Защита от кз в блоке питания схема: 403 — Доступ запрещён – Блок питания с защитой от короткого замыкания

Содержание

Реализация аппаратной защиты по току / Habr

Сегодня моя статья будет носить исключительно теоретический характер, вернее в ней не будет «железа» как в предыдущих статьях, но не расстраивайтесь — менее полезной она не стала. Дело в том, что проблема защиты электронных узлов напрямую влияет на надежность устройств, их ресурс, а значит и на ваше важное конкурентное преимущество — возможность давать длительную гарантию на продукцию. Реализация защиты касается не только моей излюбленной силовой электроники, но и любого устройства в принципе, поэтому даже если вы проектируете IoT-поделки и у вас скромные 100 мА — вам все равно нужно понимать как обеспечить безотказную работу своего устройства.

Защита по току или защита от короткого замыкания (КЗ) — наверное самый распространенный вид защиты потому, что пренебрежение в данном вопросе вызывает разрушительные последствия в прямом смысле. Для примера предлагаю посмотреть на стабилизатор напряжения, которому стало грустно от возникшего КЗ:

Диагноз тут простой — в стабилизаторе возникла ошибка и в цепи начали протекать сверхвысокие токи, по хорошему защита должна была отключить устройство, но что-то пошло не так. После ознакомления со статьей мне кажется вы и сами сможете предположить в чем могла быть проблема.

Что касается самой нагрузки… Если у вас электронное устройство размером со спичечный коробок, нет таких токов, то не думайте, что вам не может стать так же грустно, как стабилизатору. Наверняка вам не хочется сжигать пачками микросхемы по 10-1000$? Если так, то приглашаю к ознакомлению с принципами и методами борьбы с короткими замыканиями!

Цель статьи


Свою статью я ориентирую на людей для которых электроника это хобби и начинающих разработчиков, поэтому все будет рассказываться «на пальцах» для более осмысленного понимания происходящего. Для тех, кому хочется академичности — идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».

Отдельно хотелось сказать о том, что все решения будут аппаратными, то есть без микроконтроллеров и прочих извращений. В последние годы стало совсем модно программировать там где надо и не надо. Часто наблюдаю «защиту» по току, которая реализуется банальным измерением напряжения АЦП какой-нибудь arduino или микроконтроллером, а потом устройства все равно выходят из строя. Я настоятельно не советую вам делать так же! Про эту проблему я еще дальше расскажу более подробно.

Немного о токах короткого замыкания


Для того, чтобы начать придумывать методы защиты, нужно сначала понять с чем мы вообще боремся. Что же такое «короткое замыкание»? Тут нам поможет любимый закон Ома, рассмотрим идеальный случай:

Просто? Собственно данная схема является эквивалентной схемой практически любого электронного устройства, то есть есть источник энергии, который отдает ее в нагрузку, а та греется и что-то еще делает или не делает.

Условимся, что мощность источника позволяет напряжению быть постоянным, то есть «не проседать» под любой нагрузкой. При нормальной работе ток, действующий в цепи, будет равен:


Теперь представим, что дядя Вася уронил гаечный ключ на провода идущие к лампочке и наша нагрузка уменьшилась в 100 раз, то есть вместо R она стала 0,01*R и с помощью нехитрых вычислений мы получаем ток в 100 раз больше. Если лампочка потребляла 5А, то теперь ток от нагрузки будет отбираться около 500А, чего вполне хватит чтобы расплавить ключ дяди Васи. Теперь небольшой вывод…
Короткое замыкание — значительное уменьшение сопротивления нагрузки, которое ведет к значительному увеличению тока в цепи.

Стоит понимать, что токи КЗ обычно в сотни и тысячи раз больше, чем ток номинальный и даже короткого промежутка времени хватает, чтобы устройство вышло из строя. Тут наверняка многие вспомнят о электромеханических устройствах защиты («автоматы» и прочие), но тут все весьма прозаично… Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А. Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А. Даже если произойдет КЗ, то автомат долго будет этого не замечать и отключит нагрузку, только когда все уже сгорит. Это скорее защита от пожара, а не защита техники.

Теперь давайте рассмотрим еще один, часто встречающийся случай — сквозной ток. Покажу я его на примере dc/dc преобразователя с топологией синхронный buck, все MPPT контроллеры, многие LED-драйвера и мощные DC/DC преобразователи на платах построены именно по ней. Смотрим на схему преобразователя:

На схеме обозначены два варианта превышения тока: зеленый путь для «классического» КЗ, когда произошло уменьшение сопротивления нагрузки («сопля» между дорог после пайки, например) и

оранжевый путь. Когда ток может протекать по оранжевому пути? Я думаю многие знают, что сопротивление открытого канала полевого транзистора очень небольшое, у современных низковольтных транзисторов оно составляет 1-10 мОм. Теперь представим, что на ключи одновременно пришел ШИМ с высоким уровнем, то есть оба ключа открылись, для источника «VCCIN — GND» это равносильно подключению нагрузки сопротивлением около 2-20 мОм! Применим великий и могучий закон Ома и получим даже при питании 5В значение тока более 250А! Хотя не переживайте, такого тока не будет — компоненты и проводники на печатной плате сгорят раньше и разорвут цепь.

Данная ошибка очень часто возникает в системе питания и особенно в силовой электронике. Она может возникать по разным причинам, например, из-за ошибки управления или длительных переходных процессах. В последнем случае не спасет даже «мертвое время» (deadtime) в вашем преобразователе.

Думаю проблема понятна и многим из вас знакома, теперь понятно с чем нужно бороться и осталось лишь придумать КАК. Об этом и пойдет дальнейший рассказ.

Принцип работы защиты по току


Тут необходимо применить обычную логику и увидеть причинно-следственную связь:
1) Основная проблема — большое значения тока в цепи;
2) Как понять какое значение тока? -> Измерить его;
3) Измерили и получили значение -> Сравниваем его с заданным допустимым значением;
4) Если превысили значение -> Отключаем нагрузку от источника тока.
Измерить ток -> Узнать превысили ли допустимый ток -> Отключить нагрузку
Абсолютно любая защита, не только по току, строится именно так. В зависимости от физической величины по которой строится защита, будут возникать на пути реализации разные технические проблемы и методы их решения, но суть неизменна.

Теперь предлагаю по порядку пройти по всей цепочки построения защиты и решить все возникающие технические проблемы. Хорошая защита — это защита, которую предусмотрели заранее и она работает. Значит без моделирования нам не обойтись, я буду использовать популярный и бесплатный MultiSIM Blue, который активно продвигается Mouser-ом. Скачать его можно там же — ссылка. Также заранее скажу, что в рамках данной статьи я не буду углубляться в схемотехнические изыски и забивать вам голову лишними на данном этапе вещами, просто знайте, что все немного сложнее в реальном железе будет.

Измерение тока


Это первый пункт в нашей цепочке и наверное самый простой для понимания. Измерить ток в цепи можно несколькими способами и у каждого есть свои достоинства и недостатки, какой из них применить конкретно в вашей задаче — решать только вам. Я же расскажу, опираясь на свой опыт, о этих самых достоинствах и недостатках. Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.

1) Токовый шунт. Основа основ, «работает» все на том же великом и могучем законе Ома. Самый простой, самый дешевый, самый быстрый и вообще самый самый способ, но с рядом недостатков:

а) Отсутствие гальванической развязки. Ее вам придется реализовывать отдельно, например, с помощью быстродействующего оптрона. Реализовать это не сложно, но требует дополнительного места на плате, развязанного dc/dc и прочие компоненты, которые стоят денег и добавляют габаритных размеров. Хотя гальваническая развязка нужна далеко не всегда, разумеется.

б) На больших токах ускоряет глобальное потепление. Как я ранее писал, «работает» это все на законе Ома, а значит греется и греет атмосферу. Это приводит к уменьшению КПД и необходимости охлаждать шунт. Есть способ минимизировать этот недостаток — уменьшить сопротивления шунта. К сожалению бесконечно уменьшать его нельзя и вообще

я бы не рекомендовал уменьшать его менее 1 мОм, если у вас пока еще мало опыта, ибо возникает необходимость борьбы с помехами и повышаются требования к этапу конструирования печатной платы.

В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E:

Измерение тока происходит путем измерения падения напряжения на шунте, например, при протекании тока 30А на шунте будет падение:


То есть, когда мы получим на шунте падение 60 мВ — это будет означать, что мы достигли предела и если падение увеличится еще, то нужно будет отключать наше устройство или нагрузку. Теперь давайте посчитаем сколько тепла выделится на нашем шунте:


Не мало, правда? Этот момент надо учитывать, т.к. предельная мощность моего шунта составляет 2 Вт и превышать ее нельзя, так же не стоит припаивать шунты легкоплавким припоем — отпаяться может, видел и такое.

Рекомендации по использованию:

  • Используйте шунты, когда у вас большое напряжение и не сильно большие токи
  • Следите за количеством выделяемого на шунте тепла
  • Используйте шунты там, где нужно максимальное быстродействие
  • Используйте шунты только из специальным материалов: константана, манганина и подобных

2) Датчики тока на эффекте Холла. Тут я допущу себе собственную классификацию, которая вполне себе отражает суть различных решений на данном эффекте, а именно: дешевые и дорогие.

а) Дешевые, например, ACS712 и подобные. Из плюсов могу отметить простоту использования и наличия гальванической развязки, на этом плюсы кончаются. Основным недостатком является крайне нестабильное поведение под воздействием ВЧ помех. Любой dc/dc или мощная реактивная нагрузка — это помехи, то есть в 90% случаев данные датчики бесполезны, ибо «сходят с ума» и показывают скорее погоду на Марсе. Но не зря же их делают?

Они имеют гальваническую развязку и могут измерять большие токи? Да. Не любят помехи? Тоже да. Куда же их поставить? Правильно, в систему мониторинга с низкой ответственностью и для измерения тока потребления с аккумуляторов. У меня они стоят в инверторах для СЭС и ВЭС для качественной оценки тока потребления с АКБ, что позволяет продлить жизненный цикл аккумуляторов. Выглядят данные датчики вот так:

б) Дорогие. Имеют все плюсы дешевых, но не имеют их минусов. Пример такого датчика LEM LTS 15-NP:

Что мы имеем в итоге:
1) Высокое быстродействие;
2) Гальваническую развязку;
3) Удобство использования;

4) Большие измеряемые токи независимо от напряжения;
5) Высокая точность измерения;
6) Даже «злые» ЭМИ не мешают работе и не; влияют на точность.

Но в чем тогда минус? Те, кто открывали ссылку выше однозначно его увидели — это цена. 18$, Карл! И даже на серии 1000+ штук цена не упадет ниже 10$, а реальная закупка будет по 12-13$. В БП за пару баксов такое не поставить, а как хотелось бы… Подведем итог:

а) Это лучшее решение в принципе для измерения тока, но дорогое;
б) Применяйте данные датчики в тяжелых условиях эксплуатации;
в) Применяете эти датчики в ответственных узлах;
г) Применяйте их если ваше устройство стоит очень много денег, например, ИБП на 5-10 кВт, там он себя однозначно оправдает, ведь цена устройства будет несколько тысяч $.

3) Трансформатор тока. Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два — не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики. Плюсы — дешево, надежно и можно измерять просто огромнейшие токи. Именно на трансформаторах тока построены системы автоматики и защиты в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на предприятиях, а там тысячи ампер вполне себе нормальное явление.

Честно говоря, я стараюсь их не использовать, ибо не люблю, но в различных шкафах управления и прочих системах на переменном токе все таки ставлю, т.к. стоят они пару $ и дают гальваническую развязку, а не 15-20$ как LEM-ы и свою задачу в сети 50 Гц отлично выполняют. Выглядят обычно вот так, но бывают и на всяких EFD сердечниках:

Пожалуй с методами измерения тока можно закончить. Я рассказал об основных, но разумеется не обо всех. Для расширения собственного кругозора и знаний, советую дополнительно хотя бы погуглить да посмотреть различные датчики на том же digikey.

Усиление измеренного падения напряжения


Дальнейшее построение системы защиты пойдет на базе шунта в роли датчика тока. Давайте строить систему с ранее озвученным значением тока в 30А. На шунте мы получаем падение 60 мВ и тут возникают 2 технические проблемы:

а) Измерять и сравнивать сигнал с амплитудой 60 мВ неудобно. АЦП имеют обычно диапазон измерений 3.3В, то есть при 12 битах разрядности мы получаем шаг квантования:

Это означает, что на диапазон 0-60 мВ, который соответствует 0-30А мы получим небольшое количество шагов:


Получаем, что разрядность измерения будет всего лишь:


Стоит понимать, что это идеализированная цифра и в реальности они будет в разы хуже, т.к. АЦП сам по себе имеет погрешность, особенно в районе нуля. Конечно АЦП для защиты мы использовать не будем, но измерять ток с этого же шунта для построения системы управления придется. Тут задача была наглядно объяснить, но это так же актуально и для компараторов, которые в районе потенциала земли (0В обычно) работают весьма нестабильно, даже rail-to-rail.

б) Если мы захотим протащить по плате сигнал с амплитудой 60 мВ, то через 5-10 см от него ничего не останется из-за помех, а в момент КЗ рассчитывать на него точно не придется, т.к. ЭМИ дополнительно возрастут. Конечно можно схему защиты повесить прямо на ногу шунта, но от первой проблемы мы не избавимся.

Для решения данных проблем нам понадобится операционный усилитель (ОУ). Рассказывать о том, как он работает не буду — тема отлично гуглится, а вот о критичных параметрах и выборе ОУ мы поговорим. Для начала давайте определимся со схемой. Я говорил, что особых изяществ тут не будет, поэтому охватим ОУ отрицательной обратной связью (ООС) и получим усилитель с известным коэффициентов усиления. Данное действия я смоделирую в MultiSIM (картинка кликабельна):

Скачать файл для симуляции у себя можно — тут.

Источник напряжения V2 выполняет роль нашего шунта, вернее он симулирует падение напряжения на нем. Для наглядности я выбрал значение падения равное 100 мВ, теперь нам нужно усилить сигнал так, чтобы перенести его в более удобное напряжение, обычно между 1/2 и 2/3 Vref. Это позволит получить большое количество шагов квантования в диапазон токов + оставить запас на измерения, чтобы оценить насколько все плохо и посчитать время нарастания тока, это важно в сложных системах управления реактивной нагрузкой. Коэффициент усиления в данном случае равен:


Таким образом мы имеем возможность усилить сигнал наш сигнал до требуемого уровня. Теперь рассмотрим на какие параметры стоит обратить внимание:
  • ОУ должен быть rail-to-rail, чтобы адекватно работать с сигналами около потенциала земли (GND)
  • Стоит выбирать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного сигнала. У моего любимого OPA376 этот параметр равен 2В/мкс, что позволяет достигать максимальное выходное значение ОУ равное VCC 3.3В всего за 2 мкс. Этого быстродействия вполне достаточно, чтобы спасти любой преобразователь или нагрузку с частотами до 200 кГц. Данные параметры стоит понимать и включать голову при выборе ОУ, иначе есть шанс поставить ОУ за 10$ там, где хватило бы и усилителя за 1$
  • Полоса пропускания, выбираемого ОУ, должна быть как минимум в 10 раз больше, чем максимальная частота коммутации нагрузки. Опять же ищите «золотую середину» в соотношение «цена/ТТХ», все хорошо в меру

В большинстве своих проектов я использую ОУ от Texas Instruments — OPA376, его ТТХ хватает для реализации защиты в большинстве задач и ценник в 1$ вполне себе хорош. Если вам необходимо дешевле, то смотрите на решения от ST, а если еще дешевле, то на Microchip и Micrel. Я по религиозным соображениям использую только TI и Linear, ибо оно мне нравится и сплю так спокойнее.

Добавляем реализм в систему защиты


Давайте теперь в симуляторе добавим шунт, нагрузку, источник питания и прочие атрибуты, которые приблизят нашу модель к реальности. Полученный результат выглядит следующим образом (картинка кликабельная):

Скачать файл симуляции для MultiSIM можно — тут.

Тут уже мы видим наш шунт R1 с сопротивлением все те же 2 мОм, источник питания я выбрал 310В (выпрямленная сеть) и нагрузкой для него является резистор 10.2 Ом, что опять по закону Ома дает нам ток:


На шунте как видите падают, ранее посчитанные, 60 мВ и их мы усиливаем с коэффициентом усиления:


На выходе мы получаем усиленный сигнал с амплитудой 3.1В. Согласитесь, его уже и на АЦП можно подать, и на компаратор и протащить по плате 20-40 мм без каких либо опасений и ухудшения стабильности работы. С этим сигналом мы и будем далее работать.

Сравнение сигналов с помощью компаратора


Компаратор — это схема, которая принимает на вход 2 сигнала и в случае если амплитуда сигнала на прямом входе (+) больше, чем на инверсном (-), то на выходе появляется лог. 1 (VCC). В противном случае лог. 0 (GND).

Формально любой ОУ можно включить как компаратор, но такое решение по ТТХ будет уступать компаратору по быстродействию и соотношению «цена/результат». В нашем случае, чем выше быстродействие, тем выше вероятность, что защита успеет отработать и спасти устройство. Я люблю применять компаратор, опять же от Texas Instrumets — LMV7271. На что стоит обратить внимание:
  • Задержка срабатывания, по факту это основной ограничитель быстродействия. У указанного выше компаратора это время около 880 нс, что достаточно быстро и во многих задачах несколько избыточно по цене в 2$ и вы можете подобрать более оптимальный компаратор
  • Опять же — советую использовать rail-to-rail компаратор, иначе на выходе у вас будет не 5В, а меньше. Убедиться в этом вам поможет симулятор, выберите что-то не rail-to-rail и поэкспериментируйте. Сигнал с компаратора обычно подается на вход аварии драйверов (SD) и хорошо бы иметь там устойчивый TTL сигнал
  • Выбирайте компаратор с выходом push-pull, а не open-drain и другие. Это удобно и имеем прогнозируемые ТТХ по выходу

Теперь давайте добавим компаратор в наш проект в симуляторе и посмотрим на его работу в режиме, когда защита не сработала и ток не превышает аварийный (кликабельная картинка):

Скачать файл для симуляции в MultiSIM можно — тут.

Что нам нужно… Нужно в случае превышения тока более 30А, чтобы на выходе компаратора был лог. 0 (GND), этот сигнал будет подавать на вход SD или EN драйвера и выключать его. В нормальном состоянии на выходе должна быть лог. 1 (5В TTL) и включать работу драйвера силового ключа (например, «народный» IR2110 и менее древние).

Возвращаемся к нашей логике:
1) Измерили ток на шунте и получили 56.4 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 2.88В;
3) На прямой вход компаратора подаем опорный сигнал с которым будем сравнивать. Его задаем с помощью делителя на R2 и выставляет 3.1В — это соответствует току примерно в 30А. Данным резистором регулируется порог срабатывания защиты!
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В > 2.88В. На прямом входу (+) напряжение выше, чем на инверсном входе (-), значит ток не превышен и на выходе лог. 1 — драйвера работают, а наш светодиод LED1 не горит.

Теперь увеличиваем ток до значения >30А (крутим R8 и уменьшаем сопротивление) и смотрим на результат (кликабельная картинка):

Давайте пересмотри пункты из нашей «логики»:
1) Измерили ток на шунте и получили 68.9 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 3.4В;
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В < 3.4В. На прямом входу (+) напряжение НИЖЕ, чем на инверсном входе (-), значит ток превышен и на выходе лог. 0 — драйвера НЕ работают, а наш светодиод LED1 горит.

Почему аппаратная?


Ответ на этот вопрос простой — любое программируемое решение на МК, с внешним АЦП и прочее, могут попросту «зависнуть» и даже если вы достаточно грамотный софтописатель и включили сторожевой таймер и прочие защиты от зависания — пока оно все обработается ваше устройство сгорит.

Аппаратная защита позволяет реализовать систему с быстродействием в пределах нескольких микросекунд, а если бюджет позволяет, то в пределах 100-200 нс, чего достаточно вообще для любой задачи. Также аппаратная защита не сможет «зависнуть» и спасет устройство, даже если по каким-то причинам ваш управляющий микроконтроллер или DSP «зависли». Защита отключит драйвер, ваша управляющая схема спокойно перезапустится, протестирует аппаратную часть и либо подаст ошибку, например, в Modbus или запустится если все хорошо.

Тут стоит отметить, что в специализированных контроллерах для построения силовых преобразователей есть специальные входы, которые позволяют аппаратно отключить генерацию ШИМ сигнала. Например, у всеми любимого STM32 для этого есть вход BKIN.

Отдельно стоит сказать еще про такую вещь как CPLD. По сути это набор высокоскоростной логики и по надежности оно сопоставимо с аппаратным решением. Вполне здравым смыслом будет поставить на плату мелкую CPLD и реализовать в ней и аппаратные защиты, и deadtime и прочие прелести, если мы говорим о dc/dc или каких-то шкафах управления. CPLD позволяет сделать такое решение очень гибким и удобным.

Эпилог


На этом пожалуй и все. Надеюсь вам было интересно читать данную статью и она даст вам какие-то новые знания или освежит старые. Всегда старайтесь заранее думать какие модули в вашем устройстве стоит реализовать аппаратно, а какие программно. Часто реализация аппаратная на порядки проще реализации программной, а это ведет с экономии времени на разработке и соответственно ее стоимости.

Формат статьи без «железа» для меня новый и попрошу высказать ваше мнение в опросе.

Схема защиты источника питания от перегрузки на КУ202

Добавил: Chip,Дата: 06 Фев 2015

Схема защиты источника питания от перегрузки на КУ202

Для защиты блока питания при конструировании различных схем рекомендуется на выход БП добавить узел защиты от перегрузки по току. Простая схема устройства построена с применением тиристора в качестве управляющего элемента защиты по напряжению.

Пока напряжение питания на входе находится в пределах нормы, стабилитрон и тиристор закрыты, ток протекает в нагрузку. При превышении напряжения питания свыше 15,2В, открывается стабилитрон, и вслед за ним тиристор, так как между его катодом и управляющим электродом присутствует разность потенциалов, достаточная для его отпирания. Подключенный параллельно выходу источника питания тиристор VS1 при перегрузке обрывает плавкий предохранитель в течение нескольких микросекунд, если выходное напряжение окажется свыше допустимого. Порог открывания тиристора, а именно, срабатывания защиты, зависит от технических данных стабилитрона. При перегорании предохранителя включится пьезоизлучатель звука со встроенным генератором, который просигнализирует о внешней неисправности, который, так же, индицирует о возможном коротком замыкании в нагрузке. Сигнализатор будет звучать до тех пор, пока не будет отключено общее питание или устройство нагрузки.

Видео работы схемы защиты источника питания


Источник:chipdip.ru



ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ



П О П У Л Я Р Н О Е:

  • Солнечные батареи своими руками (часть 3)
  • Ранее были опубликованы две статьи: Солнечные батареи своими руками (ЧАСТЬ 1) и (ЧАСТЬ 2). Продолжение предыдущих статей читайте ниже. Подробнее…

  • Какое напряжение в розетке разных стран?
  • Адаптация импортных приборов под «нашу» сеть

    В ряде других стран, а также, например в США стандарт напряжения 100–127 В частотой 60 Гц. В нашей стране — 230 В частотой 50 Гц. Почему такая разница?

    Как адаптировать импортную технику, предназначенную для другого стандарта узнаем  в статье, ниже.

    Подробнее…

  • Высоковольтный источник с батарейным питанием.
  • В радиолюбительской практике, а так же, при ремонте аппаратуры, может пригодиться портативный высоковольтный источник тока, с батарейным питанием. Такой прибор может быть полезным при проверке обратного напряжения диода, напряжения стабилиза­ции высоковольтного стабилитрона, напря­жения зажигания неоновых ламп, а так же, для испытания высоковольтных транзисторов. Подробнее…


Популярность: 21 266 просм.

Вы можете следить за комментариями к этой записи через RSS 2.0. Вы можете оставить свой комментарий, пинг пока закрыт.

Защита импульсных блоков питания от КЗ

Опубликовал admin | Дата 18 августа, 2019

Схема защиты импульсных блоков питания от превышения тока нагрузки

Все защитные схемы конкретного ИИП, имеющего на выходе несколько выходных напряжений, можно объединять под общим названием — комбинированные защиты. Т.к. срабатывание любой из этих защитных схем ведет к отключению всех питающих напряжений посредством воздействия на управляющую микросхему ИИП. Все выходные каналы ИИП можно условно, разделить на слаботочные и сильноточные. Необходимость раздельной защиты каждого из этих каналов объясняется тем, что чувствительность схемы защиты сильноточного канала недостаточна для обнаружения неисправности в слаботочной схеме.

В данной статье будет рассмотрена одна из классических и эффективных схем защиты для импульсных блоков питания с сильноточным выходом, реализованных на контроллере ТL494 или его аналогах.

Подробнее рассмотрим механизм защитного отключения в зависимости от максимальной ширины управляющего импульса. Суть защитного отключения заключаются в том, чтобы силовые транзисторы инвертора переставали переключаться и оставались бы в закрытом состоянии неограниченно долго при возникновении аварийной ситуации. Для того чтобы оба силовых транзистора инвертора оказались закрыты одновременно, на их базах должны отсутствовать управляющие импульсы. Источником управляющих импульсов является микросхема ТL494, поэтому для того чтобы отключить появление импульсов на выходах микросхемы необходимо заблокировать работу ее цифровой части. При этом оба выходных транзистора ее окажутся в закрытом состоянии и импульсы на выводах 8 и 11 или 9 и 10 будут отсутствовать. Амплитуда пилообразного напряжения составляет +3,2В.
Поэтому, если на вывод 4 ТL494 будет подан потенциал, превышающий +3.2В, то произойдет блокировка работы микросхемы ТL494. Однако необходимо отметить, что генератор пилообразного напряжения при этом не прекращает своей работы, т.е. несмотря на отсутствие выходных импульсов, пилообразное напряжение продолжает вырабатываться. Схема узла защиты показана на рисунке ниже.

Работа схемы защиты

Тр1 – трансформатор тока, R11 – нагрузка трансформатора, VD3 и 4 – выпрямительные диоды – это преобразователь длительности проходящих через первичную обмотку рабочих импульсов тока в пропорциональное напряжение на его выходе. Чем больше длительности рабочих импульсов, тем на большее положительное напряжение заряжается конденсатор С7. Преобразователь имеет двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой, на которой появляются только положительные по знаку импульсы. Напряжение пропорциональное длительности рабочих импульсов с конденсатора С7 поступает на резистивный делитель R7 и R6. Вместо этого делителя можно поставить потенциометр со шкалой и при необходимости выставлять нужный ток защиты. Цепь, состоящая из резистора R5 и конденсатора С4 – это Т-образный фильтр, от емкости С4 также зависит время реакции защиты на внештатную ситуацию. Если выбрать этот конденсатор недостаточной емкости, то защита сработает раньше, чем закончатся все переходные процессы при включении блока питания. БП просто напросто не успеет включиться. Здесь нужен компромисс, чтобы блок питания стабильно включался, и чтобы время срабатывания защиты было как можно меньше.

Резистор R8 – подтягивающий резистор вывода 4 DD1 к общей шине схемы ИИП. R9 и С11 – цепь мягкого запуска. При включении ИИП на воде 14 контроллера появляется стабильное напряжение +5 вольт от внутреннего стабилизатора микросхемы. Начинается заряд конденсаторы С11 через резисторы R8,9R. На выводе 4 DD1 начинает плавно нарастать напряжение. По мере его нарастания увеличивается длительность рабочих импульсов. Диод VD1 служит для развязки формирующей цепочки от схемы защиты.

В рабочем состоянии блока питания в режиме номинального тока нагрузки напряжения с выхода фильтра R5, С4 не хватает для того, что бы открыть транзистор VT1. В таком режиме оба транзистора VT1 и VT2 закрыты и не влияют на работу микросхемы DD1. При увеличении тока нагрузки контроллер начнет увеличивать длительность выходных импульсов. Увеличение длительности рабочих импульсов мощных транзисторов VT3 и VT4 приводит к увеличению напряжения на базе транзистора VT1. Через открывающийся транзистор VT1 и резистор R2 начинает поступать открывающее отрицательное напряжение базу VT2. Процесс приобретает лавинообразный характер, в результате оба транзистора открываются и могут находиться в таком состоянии сколь угодно долго (транзисторный аналог тиристора). Через открытые транзистор VT2 на вывод 4 DD1 поступит напряжения превышающее +3,2В, что приведет к блокировке цифровой части контроллера. Оба его выходных транзистора окажутся в закрытом состоянии и на выходах 8,11 и 9,10 появятся статические потенциалы, которые не смогут передаваться на базы транзисторов VT3 и VT4, так как связь с ними происходит через согласующий трансформатор (на схеме не показан). Если ИИП имеет схему с запуском посредством самовозбуждения, то после закрытия мощных транзисторов пропадет и питание на контроллере и восстановить работоспособность блока питания можно, если его отключить и снова включить. Восстановить рабочее состояние ИИП с принудительным запуском можно, поставив кнопку рестарта, параллельно переходу база-эмиттер транзистора VT1.

Данная схема была проверена в четырех ИИП и показала прекрасные результаты. В качестве ТР1 можно использовать сердечники и каркасы к ним от энергосберегающих ламп. Смотрим фото. Но в данных сердечниках имеется конструктивный зазор на среднем керне, поэтому для трансформатора тока потребуется два одинаковых дросселя. На фото три показан самодельный трансформатор тока в ИИП.

Можно применить и ферритовые кольца. Как рассчитать трансформатор тока на ферритовом кольце можно посмотреть в статье «Расчет трансформатора тока»

Вторичная обмотка ТР1 содержит 120 х 2 витков провода диаметром 0,12 мм, мотается в два провода сразу. Вторичная обмотка содержит 2 витка провода – 0,8 или можно применить плоский жгут из нескольких проводов. Диоды VD3 и VD4 – КД522, 1N4148. VD1 – любой. Транзисторы 1 и 2 – КТ315 и КТ361, у меня стоят КТ209 и С945.

На этом все. Успехов. К.В.Ю.

Скачать статью

Скачать “Защита_импульсных_блоков_питания_от_КЗ” Защита_импульсных_блоков_питания_от_КЗ.rar – Загружено 125 раз – 163 KB

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:308


Блок питания стабилизированный с защитой от кз. Несколько защитных устройств блоков питания

На создание данной статьи меня спровоцировал опыт создания блоков питания и зарядных устройств на основе простых импульсных блоков питания, которыми являются как иип на IR2153, так и переделанный различными способами под блок питания электронный трансформатор. Данные источники питания являются простыми, нестабилизированными импульсными блоками питания без каких-либо защит. Не смотря на данные недостатки, такие источники питания довольно просты в изготовлении,не требуют сложной настройки, времени на создание такого блока питания требуется меньше чем на полный ШИМ БП с узлами стабилизации и защиты.

Обьединив такой блок питания и простейший ШИМ- регулятор на NE555, получам регулируемый блок питания как для экспирементов, так и для зарядки АКБ. Радости нашей нет предела до того момента, пока данный девайс не попробовать на искру, или по ошибке, размышляя над созданием очередного аппарата перепутать полярность заряжаемого АКБ. Окрикивая громким хлопком и орошая едким дымом помещение,в котором произошол данный конфуз, изобретение сообщает нам, что простой импульсный блок питания, который собран по упрощённо-ознакомительной схеме не может быть надёжным.

Тут пришла мысль о том, чтобы найти не просто ввести тот или инной узел защиты в конкретный экземпляр блока питания, а найти или создать универсальную быстродействующую схему, которую можно внедрять в любой вторичный источник питания.

Требования к узлу защиты:

Минмиум деталей

Плата защиты должна занимать мало места

Работоспособной при больших токах нагрузки

Отсутствие реле

Высокая скорость срабатывания

Одним из заинтересовавших вариантов была такая схема, найденная в интерете:

При замыкании выхода данной схемы, разряжается ёмкость затвора VT1 через диод VD1, что приводит к закрытию VT1 и ток через транзистор не протекает, блок питания остаётся целым и невредимым. Но что же произойдёт если на выход данной схемы подключить нагрузку, в 300вт, когда наш иип может выдать всего 200вт? Не смотря на то что у нас присутствует схема защиты, замученный блок питания снова взрывается.

Недостатки данной схемы:

1. Необходимо точно подбирать сопротивление шунта, чтобы максимально допустимый ток блока питания создал такое падение напряжения на выбранном шунте, при котором VT2, открываясь полностью закроет VT1.

2. В данной схеме может наступить момент, когда ток проходящий через шунт, приоткроет VT2, вследствии чего VT1 начнёт закрываться и останется в таком состоянии, что будет недозакрыт, а учитывая что через VT1 протекает немалый ток, то данный линейный режим вызовет его сильный перегрев, врезультате которого VT1 будет пробит.

В блоке питания на IR2153 однажды применял триггерную защиту, остался доволен её работой. Прицепим к схеме триггерной защёлки на комплиментарной паре транзисторов шунт в качестве датчика тока и n-канальный транзистор в роли ключевого элемента получаем такую схему:

После подачи питания на схему, транзистор Q3, через светодиод и R4 открывается, стабилитрон D3 ограничивает напряжение на затворе полевого транзистора. D4 защищает Q3 от выбросов высокого напряжения, при подключении индуктивной нагрузки (электродвигатель). На паре транзисторов Q1, Q2 собран аналог тиристора. Ток, протекающий через шунт R1, вызывает падение напряжения, которое с движка переменного резистора R10, и цепочку R2, С2, поступает на базу транзистора Q2. Величину напряжения с шунта, которое пропорционально току, протекающему через этот шунт можно регулировать прерменным резистором R10. В момент, когда напряжение на базе Q2 станет больше 0.5-0.7в транзистор Q2 начнёт открываться, тем самым открывая Q1, в свою очередь транзистор Q1открываясь, будет открывать Q2. Данный процесс происходит очень быстро, за доли секунды транзисторы откроют друг друга и останутся в таком устойчивом состоянии. Через открытый аналог тиристора затвро Q3, а также резистор R4 окажутся подключены к общему проводнику схемы, что приведёт к закрытию Q3 и свечение светодиода D1 сообщит о том что сработала защита. Снять защиту можно как отключив кратковременно питание, так и кратковременным нажатием на кнопку S1.

Универсальная схема защиты была создана и проверена в работе, шунт R1 был составлен из двух резисторов 0.22 Ом 5Вт. Остался последний шаг — вводим в нвшу схему защиту от переполюсовки клемм АКБ.

Схема с защитой от переполюсовки:


Наша схема дополнилась диодом D2, резисторами R6, R5. Кнопка S1 была убрана из схемы по причине того, что при срабатывании защиты она не выводила схему из защиты, после доработки.

Токовая защита осталась без изменений, снять защиту можно отключив питание на 2-3 секунды. При подключении к выходу схемы АКБ, перепутав полярность, напряжение с АКБ через диод D2, резистор R6 поступает на базу Q2, срабатывает защита Q3 закрывается, светодиод D1 сигнализирует о срабатывании защиты.

На этой волне я заканчиваю поиски защиты для своих простых иип. Работой своих схем доволен, надеюсь они пригодятся и вам.

Приятных вам экспирементов!

ID: 2237

Как вам эта статья?

Добрый день. В этой заметке я хочу предложить вашему вниманию блок питания дополнительного усилителя мощности для портативной радиостанции «Веда-ЧМ» . Выходное напряжение блока питания 24В, номинальный ток нагрузки – 3,5А, порог тока срабатывания защиты от короткого замыкания – 5,5А, ток короткого замыкания – 0,06А.

Общий вид комплекта показан на фото 1.

Схема блока питания представлена на рисунке 1.

Силовой трансформатор блока – перемотанный сетевой трансформатор от старого телевизора ТС-90-1, в качестве первичной обмотки — используются все витки сетевой обмотки трансформатора. Новая вторичная обмотка содержит 2×65 витков провода ПЭТВ-2 диаметром 1,25мм. При отсутствии провода данного диаметра, можно на каждой из катушек намотать по 130 витков проводом диаметром 0,9мм. При этом катушки потом соединяют синфазно параллельно при сохранении схемы мостового выпрямителя. Если эти катушки соединить последовательно, то от двух диодов можно избавиться (Рис.2).

Схема стабилизатора собрана навесным монтажом (1 на фото 2). Конденсаторы С3 и С4 у меня находятся в корпусе усилителя мощности. Цифрой два обозначен дополнительный регулируемый стабилизатор напряжения для питания «Веда-ЧМ», собранного на микросхеме КРЕН12А. Меняя напряжение питания самой радиостанции, можно менять в некоторых пределах выходную мощность излучения усилителя. Схему этого стабилизатора можно найти в рубрике «Блоки питания» — «Стабилизатор напряжения на КР142ЕН12А». Индикатор перегрузки работает следующим образом. Напряжение на конденсаторах фильтра выпрямителя С1и С2 примерно равно 37 вольт, учитывая, что выходное напряжение – 24В, напряжение между точками 1 и 2 будет находиться в районе13 вольт, которого не хватит для пробоя стабилитронов VD5, VD6,

Простая схема регулируемого блока питания на транзисторах с защитой от перегрузки по току и КЗ. Пояснение принципа действия и работы данной схемы.

 

 

 

 

В этой статье предлагаю рассмотреть достаточно простую схему, классический вариант, блока питания с регулировкой выходного напряжения и тока срабатывания защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания. Новичкам, которые первый раз видят данную схему наверняка будет не совсем понятен сам принцип действия и работа этого устройства. А что касается надежности этой схемы, то она уже проверена многими годами и многими радиолюбителями, электронщиками, которые в свое время обязательно должны были собирать этот регулируемый блок питания для своих различных электронных устройств. Так что схема проста, работоспособна и вполне надежна.

 

схема регулируемого блока питания на транзисторах с защитой от перегрузки по току и КЗ

 

 

 

 

Давайте разберем эту схему. Вначале стоит обычный трансформаторный блок питания подходящей мощности. Поскольку в самой схеме регулятора напряжения стоит силовой транзистор КТ817, который может через свой переход коллектор-эмиттер пропустить до 3х ампер, то этим током пока и ограничимся. Итак, наш регулируемый блок питания будет выдавать на своем выходе постоянное напряжение от 0 до 12 вольт, с максимальной силой тока до 3 А. Следовательно максимальная рабочая мощность блока питания будет около 36 Вт (мы 12 В умножаем на 3 А). Поскольку трансформаторы такой мощности имеют КПД примерно равный 80%, то этот трансформатор у нас должен быть мощностью где-то 50 Вт.

 

какой трансформатор лучше поставить на самодельный регулируемый блок питанияЧтобы мы на выходе данного блока питания получили свои максимальные 12 вольт, то нужно чтобы наш трансформатор на вторичной обмотке выдавал переменное напряжение не менее 13,5 вольт. Почему так. Просто небольшая часть напряжения, а именно где-то 1,2 вольта потеряется на схеме стабилизатора напряжения. Ну об этом чуть позже. В итоге, нужно найти трансформатор мощностью около 45-60 Вт, вторичная обмотка которого может обеспечить ток до 3 ампер и напряжение 13,5-15 вольт. Ну, и желательно чтобы размеры этого трансформатора были подходящими, компактными, а это значит что лучше приобретать тор (круглая форма магнитного сердечника). В таких трансформаторах и размеры меньше и КПД выше. На входе первичной обмотке желательно предусмотреть плавкий предохранитель (на схеме обозначен как Z1), который в случае чего обезопасит схему блока питания от выгорания трансформатора.

 

какой диодный мост выпрямитель поставить на регулируемый блок питанияДалее пониженное переменное напряжение, что выходит со вторичной обмотки трансформатора, поступает на диодный выпрямительный мост. Задача моста проста, сделать из переменного тока постоянный, то есть его выпрямить. На схеме я указал, что эти диоды в мосте D1 должны быть типа 1n4007, но изначально схема была нарисована на выходной тока до 1ого ампера. Именно этот ток (до 1 А) могут обеспечить данный тип диода. Поскольку мы уже делаем блок питания на 3 ампера, то либо нужен соответствующий диодный мост типа BR310 (можно и даже нужно делать запас по току и брать мосты ампер так на 5 или 6) либо же соединить параллельно 3 или 4 моста с диодами 1n4007. Обратное напряжение диодов моста должно быть, естественно, больше, чем напряжение, что на них подается.

 

какой конденсатор поставить на диодный мост в блоке питания с защитой по токуНо как известно после диодного моста выходит пульсирующее напряжение, хотя оно уже и не меняет свою полярность. Чтобы эти пульсации убрать, или по крайней мере их свести к минимуму, то обычно для этого ставиться обычный фильтрующий конденсатор электролит. В схеме он обозначен как C1 и его емкость 500 микрофарад, хотя можно поставить и побольше, микрофарад так на 5000, будет только лучше. Учтите, что напряжение конденсаторов должно быть чуть больше того, которое на них подается в схеме при работе. Поскольку в противном случае возникает опасность выхода из строя данного конденсатора. Даже может бабахнуть.

 

Далее в регулируемом блоке питания, с защитой по току от КЗ и перегрузок, стоит сама схема, которая выполняет функцию регулируемого стабилизатора напряжения, и токовой защиты. В начале этой схемы стоит обычный параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона VD1 и резистора R1.

 

Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне для блока питания

 

На стабилитроне оседает опорное напряжение, то на какое рассчитан сам стабилитрон. В этой схеме нужен стабилитрон с напряжением стабилизации 13,5 вольт (14 В). Причем стоит заметить, выходное напряжение будет равно напряжению стабилитрона плюс 1,2 вольта, что потеряются на составном транзисторе, состоящем из VT1 и VT2 (на их базо-эмиттерном переходе).

 

Напряжение питание должно быть больше хотя бы на 0,5-2 вольта, чем напряжение стабилитрона. Именно эта добавленное напряжение и нужно для нормальной, стабильной работы стабилитрона (параметрического стабилизатора). Сам стабилитрон можно поставить например Д814Д, либо поставить несколько параллельно соединенных стабилитронов и диодов, общее напряжение стабилизации чтобы было равно 14 вольтам.

 

Параллельно стабилитрону подключен переменный резистор R2. Именно им осуществляется регулировка величины выходного напряжения. Со среднего вывода этого резистора, относительно минуса, напряжение снимается и подается на базу первого транзистора VT1 (составного). Этот составной транзистор состоит из VT1 и VT2 и включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). А как известно, при таком подключении транзисторов усиление происходит только по току, напряжение же остается практически неизменным, и даже чуть меньше. И получается, что какое напряжение будет падение напряжения на составном транзисторе в блоке питаниявыставлено на переменном резисторе, то такое напряжение (с вычетом 1,2 В) и будет на выходе регулируемого блока питания. Но при этом через составной транзистор будет проходит максимально возможный ток, ограничивается только величиной нагрузки и максимально допустимым током самих силовых транзисторов (напомню, что КТ817 может выдерживать до 3 ампера). Этот транзистор следует установить на радиатор для лучшего охлаждения.

 

Ну и теперь что касается функции защиты по току от короткого замыкания и чрезмерной перегрузки. Как видно на схеме коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT3 подключен параллельно выводам переменного резистора, с которых снимается регулируемое напряжение. Следовательно, если этот транзистор защиты по току будет открываться, то тем самым он будет способствовать снижению выходного напряжения. А это, естественно, приведет и к снижению величины силы тока в нагрузке. Ну, а чтобы транзистор защиты начал открываться, нужно появление напряжения на его базо-эмиттерном переходе, который подключен к еще одному переменному резистору R3. Именно этим резистором можно регулировать силу тока перегрузки и КЗ. Этот переменный резистор подключен к еще одному резистору R4, который и выполняет роль датчика величины тока в цепи нагрузки.

 

аналогия электрических сопротивлений в узле защиты по току в блоке питанияРабота этого датчика тока проста. На рисунке под схемой (в нижнем, правом углу) можно увидеть три последовательно соединенных резистора, что соответствует сопротивлениям силового транзистора (коллекторно-эмиттерный переход), сопротивления самой нагрузки и сопротивления резистора R4. Если мы увеличим нагрузку, уменьшив ее сопротивления, то напряжение будет перераспределяется между другими сопротивлениями в этой цепи. Следовательно на резисторе R4 при перегрузке или коротком замыкании увеличится напряжение, что и приведет к открытию защитный транзистор VT3. Сопротивления датчика тока R4 можно подбирать под нужный диапазон тока перегрузки и его величина может быть от 0,1 до 10 Ом. При этом мощность этого сопротивления должна быть не менее 1 Ватта.

 

Ну и на выходе нашего блока питания стоит еще один конденсатор электролит, который еще лучше фильтрует возможные пульсации, делая выходное постоянное напряжении более стабильным и ровным. Его емкость может быть от 500 мкф до 2200 мкф и напряжением 16 или 25 вольт.

 

Видео по этой теме:

 

 

ps smail

P.S. Эта схема проверена десятилетиями, и она собиралась и успешно использовалась многими электронщиками и радиолюбителями. Так что если Вы начинающий электронщик, обязательно попробуйте собрать эту схему. При чем она начинает работать сразу после сборки, ну а если что-то не получается, сначала попытайтесь понять сам принцип действия этой схемы, который я описал в данной статье. Ну, а на этом пожалуй и все, удачи и благополучия в делах.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о