door overspanning. Het werkt door een kortsluiting of laagweerstandspad over de uitgangsspanning te leggen, heel erg als een kraaienbijl (crowbar) over de uitgangsklemmen van de voeding vallen, vandaar de naam. De crowbar-schakeling is een type overspanningsbeveiligingsschakeling.

Een crowbar-schakeling verschilt van andere veiligheids- of vergrendelingsschakelingen, bijv. een clamp. Eenmaal getriggerd, daalt de spanning onder het trigger-niveau, meestal dicht bij de grond. Een crowbar keert niet terug naar normale werking wanneer de overspanningsvoorwaarde verdwijnt.

Op basis van de werking wordt een actieve crowbar gedefinieerd als een crowbar die het kortsluitingspad kan verwijderen wanneer de piekstoring is verdwenen, zodat het apparaat zijn normale werking kan hervatten. Actieve crowbars worden gebruikt wanneer de kans op een piekstoring hoog en frequent is, in schakelingen zoals de rotorcircuit van dubbel gevoede generatoren tegen hoge stroom- en spanningstransienten door spanningspieken in het elektriciteitsnet. Zo kan de generator door de fout heen 'rijden' en snel doorgaan met werken zelfs tijdens een spanningsdip.

De crowbar-schakeling heeft een lage houdspanning die het in staat stelt hogere foutstromen te dragen zonder veel vermogen te verliezen. Het lagere vermogensverlies maakt het een meer voorkeuroptie vergeleken met andere beveiligingsapparaten.

• Gerelateerd: 12V naar 5V Converter Schakeling

Benodigde Componenten

1. Zekering
2. Zener Diode
3. Schottky Diode
4. Thyristoren
5. Weerstanden
6. Condensators

Crowbar Schakelingsschema

Het bovenstaande schema is de crowbar-schakeling: eenvoudig en gemakkelijk te implementeren. De schakeling is ook kosteneffectief en een snelle oplossing voor overspanningsbeveiliging. Het complete schema met berekende waarden van de gebruikte componenten.

• Gerelateerd: Automatische Badkamer Lichtschakeling Schema en Wer

Zekering

Een zekering is een elektrisch veiligheidsapparaat dat de schakeling beschermt tegen overstroompieken. Het essentiële onderdeel is een metalen draad of strip die in serie met de schakeling wordt gebruikt. Wanneer de stroom in de schakeling te hoog is, smelt de metalen strip en breekt de schakeling. De drempelwaarde van de stroom hangt alleen af van het smeltpunt van de metalen strip. Het is een offerapparaat: eenmaal geactiveerd in een schakeling om deze te breken, moet het vervangen of heraangesloten worden, afhankelijk van het type.

Zekeringen worden al lang gebruikt en hebben zich ontwikkeld om te werken op basis van specifieke stroom- en spanningsspecificaties, brekend vermogen en reactietijden, afhankelijk van de toepassing.

Er zijn ook andere apparaten voor dezelfde toepassing, genaamd stroomonderbrekers (circuit breakers). Stroomonderbrekers kunnen als alternatief voor zekeringen dienen, maar hebben significant andere kenmerken. Over het algemeen is het element van de zekering van zink, koper, aluminium of legering voor voorspelbare en stabiele kenmerken.

Een algemene schematische weergave van een zekering is hieronder gegeven.

Het symbool van de zekering kan verschillen op basis van verschillende weergaven. In het bovenstaande schema zijn er vier weergaven: de eerste is IEC-weergave, de overige twee zijn gebaseerd op IEEE-weergave.

Zekeringen worden wijd gebruikt omdat ze hun eigen voordelen hebben. Enkele hiervan:

1. Zekering is het goedkoopste beschikbare apparaat voor bescherming van een elektrische schakeling.
2. Zekering vereist nul onderhoud.
3. Werken van zekering is eenvoudig en zonder complexiteit.
4. Zekering kan enorme kortsluitingsstromen onderbreken zonder geluid, vlam, gas of rook te produceren.
5. De reactietijd van een zekering kan veel korter zijn dan die van een stroomonderbreker.

Natuurlijk zijn er naast voordelen ook nadelen, hoewel niet zo veel. Twee ervan:

1. Bij kortsluiting of overbelasting, zodra de zekering doorbrandt, duurt vervanging tijd. Tijdens deze periode heeft de schakeling geen stroom.
2. Wanneer zekeringen in serie zijn aangesloten, is het moeilijk de zekering te discrimineren tenzij deze significant verschilt in grootte.

Gerelateerde Artikelen:

• Hoofdverschil tussen Zekering en Stroomonderbreker
• HRC Zekering (High Rupturing Capacity Zekering) en Typen

Schottky Diode

De Schottky-diode in dit project is niet verplicht en wordt alleen voor bescherming gebruikt. Het wordt voornamelijk gebruikt als gelijkrichters in hoge-frequentie lage-spanning omvormers, polariteitsbeschermingsdioden en vrijloopdioden. Het heet ook oppervlaktebarrière-diode, hete-elektron-diode of hete-ladingsdragers-diode. Het verschilt iets van normale PN-knoop diodes waarbij metaal zoals platina of aluminium gebruikt wordt in plaats van P-type halfgeleider.

In de Schottky-diode zijn halfgeleider en metaal verbonden, vormend een metaal-halfgeleider overgang waar de halfgeleiderkant fungeert als kathode en de metaalkant als anode. Wanneer de metaal-halfgeleider overgang gevormd wordt, resulteert dit in een depletielaag, ook wel Schottky-barrière genoemd.

Schottky heeft lage opgeslagen lading en vertoont lagere vermogensverliezen en hogere efficiëntie mechanische kenmerken. Het is gefabriceerd zodat alle externe oppervlakken corrosiebestendig zijn en terminalen gemakkelijk gesoldeerd kunnen worden; stroom vloeit in één richting en stopt de stroom in de andere richting. De spanningsval in deze diode is lager dan bij PN-knoop diodes. Wanneer spanning over de diode-terminals wordt aangelegd, begint stroom te vloeien wat resulteert in een kleine spanningsval over de terminals. De lagere spanningsval resulteert in hogere efficiëntie en hogere schakelsnelheid.

• Gerelateerd: Hoe een Diode te Testen met Digitale & Analog Multimeter – 4 Manieren.

Zener Diode

Een Zener-diode is een type diode dat stroom in beide richtingen laat doorlopen, in tegenstelling tot een normale diode die alleen stroom van anode naar kathode toestaat. Deze stroom in de tegengestelde richting gebeurt alleen wanneer de spanning over de terminalen de drempelspanning overschrijdt, de zogenaamde Zener-spanning. Deze Zener-spanning is een kenmerk van het apparaat, wat het Zener-effect regeert dat op zijn beurt de werking van de diode regeert.

Zener-diodes hebben een hoog gedopeerde p-n overgang, wat het apparaat in staat stelt correct te functioneren zelfs bij omgekeerde spanning. Veel Zener-diodes vertrouwen echter op lawine-doorbraak. Beide doorbraaktypen treden op in het apparaat; het verschil is dat het Zener-effect dominant is bij lagere spanningen, terwijl lawine-doorbraak bij hogere spanningen optreedt. Ze worden gebruikt om laagvermogen gestabiliseerde voedingen te genereren. Ze beschermen ook schakelingen tegen overspanning en elektrostatische ontlading.

• Gerelateerd: Zener Diode & Zener Spanning Regelaar Calculator

Een schematisch diagram van een Zener-diode zoals algemeen in schakelingen gebruikt wordt, is hieronder gegeven.

Thyristor

Een Thyristor is eigenlijk een vierlagenapparaat, bestaande uit twee P-type en twee N-type halfgeleiders alternerend. De samenstelling is P-N-P-N. In zijn meest basale vorm heeft een Thyristor drie terminalen: anode, kathode en gate. De gate regelt de stroom tussen anode en kathode. De primaire functie is om elektrisch vermogen en stroom te regelen door als schakelaar te fungeren.

Het wordt voornamelijk gebruikt als gelijkrichter omdat het snel kan schakelen van een geleidende naar een niet-geleidende toestand. Daarnaast is de onderhoudskost laag en blijft het bij juiste omstandigheden langdurig functioneren zonder fouten. Thyristors worden breed gebruikt in een wijd bereik aan elektrische schakelingen, van eenvoudige inbraakalarmen tot energietransportlijnen.

De werking van een Thyristor is uitgebreid bestudeerd en pretty accurate data is bekend. Voor de meest basale Thyristor met vier lagen (P-N-P-N) en drie overgangen (PN, NP, PN): als de anode positief is ten opzichte van de kathode, zijn de PN- en PN-overgangen forward biased, terwijl de centrale NP-overgang reverse biased is. De NP-overgang blokkeert de positieve stroom van anode naar kathode. De Thyristor is in forward blocking toestand. Op dezelfde manier wordt negatieve stroom geblokkeerd door de outer PN-overgangen: reverse blocking toestand. Een andere toestand is forward conducting: het ontvangt een voldoende signaal om aan te gaan en begint te geleiden.

• Gerelateerd: Automatische Deurbel met Objectdetectie door Arduino

Een typisch Thyristor-diagram is in de bovenstaande afbeelding getoond.

Werking van Crowbar Schakeling

Koppel alle componenten met de juiste waarden zoals in het schema. Een crowbar-schakeling houdt de invoerspanning in de gaten en handelt alleen als de limiet wordt overschreden. Wanneer de limiet overschreden wordt, veroorzaakt de schakeling een kortsluiting over de voedingslijnen en smelt de zekering (gemaakt van een laag smeltpunt metaal), wat de schakeling verbreekt. De spanning waaraan de kortsluiting optreedt, hangt af van de Zener-spanning. De SCR in de schakeling is direct verbonden over de invoerspanning en de aarde van de schakeling. Deze SCR wordt uitgeschakeld gehouden door de gate-terminal van de SCR te aarden. Wanneer de Zener-spanning overschreden wordt, begint de Zener-diode te geleiden en wordt spanning toegepast op de gate-terminal van de SCR. De spanning op de gate laat de SCR geleiden en er ontstaat een kortsluiting tussen de invoerspanning en de aarde. Deze kortsluiting trekt de maximaal mogelijke stroom uit de schakeling en laat de zekering doorbranden, wat de voeding van de belasting isoleert.

Deze schakelopstelling bewaart de componenten en de schakeling zelf voor overspanningen, door een offerzekering te laten doorbranden die heel gemakkelijk vervangen kan worden.