Защита блока питания от КЗ — схемы на транзисторах и реле для регулируемого БП
Содержание
- Принцип работы защиты от короткого замыкания
- Примеры схем и их описание
- На биполярном транзисторе
- На полевом транзисторе
- На тиристоре
- На реле
Короткое замыкание (и перегрузка, как частный случай), являются самой опасной аварийной ситуацией при эксплуатации блока питания. И дело не только в повышенной вероятности выхода из строя элементов силовой цепи БП. Термическое действие многократно выросшего тока может привести к возгоранию изоляции проводников и дальнейшему развитию пожара.
У мощных БП также могут возникнуть значительные динамические усилия в токоведущих элементах, исходом которых будет смещение проводников и их механическое повреждение. Поэтому защита от КЗ для источников питания – не роскошь, а насущная необходимость.
Принцип работы защиты от короткого замыкания
Типовая структурная схема защиты БП от сверхтока.
Большинство схем представляют собой отдельный узел, который можно применить в любом устройству (с поправкой на номинальный ток). Его можно встроить в уже имеющийся блок питания или собрать в отдельном корпусе.
Короткое замыкание сопровождается двумя явлениями:
- увеличение тока;
- снижение напряжения (чем ближе к месту КЗ, тем больше снижение, а в месте короткого замыкания оно равно нулю).
Большинство устройств защиты используют первый признак. Датчиком тока обычно служит резистор с номиналом от нескольких сотых до единиц Ом. Проходящий ток создает пропорциональное падение напряжение на шунте – чем больше ток, тем больше напряжение. Схема сравнения сравнивает это напряжение с заданным уровнем, и, при достижении порога, дает сигнал на размыкание ключевого элемента, ток прерывается. Узел индикации подает световой или звуковой сигнал о срабатывании защиты. Недостаток такого решения – КЗ может произойти до места установки измерительного шунта, и тогда защита не сработает.
В импульсных блоках питания с ШИМ-регулированием защита может быть построена несколько по-другому.
Типовая схема защиты импульсного БП с ШИМ-регулированием.Ток измеряется непосредственно в цепи импульсного трансформатора. Напряжение так же сравнивается с заданным значением, при превышении происходит воздействие на ШИМ-регулятор. Генерация либо прекращается полностью, либо напряжение снижается до безопасного уровня. Минусом является ограниченная область (только БП с PWR-регулированием) и привязка к конкретной схемотехнике БП. Зато сверхток контролируется на всех участках силовой цепи.
Примеры схем и их описание
Схемы защиты блока питания от замыкания на выходе или перегрузки строятся на разной элементной базе. Их можно разделить по типу применяемого в качестве ключа элемента.
На биполярном транзисторе
Схема защиты от сверхтока на биполярном транзисторе.Несложную защиту от КЗ можно собрать на биполярном транзисторе. В качестве измерительного шунта применено сопротивление на 0,5 Ом.
В исходном положении транзистор T1 открыт (через резистор R1). Транзистор T2 закрыт. При увеличении тока через шунт и достижения на нем напряжения, достаточного для открывания транзистора T2, на базе T1 напряжение падает почти до нуля, он закрывается, прерывая ток. При этом загорается светодиод, сигнализируя о КЗ. При уменьшении тока ниже предела, схема возвращается в исходное положение.
При напряжении БП выше 25 и ниже 8 вольт, возможно, придется подобрать резистор R1 так, чтобы ключевой транзистор был надежно открыт. Резистор R3 можно применить готовый керамический или сделать из нихрома.
Керамический 10-ваттный резистор 0,5 Ом.Ток срабатывания устанавливается подбором сопротивления шунта – чем оно выше, тем при меньшем токе сработает защита. Также на ток срабатывания влияет сопротивление резистора R2 и коэффициент усиления транзистора T2, в качестве которого может быть применен любой маломощный прибор структуры n-p-n.
Рабочий ток ограничен наибольшим током коллектора ключа, в качестве которого может быть применен мощный транзистор n-p-n.
| Тип транзистора | Максимальный ток коллектора, А |
|---|---|
| КТ819 | 10 |
| КТ729А(Б) | 30(20) |
| 2N5490 | 7 |
| 2N6129 | 7 |
| 2N6288 | 7 |
| BD291 | 6 |
| BD709 | 6 |
Врожденный недостаток подобного схемотехнического решения – через ключ течет полный ток нагрузки (и ток КЗ до момента закрывания транзистора). Поэтому ключевой элемент надо устанавливать на радиатор соответствующих размеров.
На полевом транзисторе
Этот недостаток можно несколько сгладить применением в качестве ключа полевого транзистора. Его сопротивление в открытом состоянии заметно ниже, значит, и рассеиваемая на нем мощность также меньше. Да и ток нагрузки ограничивается в меньшей степени.
Защита от КЗ на полевом транзисторе.
Здесь ключ находится в отрицательной шине выходного напряжения. В исходном положении полевой транзистор открыт напряжением, поступающим через светодиод. Ток в этой цепи очень мал, светодиод не светится. Транзистор Т2 закрыт. При увеличении тока потребления напряжение на шунте R1 начинает расти, когда оно увеличится до уровня открывания Т2, ключ T1 закроется, а ток через светодиод увеличится, индицируя об активации защиты. Уровень срабатывания регулируется выбором сопротивления шунта.
Транзистор T2 любой маломощный. Т1 должен быть рассчитан на полный ток нагрузки. Можно применить транзисторы из таблицы или другие подходящие по току и напряжению.
| Тип транзистора | Максимальный ток стока, А |
|---|---|
| IRFZ40 | 50 |
| IRFZ44 | 41-55 (в зависимости от исполнения) |
| IRFZ46 | 46-55 (в зависимости от исполнения) |
| IRFZ48 | 61-72 (в зависимости от исполнения) |
Если рабочий ток превышает 8.
.10 ампер, ключ надо установить на радиатор.
На тиристоре
Если нет мощного транзистора, защиту можно собрать и на тиристоре. Особенности данной схемы:
- используется второй признак короткого замыкания – снижение напряжения;
- защита работает в цепи выпрямленного (пульсирующего) напряжения (без сглаживающих конденсаторов).
Вторая особенность обусловлена тем, что тиристор выключается во время очередного снижения напряжения до нуля в конце полупериода. При постоянном напряжении он не закроется, пока не будет отключена нагрузка (или не выключится блок питания). Поэтому сфера применения этой схемы ограничена трансформаторными зарядными устройствами (аккумуляторам сглаживание напряжения не нужно).
Во время работы схемы, в начале каждого полупериода напряжение на делителе P1R4 возрастает, транзистор Т1 открывается, подавая напряжение на управляющий электрод тиристора. VS1 тоже открывается, пропуская полуволну синусоиды в нагрузку.
Когда напряжение спадает, транзистор закрывается. Закрывается и тиристор, ведь в момент перехода через ноль ток через него падает до уровня, меньшего тока удержания. В новом полупериоде все повторяется снова. Если в результате КЗ напряжение на выходе снизится, транзистор не сможет открыться, не откроется и тиристор. Когда ток упадет номинального уровня, напряжение на выходе восстановится, и тиристор вновь откроется. Ток (точнее, напряжение) срабатывания устанавливается потенциометром Р1.
Читайте также
Импульсный блок питания – подборка схем для самостоятельного изготовления
К недостаткам схемы можно отнести низкое быстродействие – если замыкание произойдет в начале полупериода, до отключения придется ждать его окончания – это 0,01 секунды (плюс время срабатывания тиристора), что достаточно много. Другая проблема – если замыкание произойдет в электрически удаленной точке и мощность источника будет высокой, необходимого снижения напряжения может и не произойти.
Кроме того, снижение напряжения может произойти и не по причине сверхтока, и произойдет ложное срабатывание.
На реле
Несложную защиту моно выполнить на одном электромагнитном реле. Ее особенность в том, что реле является измерительным органом, пороговой схемой и ключевым элементом одновременно.
Защита от КЗ на одном реле.В исходном положении контакты реле находятся в положении, указанном на схеме. Положительная шина разомкнута, напряжения на выходе нет. При нажатии на кнопку S1 реле срабатывает, перекидной контакт переключается и обмотка реле самоблокируется во включенном положении. Загорится зеленый светодиод.
При возникновении короткого замыкания или перегрузки, достаточной для просадки выходного напряжения, напряжение снизится до уровня ниже напряжения удержания реле (оно всегда ниже напряжения срабатывания), реле отпустит, напряжение на потребителе исчезнет, зеленый светодиод погаснет, а красный загорится. Схема вернется в исходное положение, а для подачи напряжения на выход потребуется вновь нажать кнопку.
Рекомендуем: Сборка самодельного блока питания с регулировкой напряжения и тока
Кроме недостатков, характерных для всех схем, отслеживающих падение напряжение в результате сверхтока, данное решение имеет свои минусы. Ток срабатывания невозможно настроить — только подбором реле. Для выбора надо иметь запас элементов. Второе – точность настройки уровня отключения будет низкой. Ток срабатывания зависит от состояния механической части реле – упругости пружины, трения в поворотном механизме якоря и т.п. А оно может меняться при воздействии окружающей среды или просто со временем. Также следует учитывать механический износ и подгорание контактов реле при многократных срабатываниях.
Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.
youtube.com/embed/VVRZD0eV3nY?feature=oembed” frameborder=”0″ allow=”accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture” allowfullscreen=””/>Приведенные схемы не являются исчерпывающими. В литературе и интернете можно найти и другие узлы, но рассмотренные принципы построения являются базовыми, и понимание их работы позволит разобраться и в работе других, более сложных схем.
Защита блока питания от короткого замыкания
Для питания своих конструкций радиолюбители нередко используют простейшие блоки, состоящие из понижающего трансформатора и выпрямителя с конденсатором фильтра. И, конечно, в таких блоках нет никакой защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке, хотя оно подчас приводит к выходу из строя выпрямителя и даже трансформатора.
Применять в таких блоках питания в качестве элемента защиты плавкий предохранитель не всегда удобно, да и, кроме того, быстродействие у него невысокое. Один из вариантов решения проблемы защиты от КЗ — включение последовательно с нагрузкой полевого транзистора средней мощности с встроенным каналом.
Дело в том, что на вольт-амперной характеристике такого транзистора есть участок, на котором ток стока не зависит от напряжения между стоком и истоком. Поэтому на этом участке транзистор работает как стабилизатор (ограничитель) тока.
Вольт-амперные характеристики транзистора для различных сопротивлений резистора R2 приводятся на рис. 7.1. Работает защита так. Если сопротивление резистора R2 равно нулю (т.е. исток соединен с затвором), а нагрузка потребляет ток около 0,25 А, то падение напряжения на полевом транзисторе не превышает 1,5 В, и на нагрузке будет практически все выпрямленное напряжение. При появлении же в цепи нагрузки замыкания ток через выпрямитель резко возрастает и при отсутствии транзистора может достичь нескольких ампер.
Транзистор ограничивает ток короткого замыкания на уровне 0,45…0,5 А независимо от падения напряжения на нем. В этом случае выходное напряжение станет равным нулю, а все напряжение упадет на полевом транзисторе.
Таким образом, в случае КЗ мощность, потребляемая от источника питания, увеличится в данном примере не более чем вдвое, что в большинстве случаев вполне допустимо и не отразится на «здоровье» деталей блока питания.
Уменьшить ток короткого замыкания можно увеличением сопротивления резистора R2. Нужно подобрать такой резистор, чтобы ток короткого замыкания был примерно вдвое больше максимального тока нагрузки.
Подобный способ защиты особенно удобен для блоков питания со сглаживающим RC-фильтром. Поскольку во время КЗ на полевом транзисторе падает почти все выпрямленное напряжение, его можно использовать для световой или звуковой сигнализации. К примеру, схема включения световой сигнализации показана на рис. 7.2.
Когда с нагрузкой все в порядке, горит светодиод HL2 зеленого цвета.
При этом падения напряжения на транзисторе недостаточно для зажигания свето-диода HL1. Но стоит появиться КЗ в нагрузке, как светодиод HL2 гаснет, но зато вспыхивает HL1 красного свечения. Резистор R2 выбирают в зависимости от нужного ограничения тока КЗ по высказанным выше рекомендациям. Схема подключения звукового сигнализатора замыкания приведена на рис. 7.3. Его можно подключать либо между стоком и истоком транзистора, либо между стоком и затвором, как светодиод HL1.
При появлении на сигнализаторе достаточного напряжения вступает в действие генератор ЗЧ, выполненный на однопереходном транзисторе VT2, и в головном телефоне BF1 раздается звук.
Однопереходный транзистор может быть КТ117А…КТ117Г, телефон — низкоомный (можно заменить динамической головкой небольшой мощности). Остается добавить, что для слаботочных нагрузок в блок питания можно ввести ограничитель тока КЗ на полевом транзисторе КП302В. При выборе транзистора для других блоков следует учитывать его допустимую мощность и напряжение сток-исток.
Полное описание этого устройства приводится в [103].
Защита МОП-транзисторов от коротких замыканий и перегрузок
Если вы беспокоитесь о безопасности своей схемы и хотите реализовать базовую защиту своих МОП-транзисторов от коротких замыканий или перегрузок, прочтите эту статью.
(Эта статья была обновлена 7 февраля 2023 г.)
Введение :
МОП-транзистор — это полупроводниковое устройство, которое может управлять большими нагрузками через клемму затвора. По мере того, как вы управляете периферийными устройствами с более высокой мощностью, вам необходимо внедрять надежные механизмы защиты как для вашей схемы, так и для нагрузки. Это предотвратит катастрофические пожары и повреждение цепи.
Поскольку вы управляете приводом затвора, чтобы включить полевой МОП-транзистор для подачи питания на его нагрузку, вы должны быть в состоянии предсказать, когда это произойдет и какое количество энергии он может подавать на свою нагрузку.
С помощью этих данных вы сможете сгенерировать механизм управления в виде схемы и написать прошивку, чтобы точно определить время этого события.
После того, как вы успешно защитите свою цепь и нагрузку, вы будете более уверенно развертывать свои платы в полевых условиях. В следующей части мы обсудим основные принципы работы полевого МОП-транзистора, чтобы помочь вам понять, как его эффективно защитить.
Часть 1. Как работают МОП-транзисторы?
MOSFET означает полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. Как следует из названия, он работает, контролируя электрическое поле через свой терминал Gate , так что вы можете контролировать поток тока между его стоком и истоком. Существует 2 различных типа МОП-транзисторов, а именно N-канальные и P-канальные типы, показанные ниже:
Использование МОП-транзисторов имеет несколько преимуществ по сравнению с другими типами полупроводниковых драйверов. Во-первых, его управляющий терминал (затвор) работает с очень небольшим током.
Это свойство позволяет использовать полевой МОП-транзистор с микроконтроллерами с ограниченным выходным напряжением. Во-вторых, это в первую очередь устройство, управляемое напряжением. Это означает, что если вы имеете дело с цифровой логикой, вас будет интересовать только преодоление порогового напряжения ее включения (VGS). Вам не нужно беспокоиться о его характеристиках управления током затвора, в отличие от тех, которые используются на базовой клемме биполярного транзистора.
| MOSFET | BJT |
| Управляемый напряжением | Управляемый током |
| Очень низкий ток затвора требуется для правильного расчета базового тока устройства | 0 90. |
| Для включения устройства требуется пороговое напряжение VGS | Для включения устройства требуется пороговое напряжение VBE только основные компоненты полки. Об этом пойдет речь в следующей части.Часть 2. Как защитить полевой МОП-транзистор с помощью BJT Рассмотрим полевой МОП-транзистор N-канального типа, который включается, когда на его вывод затвора подается положительное напряжение 5 В. Здесь у нас есть полевой МОП-транзистор Q1, который управляет светодиодом питания D1. Резистор R3 здесь как раз используется для компенсации внутренней паразитной емкости MOSFET в случае, если мы будем переключать затвор на более высокие частоты. Резистор R4 используется как понижающий в случае, если линия MCU_I/O_port переходит в режим высокого импеданса. Теперь давайте реализуем защиту от короткого замыкания или перегрузки для этой схемы, добавив маломощный биполярный транзистор Q2, измерительный резистор R2 и схему на ОУ. Падение напряжения на этом токоизмерительном резисторе пропорционально току нагрузки и клемм сток-исток. Выберите значение этого резистора таким образом, чтобы оно создавало достаточное падение напряжения для включения VBE биполярного транзистора при возникновении тока перегрузки. Когда это произойдет, ваш биполярный транзистор компенсирует и понизит напряжение затвора MOSFET таким образом, что схема будет вырабатывать ток нагрузки только до состояния перегрузки. Обратите внимание, однако, что вам понадобится полевой МОП-транзистор, способный справиться с требованиями по питанию в этом состоянии перегрузки. Попробуйте полностью отключить нагрузку. Вы увидите, что большая часть падения напряжения вашего источника питания приходится на ваш полевой МОП-транзистор (за вычетом лишь небольшого падения напряжения на чувствительном резисторе). Умножение этого падения напряжения на ток перегрузки представляет собой рассеиваемую мощность вашего полевого МОП-транзистора. В это время вы должны спланировать способ отключения вашего полевого МОП-транзистора, если он не может бесконечно справляться с этим состоянием перегрузки (за исключением случаев, когда вы решите установить ограничительный резистор последовательно с вашей нагрузкой), чтобы он не вышел из строя. Эта ситуация будет рассмотрена в следующей части. Часть 3. Создание микропрограммы для выхода из состояния перегрузки Теоретически, используя операционный усилитель в сочетании с АЦП вашего микроконтроллера, вы сможете обнаружить это состояние перегрузки, а затем что-то с этим сделать. Поскольку измерительный резистор выдает только небольшие напряжения, была добавлена схема OP-AMP. Кроме того, были добавлены некоторые компоненты фильтрации нижних частот, R5, C2, R8 и C1. Это предотвратит ложные срабатывания, которые могут привести к срабатыванию механизма защиты от перегрузки вашей цепи. Используйте внешние методы фильтрации и/или делайте это с помощью кода. Часть 4. РезюмеМы обсудили основные характеристики полевых МОП-транзисторов и способы защиты их выхода от коротких замыканий и перегрузок. Мы также включили способы обнаружения и фиксации состояния перегрузки с помощью операционного усилителя и АЦП вашего микроконтроллера. защита – Защитите N-MOSFET от короткого замыкания и перегрузкиПрежде всего, для защиты микроконтроллера рекомендуется использовать резистор 33 Ом между выводом PWM и затвором MOSFET или транзистора. Хотя вывод ШИМ должен иметь значение Ради защиты вашего МОП-транзистора, если ваша токовая нагрузка не выше, чем потребляемый ток МОП-транзистора или Icc транзистора, вам не нужно беспокоиться об этом, если вы используете его только для управления светодиодами или даже лампами. Большинство полевых МОП-транзисторов могут пропускать до 3 ампер тока, в то время как обычные транзисторы не так много. Используйте измеритель тока, чтобы проверить, сколько тока потребляет ваше устройство на самом высоком уровне (например, когда все его части включены на самом высоком уровне и скорости). Тем не менее, вам также следует предусмотреть дополнительную защиту, если внутри вашего устройства есть какие-либо электромагнитные катушки, такие как соленоиды, моторы и реле. Что касается вашего случая, вы планируете использовать двигатель с катушкой внутри, поэтому постарайтесь поставить диод рядом с двигателем и вдали от МОП-транзистора (если возможно), чтобы отвести нежелательный обратный ток. Больше новостей |
Лучше всего отключить МОП-транзистор, установив на его затворе низкое напряжение, а затем зафиксировать это состояние. Сообщите пользователю о перегрузке или коротком замыкании, включив светодиод, чтобы он мог устранить это состояние. Затем попросите его переопределить это событие фиксации, нажав кнопку или сбросив MCU. Преимущество этой схемы (по сравнению с простой схемой защиты BJT) заключается в том, что вы можете информировать пользователя о том, что ваша нагрузка приближается к пороговому пределу, еще до того, как произойдет перегрузка. Вы даже можете отобразить текущее значение. У вас есть эта функция из-за комбинации OP-AMP ADC.
Рекомендуется передискретизировать ваши данные, чтобы устранить шум, который может привести к ложным срабатываниям.
Я бы сказал, что 10 кОм или даже 1 кОм будет достаточно, это зависит от уровня шума и потребляемой мощности. Используйте сопротивление 1 кОм в средах с высоким уровнем шума.
Это побочный эффект, называемый индуктивностью. 