Меню

Защита источника питания от перегрузки по напряжению

Устройство защита от перенапряжения электрических схем и приборов

Устройство защита от перенапряжения-01

Устройство защита от перенапряжения электронных схем. Все электронные устройства нуждаются в схемах защиты. Они используются, как следует из названия, для защиты источника питания от возникновения в цепи чрезмерного тока в результате перегрузки или короткого замыкания.

Кроме этого, такое устройство используется для защиты схемы, подключенной к источнику питания, у которого слишком большое выходное напряжение, превышающее расчетное или перепутана полярность при подключении. Все подобные электронные приборы можно классифицировать следующим образом:

Устройство защита от перенапряжения для источников питания

Схема “crowbar” (показанная на рис.1) это и есть устройство защита от перенапряжения. При нормальном использовании, питание 12В подается на выход через диод обратной защиты и предохранитель. Стабилитрон выбран с немного большим напряжением; в данном случае 15В. Когда входное напряжение достигает 15В, стабилитрон проводит ток, создавая напряжение на R2.

ТиристорКогда оно достигает триггерного напряжения SCR (менее 1В), тиристор SCR срабатывает, создавая короткое замыкание на входе, которое вызывает перегорание предохранителя. C1 гарантирует, что импульсы, вызванные переходными процессами переключения, не запускают тиристор SCR. SCR и стабилитрон должны выдерживать импульсный пусковой ток, пока не перегорит предохранитель.

Устройство защита от перенапряжения-1

Защита от перенапряжения

Устройство защита от перенапряжения-10

Версия для ПК вышеуказанной схемы

На рис.2 показана почти такая же схема, за исключением того, что стабилитрон был заменен регулируемым стабилитроном D5. Изменяя напряжение на его входе с помощью R6, вы можете установить напряжение запуска, что обеспечивает большую гибкость. Наконец, на рис.3 изображена эта же схема, только с добавленным в цепь регулятора напряжения светодиодный индикатор, который сигнализирует при перегорании предохранителя, а также ниже, изображение готовой платы.

Программируемое устройство защита от перенапряжения

Рис.2 Программируемое устройство защита от перенапряжения

Схема регулятора с защитой от перенапряжения

Рис.3 Схема регулятора с защитой от перенапряжения

Устройство защита от перенапряжения-11

Готовая печатная плата для указанной выше схемы

ВаристорЕще одна форма перенапряжения — это скачок напряжения в линии электропередачи. Скорее всего, это проблема со стороны электросети переменного тока. Часто применяемое техническое решение состоит в том, чтобы подключить параллельно источнику питания переменный MOV-варистор.

MOV (Металл-оксидный варистор с переменной величиной), похож на резистор большого номинала (несколько сотен кОм), который очень быстро реагирует на повышение напряжения. Во время кратковременного падения напряжения, его сопротивление становится достаточно низким, тем самым предохраняя цепь от скачка. См. Рис.4 ниже.

Защита с помощью подстроечного варистора MOV

Рис.4 Защита с помощью подстроечного варистора MOV

Защита от критического значения тока

В предыдущей статье мы рассмотрели регуляторы и способы ограничения их тока. Давайте посмотрим на это еще раз.

На рис.5 Q8 — это магистральный входной транзистор, регулируемый цепочкой Q10 и D8. R19 и Q9 — эта часть схемы контролирует максимальный ток. Если напряжение между базой и эмиттером Q9 достигает 0,6 В, Q9 начинает включаться, тем самым гасит ток в базе Q8, принуждая его отключаться.

Фокус заключается в подборе номинала R19 таким образом, чтобы при токе отсечки, напряжение снижалось на 0,6V. Итак, если мы хотим отключиться на токе 2А, R = V/I = 0,6/2 = 0,3 или 0,33 Ом. Поскольку этот резистор пропускает через себя полный ток нагрузки, он должен быть рассчитан на мощность не менее 5 Вт.

Обратите внимание, что вы должны на компонентах, которые будут нагреваться, оставить длину выводов немного побольше, и увеличить под них площадь радиатора охлаждения на печатной плате. Кроме того, припаяйте его, чтобы значительно повысить его способность рассеивать тепло (но не делайте этого с радиочастотными компонентами!)

Стабилизатор с максимальной токовой защитой

Рис.5 Стабилизатор с максимальной токовой защитой

Еще одно устройство защита от перенапряжения

Конечно, есть и другие устройства защиты от перегрузки по току, такие как предохранители и автоматические выключатели для большого переменного тока, наверняка они имеются в линии электроснабжения и вашего дома.

Предохранители — это просто специальная тонкая проволока, которая быстро нагревается и плавится. К ним можно еще добавить различные устройства, такие как пружины растяжения, чтобы они медленнее взрывались, и порошок, окружающий предохранительный провод, чтобы предотвратить разбивание стекла при его взрыве. Обычно выбираются предохранители с номиналом 150% от нормального тока. Вот здесь есть хорошая статья о предохранителях.

Автоматические выключатели — это отдельная тема. Но в общем, это простые переключатели, у которых есть механизм их отключения. В обычном автоматическом выключателе — это биметаллическая полоса, через которую течет ток и изгибается при нагревании.

Затем он механически присоединяется к механизму отключения и срабатывает при определенном токе. Автоматические выключатели также имеют небольшую индуктивную составляющую, поэтому автоматический выключатель может отключаться медленно при перегрузке или очень быстро при коротком замыкании.

Защита от обратной полярности

Защита от обратной полярности является наиболее простой для реализации. Подойдет простой диод в цепи входящего питания. Но для этого он должен быть соответствующего номинала. На Рис.6, выпрямительный диод 1N4006 имеет номинальный ток 1А и PIV (пиковое обратное напряжение) 800V, поэтому его должно хватить для большинства схем.

Читайте также:  Как измерить напряжение при помощи осциллографа

Диод создает постоянное падение напряжения от 0,6 до 0,7V, но это не должно быть проблемой. Однако, если у вас есть цепь, которая должна работать при очень низком напряжении, падение 0,6V на последовательном диоде может стать проблемой. В этом случае нужно установить шунт, на рис.6 (справа) показан шунтирующий диод.

Когда входное напряжение меняется на противоположное, диод проводит ток, вызывая перегорание предохранителя. Он действительно работает, но есть некоторые вещи, о которых следует знать, например: диод должен выдерживать полный ток источника питания в течение времени, которое требуется для срабатывания предохранителя. Это будет достаточно, хотя потребуется диод рассчитанный на ток не менее 5-10А.

Рис.6 Защита от обратного напряжения

Защита от обратной полярности, обратной ЭДС

Есть еще одна форма защиты от обратной полярности, которая возникает, когда вы этого не ожидаете. Каждый раз, когда индуктивность, несущая ток, отключается, накопленное магнитное поле в катушке должно рассеяться, поэтому, ток будет пытаться сделать это в обратном направлении, через свои выводы.

Мало того, это могут быть сотни вольт. (Так работают автоматические свечи зажигания старого образца.) Вы также можете защитить свое устройство от этой обратной ЭДС, используя перевернутый диод включенный параллельно индуктивности, как показано на рис.7. Обратите внимание, что диод 1N4006 должен иметь при этом высокое пиковое обратное напряжение.

Защита от обратной ЭДС

Рис.7 Защита от обратной ЭДС

Примечание: помните, что предохранители работают медленно. Бытует шутка, что транзистор за 50 долларов часто перегорает первым, чтобы защитить предохранитель на 10 центов!

Источник

Универсальные БП с защитой от перегрузок и К.З.

Предлагаю несколько несложных схем универсальных блоков питания для наладки, проверки и ремонта различного радио и электрооборудования. Предлагаемые блоки питания двухполярные, но можно использовать, конечно, и только один канал. Все блоки содержат схемы защиты от перегрузки и короткого замыкания (К.З.) на выходе. Здесь представлены разные варианты схем защиты – схема на реле, тиристоре и вообще без реле и тиристоров. Даны также варианты использования так называемых «составных» транзисторов для значительного увеличения выходного тока блока питания, которые можно использовать и в других схемах.

Блок питания с плавной регулировкой выходного напряжения

Блок питания выдает двухполярное напряжение от 1 до 15..18 В при токе нагрузки до 1 А и содержит схему защиты от перегрузки и короткого замыкания на выходе. Им удобно пользоваться при наладке радиосхем и аппаратуры, так как практически исключается возможность вывода из строя различных активных элементов схемы (транзисторов, микросхем и т.д.) при случайной переплюсовке или неправильном монтаже, а также случайных коротких замыканий.

Принципиальная схема блока представлена на рисунке ниже

При изготовлении блока питания у меня стояла задача сделать его размеры минимально возможными, что послужило причиной достаточно плотной компоновки элементов внутри корпуса. Тем не менее этот блок питания используется уже 3 года и работает без каких либо нареканий. Управляющие транзисторы практически не греются и не требуют, поэтому, применения больших теплоотводов. В качестве теплоотвода используется корпус блока, сделанный из пластин фольгированного двухстороннего текстолита. Транзисторы (VT1) крепятся к задней стенке через изоляционные прокладки из слюды.

Фото БП с плавной регулировкой выходного напряжения

В целях экономии места, также, применяется один вольтметр и один амперметр на оба канала. При помощи переключателя типа П2К они могут подключаться к выходу одного из каналов. Применение на выходе постоянно включенного амперметра очень удобно, так как позволяет в любой момент контролировать потребление тока налаживаемой схемы или устройства и, таким образом, вовремя заметить отклонения от нормального режима работы.

Схемы коммутации измерительных приборов переключателями типа П2К:

Схемы коммутации измерительных приборов переключателями типа П2К

Фото БП с плавной регулировкой выходного напряжения

В качестве индикаторов рабочего режима и срабатывания защиты от перегрузки или короткого замыкания используются светодиоды соответственно зеленого и красного цвета свечения подключенные на выходе схемы последовательно с резисторами 2 кОм. (подключение светодиодов показано на принципиальной схеме блока питания).

Фото БП с плавной регулировкой выходного напряжения

Никакого налаживания собранная схема блока питания не требует. Подстроечным резистором R3 устанавливается порог срабатывания схемы защиты. Для этого к выходу каждого канала подключается нагрузка (резистор), соответствующая нужному току, например 0,9А и поворотом движка резистора R3 добиваются срабатывания реле. Чтобы вернуть блок питания в рабочий режим после срабатывания защиты, нужно на несколько секунд выключить блок питания. В схеме можно применить любые другие реле с рабочим напряжением 6 – 12 В и соответствующей группой контактов, например РЭК-53. Тиристоры КУ202 могут быть с любой буквой, можно поставить и КУ101, 104, 105. Операционный усилитель К153УД5 можно заменить на другой, из серии К140 (например К140УД7, К140УД8).

Читайте также:  Каким огнетушителем можно тушить электроустановки под напряжением до 10000в

Простой блок питания с дискретным переключением

Эта схема проще, но также содержит узел защиты от перегрузки и К.З. на выходе. Выходное напряжение здесь задается дискретно, при помощи подключения опорных стабилитронов на разное напряжение стабилизации

Схемы блока питания с дискретным переключением
Рис. 2

Характеристики:
— Uвых = 6 … 25 В (зависит от примененных стабилитронов);
— Iмакс (без теплоотводов) = 200 мА. При применении теплоотводов и «составных» регулирующих транзисторов (описаны далее) – до 2 .. 3 А;
— Уровень пульсаций — около 1 мВ;
— Кстаб = 700.

Стабилитроны VD2 – VD5 задают нужные значения выходного напряжения и переключаются при помощи подходящего кнопочного или галетного преключателя на нужное количество позиций. Ниже приведена примерная таблица соответствия типа стабилитрона и выходного напряжения блока:

Источник



Простые схемы электронных предохранителей для блоков питания.

Эффективные средства защиты источников питания от КЗ и перегрузки по току на
мощных полевых переключающих МОП-транзисторах.
Плавный пуск (Soft Start) — нужен ли он блоку питания с быстродействующей защитой.

На странице (ссылка на страницу) мы познакомились с несколькими простыми схемами электронных предохранителей, предназначенных для работы в составе блоков питания. Главное назначение этих устройств — защита как самих БП, так и подключаемых к ним узлов от короткого замыкания (КЗ) или превышения тока, которое может возникнуть в них в силу той или иной причины.

Основными преимуществами таких устройств защиты (по сравнению с плавкими предохранителями) являются возможность введения регулировки тока срабатывания и высокое быстродействие, позволяющее в большинстве случаев предотвратить выход из строя электронного оборудования.
Основной недостаток, как не странно, тот же самый — высокое быстродействие, приводящее к ложным срабатываниям в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке значительной ёмкостной составляющей (например, могучих электролитов, часто являющихся обязательным атрибутом многих усилителей мощности).
Перемещение этих электролитов с выхода на вход электронного предохранителя во многих случаях приводит к положительному результату, однако, если мы хотим поиметь универсальный блок питания с возможностью работы с различными устройствами, в том числе и с электролитами на борту, приходится озадачиваться и таким прибамбасом, как плавный пуск (или Soft Start по буржуйски).

Давайте более подробно рассмотрим две, на мой взгляд, наиболее удачные схемы электронных предохранителей, бегло описанных на странице по ссылке.
Схема, приведённая на Рис.1, относится к устройствам с резистивным датчиком тока, позволяющим заранее произвести точный расчёт номиналов элементов, а также ввести плавную (посредством переменного резистора) или ступенчатую (посредством переключателя) регулировку тока срабатывания.

Рис.1 Схема электронного предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки по току

На элементах Т1 и Т2 выполнен транзисторный аналог тиристора со стабильным напряжением срабатывания

0,6В. Ток срабатывания этого тиристора, а соответственно и всего предохранителя зависит от номинала резистора R4, который рассчитывается по формуле: R4 (Ом) ≈ 0,6/Iср (А) .
При желании ввести в электронный предохранитель плавную регулировку тока срабатывания, R4 следует заменить на цепочку из последовательно соединённых: постоянного резистора, рассчитанного на максимальный ток, и проволочного переменного номиналом, рассчитанным под минимальный ток срабатывания.
Суммарная мощность, рассеиваемая на этих резисторах при максимальном токе, равна Р(Вт) ≈ 0,6 * Iср (А) .

При включении блока питания и условии отсутствия в нагрузке недопустимых токов предохранитель автоматически устанавливается в рабочее (открытое) состояние. При превышении тока напряжение на R4 достигает уровня открывания Т1 и транзисторный эквивалент тиристора (Т1, Т2) срабатывает и притягивает уровень напряжения на затворе Т3 к напряжению на его истоке, что приводит к закрыванию полевика.
Для возврата электронного предохранителя в рабочее (открытое) состояние необходимо: либо выключить и снова включить источник питания, дождавшись, когда напряжение на его выходе упадёт до нуля, либо нажать кнопку сброса S1.

Если входное напряжение, подаваемое на предохранитель, не превышает 20В, то цепочку R1 D1 допустимо исключить, а нижний вывод R3 подключить к минусу.

Применение источника тока на полевом транзисторе Т4 обусловлено желанием обеспечить ток через светодиод Led1 (индикатор наличия выходного напряжения) на постоянном уровне, независимо от приложенного к предохранителю напряжения. Если электронный предохранитель предполагается использовать при фиксированном напряжении питания, то для простоты этот транзистор можно заменить резистором.

Посредством несложных манипуляций в приведённое выше устройство можно добавить функцию плавный пуск (Soft Start), позволяющую электронному предохранителю избегать ложных срабатываний в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке электролитических конденсаторов значительной ёмкости. Рассмотрим получившуюся схему на Рис.2.

Читайте также:  Инверторные стабилизаторы напряжения 380в

Рис.2 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (положительная полярность)

В начальный момент включения источника питания конденсатор С3 замыкает цепь затвора полевого транзистора Т3 на его исток, заставляя его находиться в закрытом состоянии. По мере заряда конденсатора напряжение на нём (а соответственно и разница потенциалов между истоком и затвором) плавно растёт, что приводит к постепенному открыванию полевика. Длительность данного переходного процесса (от полного закрытия до полного открывания) составляет 15. 20 миллисекунд, чего вполне достаточно для значительного снижения стартовых токов заряда даже очень ёмких электролитов, расположенных в нагрузке.

Для того чтобы после срабатывания защиты вернуть предохранитель в рабочее состояние и сохранить функцию плавного пуска, необходимо не только сбросить транзисторный аналог тиристора, но и дождаться полного разряда конденсатора С3. В связи с этим кнопка сброса перенесена в цепь питания и выполняет функцию обесточивания всего устройства, а дополнительный резистор R7 ускоряет разряд С3 до комфортных 0,3. 0,4 секунд.

Диод D3 выполняет функцию устранения выбросов отрицательной полярности, возникающих на конденсаторе С3 при размыкании S1, а D2 — функцию отсечения этого конденсатора от цепи затвора при срабатывании защиты, что позволяет обойтись без потери быстродействия предохранителя. Диоды могут быть любыми с допустимыми напряжениями, превышающими величину напряжения питания.

Включение датчика тока и коммутирующего транзистора в цепь питания (в нашем случае — в положительную цепь), а не земляную шину позволяет с лёгкостью осуществить релизацию защитного устройства для двуполярных источников. Приведём схему предохранителя и для отрицательной шины двуполяного блока питания.

Рис.3 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (отрицательная полярность)

Всем хороши эти устройства защиты с резистивными датчиками, особенно для цепей с умеренными токами (до 10А). Однако если возникает необходимость предохранять устройства, для которых рабочими являются токи в несколько десятков, а то и сотен ампер, то мощность, рассеиваемая на резистивном датчике, может оказаться чрезмерно высокой. Так, при максимальном токе в нагрузке равном 20А, на резисторе рассеется около 12Вт, а при токе 100А — 60Вт.
Уменьшать уровень срабатывания электронного предохранителя (скажем до 100мВ) посредством введения в схему чувствительного элемента ОУ или компаратора — не самая хорошая затея, ввиду того, что помехи, гуляющие по шинам земли и питания, в сильноточных цепях могут превышать эти пресловутые 100мВ. В таких ситуациях приходится искать другие решения.
Датчик магнитного поля — геркон и несколько сантиметров толстого провода могут стать выходом из положения в источниках питания с максимальными токами вплоть до десятков и сотен ампер.

Датчик тока на герконе

Рис.4 Датчик тока на герконе

При прохождении тока через обмотку, намотанную поверх датчика (Рис.4), внутри неё возникает магнитное поле, которое приводит к замыканию контактов геркона.
Намотав обмотку из десяти (или любого другого количества) витков и измерив ток срабатывания геркона, можно масштабировать это значение на любой интересующий нас ток.
Так например, если геркон КЭМ-1 при десяти витках замыкается при токе через обмотку около 15А, то, намотав 2 витка, мы увеличим ток срабатывания в 5 раз, т. е. до 75 А, а перемещая геркон внутри катушки, сможем регулировать это ток в некоторых пределах вплоть до 85. 90 А.
К достоинствам герконов также можно отнести и относительно высокое быстродействие. Время срабатывания у них, как правило, не превышает 1. 2 миллисекунд.
Всё, что теперь остаётся — это нарисовать триггерную схему мощного транзисторного ключа, управляемого герконовым токовым датчиком.

Рис.5 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки с датчиком тока на герконе

Схема, приведённая на Рис.4, довольно универсальна и позволяет осуществлять защиту устройств от перегрузки в широком диапазоне входных напряжений (9. 80 вольт) без изменения номиналов элементов.
Устройство состоит из транзисторной защёлки, выполненной на элементах Т1 и Т2, и находится в устойчивом состоянии до момента подачи на базу транзистора Т2 короткого положительного или отрицательного импульса.
Для того, чтобы включить электронный предохранитель необходимо нажать на нефиксируемый включатель S1, подав на базу Т2 импульс положительной полярности.
Срабатывает защита от импульса отрицательной полярности, который формируют контакты геркона SF1.
Мощный P-канальный полевой транзистор Т1 следует выбирать с некоторым запасом, исходя из тока срабатывания электронного предохранителя. Если транзистор не удовлетворяет токовым и мощностным характеристикам — допустимо использовать параллельное включение нескольких полупроводников.
Цепочка D1 R6 защищает полевик от недопустимых уровней Uзи при входных напряжениях свыше 20В. Если предохранитель предполагается использовать с меньшими подаваемыми напряжениями, то эту цепочку вполне допустимо исключить.

Источник