Защита от короткого замыкания для источника питания
Обновлено: 05.07.2024
Для защиты источника питания и его нагрузки от неисправностей друг друга требуются компоненты и функции, такие как предохранитель, блокировка минимального напряжения, ломы и зажимы.
Защита питания подобна страховке: вы платите за нее, но надеетесь, что она вам не понадобится. Но это не простая «покупка». Первый вопрос защиты: «Что я хочу защитить и от каких событий?» Ответ двоякий: источник питания и его компоненты нуждаются в защите от сбоев нагрузки, а нагрузка нуждается в защите от сбоев питания.
Второй вопрос: "Какие ошибки?" Это может быть чрезмерный ток или напряжение, от короткого замыкания и связанных с ним высоких токов до переходных процессов и скачков напряжения из-за электростатического разряда (ЭСР) или даже молнии. Некоторые неисправности возникают из-за отказа компонентов, тогда как другие могут быть вызваны ошибкой проводки. Наконец, в некоторых случаях причиной неисправности может быть даже слишком низкое напряжение питания.
Компоненты, которые должны быть добавлены в цепь или систему для обеспечения защиты цепи, мало ценятся. Они не улучшают функциональность и не добавляют гламура, привлекательности или производительности продукта. Они занимают место, увеличивают стоимость, усложняют спецификацию материалов (BOM) и обычно сидят тихо, ничего не делая. Так происходит до тех пор, пока они не понадобятся, когда от них ожидается быстрая реакция и защита других компонентов в цепи от неисправности или даже разрушения.
Защита от любых и всех возможных проблем с электропитанием является сложной, дорогостоящей и, как правило, ненужной. Задача инженера-проектировщика — оценить, нужна ли защита от сбоев; в конце концов, нет особых причин защищать смартфон от скачков напряжения, вызванных молнией.
Существует множество компонентов и методов, связанных с защитой, на выбор. Большинство из них пассивны, но некоторые активны. В этой статье речь пойдет только о пассивных или преимущественно пассивных типах.
Как и в случае с большинством проблем дизайна, существуют пересекающиеся точки зрения на одну и ту же основную тему. Что касается защиты электропитания, вы можете сначала рассмотреть ее с точки зрения потенциальных условий неисправности, а затем вариантов их устранения, или с точки зрения различных компонентов защиты, а затем сбоев, для которых они используются. Цепь или система могут использовать один или несколько уровней и типов защиты. Многие из этих функций защиты встроены в источник питания, будь то ИС преобразователя постоянного тока или более крупный блок переменного тока в постоянный. В других случаях, например, когда инженер проектирует источник питания из отдельных компонентов, может потребоваться добавить некоторые из них.
Все начинается с перегрузки по току и предохранителей
После срабатывания предохранителя подача тока полностью прекращается и может быть восстановлена только заменой самого предохранителя, что является либо преимуществом, либо недостатком, в зависимости от применения. Более сложный автоматический выключатель является альтернативой предохранителю, который не требует замены после срабатывания. Некоторые выключатели активируются термически, некоторые активируются магнитом; в любом случае, подобно предохранителю, прерыватель является устройством, срабатывающим от тока.
Несмотря на то, что предохранитель «древний», он недорогой, надежный, простой в конструкции и эффективный. Доступны базовые предохранители номиналом от 1 А до сотен ампер (рис. 2). Хотя у предохранителей есть номинальное напряжение, это в первую очередь связано с номиналом контактов и физическим расстоянием, поскольку сам предохранитель срабатывает только от протекающего через него тока, а не от напряжения.
Клещи проводят ток, достаточный для поддержания напряжения на нем на безопасном желаемом уровне, когда переходный процесс превышает напряжение проводимости клещей. Он должен быть рассчитан на мощность, которую он должен рассеять в течение определенного времени, обычно относительно короткого переходного процесса. Зажим TVS — кремниевое устройство с биполярным переходом, похожее на базовый выпрямительный диод, но предназначенное для работы в условиях обратного пробивного напряжения — доступно с напряжением пробоя от 4 до 500 В и различной номинальной мощностью для обеспечения различных возможностей защиты от перенапряжений. TVS — это устройство с биполярным соединением.
По сравнению с зажимом низкое удерживающее напряжение лома позволяет ему выдерживать более высокий ток короткого замыкания без рассеивания большой мощности, поэтому он может выдерживать более высокие токи и работать в течение более длительных периодов времени (рис. 6). Также проще настроить схему так, чтобы лом также вызывал перегорание предохранителя (и, таким образом, полностью останавливало ток), если это необходимо.
Гурсимран Сингх Чавла, Инженерная школа Чамели Деви, «Предохранители и их тип в энергосистеме»
Введение: защита от короткого замыкания для (почти) любого источника питания
Эта инструкция посвящена универсальной защите от короткого замыкания, которую я разработал для использования в настольных источниках питания. Я разработал его так, чтобы он подходил для большинства цепей источников питания. Чтобы эта схема подошла к вашему настольному блоку питания, вам нужно будет сделать некоторые расчеты, но не волнуйтесь, я все объясню на следующих шагах.
Шаг 1. Понимание схемы
Схема действительно проста для понимания.
Резистор низкого номинала (значение резистора будет объяснено позже) подключается последовательно с выходом источника питания. Когда через него начнет течь ток, на нем появится небольшое падение напряжения, и мы будем использовать это падение напряжения, чтобы определить, перегружен ли выход источника питания или произошло короткое замыкание.
«Сердцем» этой схемы является операционный усилитель (операционный усилитель), сконфигурированный как компаратор (каскад 2).
Это работает очень просто, вам просто нужно следовать этому правилу:
Если напряжение на неинвертирующем выходе выше, чем на инвертирующем выходе, то выход устанавливается на «высокий» уровень.
Если напряжение на неинвертирующем выходе ниже, чем на инвертирующем выходе, то выход устанавливается на «низкий» уровень.
Я взял в кавычки слова «высокий» и «низкий», чтобы упростить понимание работы операционного усилителя. Это не имеет ничего общего с логическими микроконтроллерами уровня 5 вольт. Когда операционный усилитель находится на «высоком уровне», его выходное напряжение будет очень близко к его положительному напряжению питания, поэтому, если вы подаете на него +12 В, напряжение «высокого выходного уровня» будет приближаться к +12 В. Когда операционный усилитель находится в «низком уровне», его выходное напряжение будет очень близко к его отрицательному напряжению питания, поэтому, если вы соедините его отрицательный контакт питания с землей, «низкий выходной уровень» будет очень близок к 0 В.
Когда мы используем операционные усилители в качестве компараторов, у нас обычно есть входной сигнал и опорное напряжение для сравнения этого входного сигнала.
Итак, у нас есть резистор с переменным напряжением, которое определяется в зависимости от протекающего через него тока и опорного напряжения. Это вам ни о чем не говорит? Мы почти закончили с теорией, будь смелым и следуй за мной.
Поскольку падение напряжения на резисторе, включенном последовательно с источником питания, слишком мало, нам нужно немного его усилить, потому что некоторые операционные усилители не слишком точны при сравнении низких напряжений, таких как 0,5 вольта или ниже. И именно поэтому первый каскад (этап 1) этой схемы представляет собой усилитель, использующий другой операционный усилитель. В этом случае 3-4-кратного усиления более чем достаточно.
Коэффициент усиления операционного усилителя (av) определяется по формуле: av = (RF/R1)+1
В этом случае мы получаем выигрыш в 3,7 раза: av = (2700/1000)+1 = 3,7
Третий этап схемы — это сама защита. Это реле, которое вы можете подключить непосредственно к выходу вашего источника питания, если вы имеете дело с низким током (2 А), или вы можете подключить его к более мощному реле, если вы имеете дело с большим током, или даже отключить предыдущую ступень. блок питания отключает выход. Это зависит от источника питания, который у вас есть. Например, если ваш источник питания основан на LM317, вы можете просто использовать реле, чтобы физически отключить выходной контакт LM317 от источника питания, так как мы используем нормально закрытый контакт реле (я загрузил изображение, чтобы лучше описать этот пример).
Транзистор PNP на этапе 3 действует как пломба, удерживая реле во включенном состоянии после короткого замыкания, чтобы вы могли нажать кнопку, чтобы снять его с охраны. Почему я не использовал для этого само реле? Это потому, что реле слишком медленное для этого.
Только подумайте об этом: в тот момент, когда реле отключает выход вашего источника питания, короткого замыкания больше нет, и компаратор переходит с высокого уровня на низкий уровень. Поскольку через базу NPN-транзистора больше не течет ток, ток через катушку реле также больше не течет. Когда все эти действия происходят, контакты реле не успевают завершить свой ход и соединиться с другими контактами, чтобы закрыть пломбу. Поведение схемы, если бы я использовал само реле для закрытия пломбы, было бы реле безумным, пытающимся отключить выход, но безуспешно. Я знаю, что мог бы использовать конденсатор для подачи достаточного тока на реле, но мне понадобится большой конденсатор, и никто не может гарантировать, что он будет работать в 100% случаев, когда выход источника питания закорочен. Электролитические конденсаторы со временем выходят из строя, а выход из строя в этой схеме недопустим.
Для отключения схемы нормально замкнутый ключ подключается последовательно с базой NPN-транзистора. Нажав на этот нормально замкнутый переключатель, он размыкает свой контакт и отключает базу NPN-транзистора от остальной части цепи, нарушая герметичность и сбрасывая выход источника питания.
Емкость 1 мкФ на базе NPN-транзистора — это всего лишь пороговое значение, поэтому даже небольшое пиковое потребление не приводит к срабатыванию защиты.
Вы можете запитать эту цепь от 9В до 15В. Просто будьте осторожны, чтобы правильно выбрать напряжение реле и напряжение конденсаторов. И просто для ясности, не подключайте контакты питания этой схемы напрямую к выходу источника питания, иначе это будет бесполезно. Только представьте, если ваш выход закорочен, напряжения не хватит для питания схемы защиты. Вам нужно будет подключить его к каскаду перед выходом, возможно, специальный регулятор напряжения только для него. LM7812 будет более чем достаточно.
Шаг 2. Выбор номинала последовательного резистора
Я выделил для этого отдельный шаг, потому что этот последовательный резистор является наиболее важной частью схемы. Как я уже говорил, этот резистор включен последовательно с выходом блока питания. Когда через него начнет протекать ток, на нем появится небольшое падение напряжения.
Вы должны выбрать резистор, падение напряжения на котором составляет около 0,5~0,7 вольт, когда через него проходит ток перегрузки. Ток перегрузки — это точка, в которой срабатывает схема защиты и отключает выход источника питания, чтобы предотвратить его повреждение.
Вы можете выбрать резистор, используя закон Ома: V=R*I. В этом случае мы будем использовать: R= V/I.
Первое, что вам нужно определить, это ток перегрузки вашего источника питания. В этой части я не могу вам помочь, вы должны знать максимальный ток, который может обеспечить ваш источник питания, и, следовательно, определить значение последовательного резистора.
Допустим, ваш блок питания может выдавать 3 ампера (в данном случае напряжение вашего блока питания не имеет значения). Итак, имеем R= 0,6В/3А. R = 0,2 Ом. Если вы рассчитали резистор, и результат не имеет коммерческой ценности, не волнуйтесь. Просто приобретите коммерческий резистор, близкий к результатам ваших расчетов.
Следующее, что вам нужно сделать, это рассчитать рассеиваемую мощность на этом резисторе, чтобы он не сгорел, когда через него протекает ток. Рассеиваемую мощность можно рассчитать по формуле: P=V*I.
Если мы воспользуемся нашим последним примером, мы получим: P=0,6 В * 3 А. P=1,8 Вт резистора на 3 Вт или даже на 5 Вт будет более чем достаточно.
Шаг 3. Спецификация
Чтобы построить доску, подобную моей, вам понадобится:
1 — TL082 (двойной операционный усилитель)
2 - 1N4148 (диод)
1 – TIP122 (транзистор NPN)
1 — BC558 (PNP-транзистор. Вы можете использовать BC557, BC556 или аналогичный. Все они подходят для этого приложения)
1 - резистор 2700 Ом
1 – резистор 1 000 Ом
1 – резистор 10 кОм
1 - резистор 22 кОм
1 — последовательный резистор (см. предыдущий шаг)
1 – потенциометр 10 кОм
1 - конденсатор 470 мкФ
Конденсатор 1–1 мкФ
1 — нормально замкнутый мгновенный выключатель (см. рисунок. Подойдет любой нормально замкнутый мгновенный выключатель)
1 - Модель реле T74 (Это очень распространенная модель реле. Легко найти на
eBay. Просто попробуйте поискать на eBay "G5LA-14". Там много напряжений катушек и токов контактов. Если если вы не хотите использовать эту модель, обязательно измените разводку печатной платы)
Шаг 4. Дизайн доски
Я использовал Express PCB для проектирования платы, и файл, который я загрузил здесь, вы можете редактировать по своему усмотрению. Отредактируйте его по своему усмотрению, чтобы он соответствовал имеющимся у вас компонентам. Версия платы в формате PDF также была загружена, если вы даже не хотите редактировать ее или создавать PDF-файлы самостоятельно.
Эта схема на самом деле не такая уж большая, поэтому я поместил ее на плату размером 5 x 5 см.
Примечание. На плате имеется опциональный светодиод (дополнительную информацию см. на изображении печатной платы, я оставил там примечание), чтобы вы могли узнать, когда схема защиты отключила выход вашего источника питания. Если вы не хотите использовать светодиод, вы должны закоротить контакты, к которым будет подключен светодиод, иначе схема не будет работать. Если вы хотите подключить светодиод, квадратный штырь — это анод, а круглый — катод. Вы можете подключить любые светодиоды, кроме ярких.
Я протестировал его на макетной плате, и вы должны также проверить его, чтобы точно знать, будет ли схема защиты работать с нашим блоком питания.
Вложения
Шаг 5. Травление и пайка платы
Я использовал метод переноса тонера для переноса печатной платы на печатную плату.
Советы по хорошей передаче тона:
- Распечатайте схему на хорошем струйном лазерном принтере.
- Убедитесь, что ваш утюг может нагреваться до 170 – 200 ºC (338–392 ºF).
- Прежде чем приступить к переносу тона, очистите плату тонкой стальной ватой. Ваша доска станет действительно блестящей и чистой.
– Вы всегда можете использовать YouTube, чтобы увидеть новые методы и то, как люди осуществляют перевод.
Следуя этим советам, вы обязательно получите хороший перенос тонера.
После переноса тона вы можете протравить доску, используя свой любимый метод травления. Я использовал перхлорат железа.
Я не фотографировал процесс сверления отверстий для крепления компонентов, извините за это. Сверло диаметром 1 мм вполне подойдет.
Если выходной ток вашего источника питания выше 2А, вам следует усилить линии последовательного резистора и реле. Дополнительную информацию см. на прикрепленном изображении печатной платы.
Шаг 6. Тестирование и калибровка схемы
Чтобы включить эту схему, вам потребуется подать на нее напряжение от 9 до 15 В. См. прикрепленное изображение для получения дополнительной информации о вводе.
Для калибровки схемы измерьте напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя и поверните потенциометр. Когда вы поворачиваете его, напряжение будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от стороны, в которую вы его поворачиваете. Значение, необходимое для настройки этого потенциометра, равно усилению входного каскада, умноженному на 0,6 Вольт (примерно от 2,25 до 3 Вольт, если ваш усилительный каскад такой же, как у меня).
Эта процедура занимает некоторое время, и лучший способ ее калибровки — пробная версия. Возможно, вам потребуется настроить более высокое напряжение на потенциометре, чтобы защита не срабатывала при пиках. Как я уже сказал, для его калибровки требуется некоторое время.
Шаг 7. Конец
Я загрузил небольшое видео о том, как он работает с моим блоком питания, который я собрал несколько недель назад.
Изображение, прикрепленное к этому шагу, представляет собой схему защиты, установленную внутри моего настольного блока питания (вы можете проверить это здесь).
И все. Все, чем я могу помочь, просто спрашивайте в комментариях, и если вы на основе моего проекта создадите новый, пожалуйста, прокомментируйте тоже, мне очень любопытно узнать, действительно ли вы сделали хорошее обновление для этого проекта.
Убедитесь, что ваша система защищена от сбоев питания, а также от дополнительных сценариев.
Неопытные инженеры-электронщики часто предполагают, что хорошая шина питания просто «случается», в то время как более опытные знают, что прочная, бесшумная шина не дается легко, но необходима для стабильной и бесперебойной работы. , бесперебойная работа системы. Но блок питания — это нечто большее, чем просто его способность обеспечивать стабильное напряжение постоянного тока, несмотря на изменения нагрузки и сети, переходные процессы в системе, шум и другие аберрации.
Как так? Хороший блок питания не только обеспечивает питание, но и защищает от временных и постоянных сбоев, которые могут возникнуть как внутри, так и снаружи, а также от нанесения непоправимого ущерба системе, которая является ее нагрузкой.
Прежде чем мы рассмотрим различные типы защиты, стоит кратко рассмотреть четыре класса источников питания постоянного тока, также называемых регуляторами или преобразователями постоянного тока. обратите внимание, что приведенные рейтинги текущего производства являются лишь приблизительными регионами и не имеют жестких или официальных границ:
1) для больших нагрузок, порядка 20 А и выше, существует множество готовых источников питания с открытой рамой или полностью в металлическом корпусе для приложений AC-DC и DC-DC
2) для умеренных нагрузок от 10 до 20 А есть модульные блоки питания; их часто заливают эпоксидной смолой для физической защиты
3) при токе до 10 А существует множество доступных ИС, которым требуется несколько внешних пассивных и активных компонентов для работы в качестве комплектных источников питания
4) наконец, вы можете собрать базовый источник питания из отдельных компонентов, таких как диоды и конденсаторы, часто в сочетании с небольшим LDO или контроллером переключения
Итак, какие существуют типы защиты?
a) Защита от перегрузки (перегрузки по току/короткого замыкания) (OP), включая классический предохранитель, защищает источник питания в случае короткого замыкания цепи нагрузки или слишком большого тока. Многие источники питания «самоограничиваются» в том смысле, что они могут подавать только определенный ток, поэтому предохранитель не нужен. Стандартный предохранитель, который «перегорает» («размыкается») и останавливает подачу тока, необходимо будет заменить вручную; это проблема в одних ситуациях, но достоинство в других. Существуют также электронные предохранители с автоматическим самовозвратом.
b) Ограничение тока и возврат тока являются расширениями защиты от перегрузки. Если ток, от которого нагрузка потребляет питание, превышает расчетный предел, обратная обратная связь по току снижает как выходной ток, так и связанное с ним напряжение до значений ниже нормальных рабочих пределов. В крайнем случае, если нагрузка становится короткозамкнутой, ток ограничивается небольшой долей максимального значения, в то время как выходное напряжение, очевидно, падает до нуля.
c) Блокировка при пониженном напряжении (UVLO) гарантирует, что преобразователь постоянного тока не будет пытаться работать, когда входное напряжение, которое он видит на своем входе, слишком низкое, рис. 1. Почему это может быть проблемой? Во-первых, выход питания может быть неопределенным, если его постоянное напряжение слишком низкое, что может вызвать проблемы в системе.Во-вторых, это предотвращает «вампирское» высасывание энергии из источника даже при низком напряжении; это может разрядить аккумулятор, который система пытается зарядить. UVLO также помогает правильному функционированию последовательности включения питания (если таковая имеется). В-третьих, сам преобразователь постоянного тока может быть поврежден, если он попытается включиться, когда его собственный вход слишком низок для правильной работы.
Во время различных режимов источника питания, когда он переходит от выключенного к полностью включенному и обратно, UVLO следит за тем, чтобы источник не пытался включиться и обеспечить выход, если его входное напряжение ниже минимума, необходимого для правильная эксплуатация. (Источник: Texas Instruments)
d) Защита от перенапряжения (OVP) срабатывает, если внутренний сбой в источнике питания приводит к тому, что его выходное напряжение превышает указанный максимум, что может привести к повреждению нагрузки. OVP отключает питание или ограничивает выход, когда напряжение превышает заданный уровень. Схему OVP часто называют «ломом», по-видимому, потому, что она имеет тот же эффект, что и металлический лом, наложенный на выход источника питания. Правильно спроектированный лом функционирует независимо от самого источника питания.
Один тип лома сбрасывается (после срабатывания) только при отключении питания; в другом типе он сбрасывается после устранения неисправности выходного напряжения. Последнее полезно, когда условие, которое привело к срабатыванию ломика, является временным, а не серьезным сбоем в подаче питания. Хотя большинство расходных материалов в настоящее время поставляются со встроенным ломиком, многие поставщики предлагают небольшую отдельную схему ломика, которую при необходимости можно добавить к существующему расходному материалу.
e) Термическая перегрузка произойдет, если подход к охлаждению подачи спроектирован неправильно или не работает (вентилятор останавливается, поток воздуха блокируется). В этом случае источник питания, вероятно, превысит номинальную температуру, что серьезно сократит срок его службы и может даже привести к немедленной неисправности. Решение простое: схема измерения температуры внутри источника питания или рядом с ним, которая переводит источник питания в режим покоя или отключения, если она превышает заданный предел. Некоторые термовыключатели автоматически позволяют возобновить работу, если температура падает, а другие нет.
f) Защита от обратного подключения блокирует протекание тока и обнуляет напряжение, если нагрузка подключена в обратном направлении (положительный выход питания к отрицательной шине нагрузки и наоборот). Это особенно популярно в приложениях, где аккумулятор отсоединен, а затем снова подключен, например, в автомобиле или там, где аккумулятор не запирается.
Итак, какие типы защиты вам нужно добавить к вашему набору? Это, конечно, частично определяется приложением, но также зависит от конструкции питания (пункты 1-4 выше). Для источников питания в металлическом корпусе или модульных (типы питания 1 и 2) большинство этих режимов защиты обычно являются стандартными и включены (кроме предохранителя). Для типа 3 ИС питания могут предлагать некоторые или все функции защиты, но они также могут быть отключены (необходимо в некоторых особых случаях, но также рискованно). Обратное соединение является особым случаем и добавляется только там, где это имеет смысл. Его можно реализовать с помощью простого диода, но это добавляет потери на падение напряжения, поэтому необходима идеальная диодная схема.
Относитесь к своему блоку питания с уважением, которого он заслуживает: убедитесь, что он защищен, а также защищает вашу схему. Ваш дизайн и система будут вам благодарны.
Иногда при настройке самодельных электронных устройств получается короткое замыкание, из-за которого может выйти из строя блок питания. Поэтому блок питания должен иметь надежную защиту от короткого замыкания, способную в нужный момент быстро отключить включенную нагрузку и защитить блок питания от повреждения.
На этом рисунке представлена схема простого устройства, предназначенного для надежной защиты питание от короткого замыкания.
Принцип работы релейной защиты достаточно прост. При подаче напряжения на схему в дежурном режиме загорается красный светодиод. После нажатия кнопки S1 ток поступает на катушку реле, контакты переключаются и блокируют катушку реле, при этом схема входит в рабочий режим, об этом свидетельствует горящий зеленый светодиод, ток подается на нагрузку.< /p>
При возникновении короткого замыкания пропадает напряжение на обмотке реле, его контакты размыкаются, нагрузка автоматически отключается, загорается красный светодиод, сигнализирующий о срабатывании релейной защиты.
Схема рассчитана для работы с постоянным выходным напряжением от 8 до 15 вольт, поэтому отлично будет работать с зарядным устройством от компьютерного блока питания, а также с любым другим трансформаторным или импульсным блоком питания с выходным напряжением в указанном диапазоне.
Эту схему можно считать универсальной, так как ее легко переделать под любое напряжение, нужно только заменить реле на нужное вам напряжение, ну и конечно при необходимости подобрать резисторы R1 и R2 под устанавливаемые светодиоды в цепи.
Печатная плата устройства защиты от короткого замыкания источника питания.
Давайте посмотрим, как работает готовое устройство защиты от короткого замыкания блока питания. В дежурном состоянии после подачи питания горит красный светодиод, нагрузка отключена.
Загорелся зеленый/синий светодиод, сигнализируя о подаче питания на нагрузку, в качестве нагрузки использую обычную лампочку на 12 вольт лампочка.
Детали для сборки
Реле -12В постоянного тока, можно использовать такие же на другое напряжение
Резисторы R1, R2 сопротивлением 1К подбираем на каждый светодиод
Светодиоды 3 мм 2 шт. красный и зеленый/синий
Любая кнопка без фиксации с нормально разомкнутыми контактами
Рекомендую посмотреть видео как сделать защиту от короткого замыкания для блока питания.
Читайте также: