Site Loader
Posted on 09.08.2023

Схемы защиты бп от переполюсовки и Кз своими руками

Начиниющие радиолюбители, которых большинство, для сборки регулированного блока питания выбирают схемы попроще. Такую схемку решил сделать и я, так как возможностей достать дорогие детали и настроить сложный БП вряд-ли получится.
Самое основное для любой конструкции корпус. Тут мне повезло досать нерабочий БП ATX от компьютера, куда и будет помещён будущий блок питания.

Разъёмы сзади для сети 220В оставил, а на место кулера прикрутил обычную розетку, так как их постоянно не хватает для массы моих электронных устройств. Короче лишней она не будет.

Печатная плата блока питания простейшая и изготовить её будет легко даже начинающим. В крайнем случае можно вырезать дорожки резаком, а не травить. Для защиты по максимальному току — а это обязательно должно быть в радиолюбительском блоке питания, выбрал схему электронного предохранителя с индикацией перегрузки на светодиоде.

Передняя панель блока питания изготавливается из пластика, текстолита или даже фанеры — кто на что богат. На ней будут крепиться стрелочные индикаторы — вольтметр и амперметр (как впоследствии стало понятно, что это намного лучше и удобней цифровой индикации), регулятор напряжения и кнопки включения и переключения режимов защиты. Я выбрал 0,1 и 1А, но можно расчитать резистор токовой защиты на любое значение.

Ещё на передней панели блока питания будут две клеммы для подключения проводов выхода БП.

Получается вот что-то уже похожее на блок питания. Трансформатор выбираем такой, чтоб он поместился в корпус. Так что если вы идёте его покупать на радиобазаре — сначала замеряйте габариты коробки.

Корпус обклеиваем самоклеющейся плёнкой или красим лаком.

Зелёный светодиод будет светиться при включении БП в сеть, а красный сигнализирует о срабатывании защиты от токовой перегрузки.

Здесь написано как рассчитать шунт для стрелочных индикаторов. А чтоб нанести на шкалу новые значения вольт и ампер, придётся раскрыть их корпуса и аккуратно наклеить бумажки с новыми значениями поверх старых.

Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.

Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² R; P = 10 10 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы. Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье « ». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1. Она рассчитывалась на ток до 4А.

Схема электронного предохранителя

В данной схеме в качестве ключа использован полевой транзистор с р каналом IRF4905, имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,02 Ом, при напряжении на затворе = 10В.

В принципе этой величиной ограничивается и минимальное напряжение питания данной схемы. При токе стока, равном 10А, на нем будет выделяться мощность 2 Вт, что повлечет за собой необходимость установки небольшого теплоотвода. Максимальное напряжение затвор-исток у этого транзистора равно 20В, поэтому для предотвращения пробоя структуры затвор-исток, в схему введен стабилитрон VD1, в качестве которого можно применить любой стабилитрон с напряжение стабилизации 12 вольт. Если напряжение на входе схемы будет менее 20В, то стабилитрон из схемы можно удалить. В случае установки стабилитрона, возможно, потребуется коррекция величины резистора R8. R8 = (Uпит — Uст)/Iст; Где Uпит – напряжение на входе схемы, Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Iст – ток стабилитрона. Например, Uпит = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ом.

Защита от КЗ для блока питания своими руками

Иногда при наладке самодельных электронных устройств получается короткое замыкание, из за которого может выйти из строя блок питания. Поэтому у блока питания должна быть надежная защита от короткого замыкания, способная в нужный момент быстро отключить замкнувшую нагрузку и уберечь блок питания от поломки.

На этом рисунке изображена схема простого устройства предназначенного для надежной защиты блока питания от короткого замыкания.


Схема защиты блока питания от короткого замыкания

Принцип работы релейной защиты довольно простой. При подаче напряжения на схему в режиме ожидания загорается красный светодиод. После нажатии кнопки S1 ток поступает на обмотку реле, контакты переключаются и блокируют обмотку реле, таким образом схема переходит в рабочий режим, об этом сигнализирует загоревшийся зеленый светодиод, ток поступает на нагрузку. При возникновении короткого замыкания пропадает напряжение на обмотке реле, контакты его размыкаются, нагрузка автоматически отключается, загорается красный светодиод сигнализируя о срабатывании релейной защиты.

Схема предназначена для работы с постоянным выходным напряжением от 8 до 15 вольт, поэтому будет отлично работать с зарядным устройством из компьютерного блока питания, а также с любыми другими трансформаторными или импульсными блоками питания имеющими выходное напряжение в указанном диапазоне.

Данную схему можно считать универсальной, потому что её легко переделать под любое напряжение, достаточно всего лишь заменить реле под нужное вам напряжение, ну и конечно при необходимости подобрать резисторы R1 и R2 под установленные в схему светодиоды.

Печатная плата устройства защиты блока питания от короткого замыкания.


Печатная плата защиты блока питания от короткого замыкания

Посмотрим, как работает готовое устройство защиты блока питания от короткого замыкания. В дежурном состоянии после подачи питания, горит красный светодиод, нагрузка отключена.

Нажимаем кнопку и устройство перейдет в рабочий режим.

Загорелся зеленый светодиод, сигнализируя о подаче питания на нагрузку, в качестве нагрузки я использую обыкновенную 12 вольтовую лампочку.

С помощью отвертки замыкаю между собой центральный контакт с цоколем лампочки, получается короткое замыкание, мгновенно срабатывает защита от КЗ, нагрузка отключается, загорается красный светодиод своим светом сообщая о коротком замыкании.

Радиодетали для сборки

  • Реле SRD-12VDC-SL-C, можно использовать аналогичное на другое напряжение
  • Резисторы R1, R2 1K сопротивление подбирайте для каждого светодиода
  • Светодиоды 5 мм 2 шт. красный и зеленый
  • Кнопка любая без фиксации с нормально разомкнутыми контактами

Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать защиту от короткого замыкания для блока питания

Преобразователь ток — напряжения

В качестве датчика тока в схеме применен резистор R2, чтобы уменьшить мощность, выделяющуюся на этом резисторе, его номинал выбран всего в одну сотую Ома. При использовании SMD элементов его можно составить из 10 резисторов по 0,1 Ом типоразмера 1206, имеющих мощность 0,25Вт. Применение датчика тока с таким малым сопротивление повлекло за собой применение усилителя сигнала с этого датчика. В качестве усилителя применен ОУ DA1.1 микросхемы LM358N.

Коэффициент усиления этого усилителя равен (R3 + R4)/R1 = 100. Таким образом, с датчиком тока, имеющим сопротивление 0,01 Ом, коэффициент преобразования данного преобразователя ток – напряжения равен единице, т.е. одному амперу тока нагрузки равно напряжение величиной 1В на выходе 7 DA1.1. Корректировать Кус можно резистором R3. При указанных номиналах резисторов R5 и R6, максимальный ток защиты можно установить в пределах… . Сейчас посчитаем. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Найдем ток, протекающий через этот делитель: I = U/R = 5А/11000Ом = 0,00045А. Отсюда, максимальное напряжение, которое можно выставить на выводе 2 DA1, будет равно U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B. Таким образом, максимальный ток защиты будет равен примерно 4,5А.

Защита от перегрузки и Пускового тока

Применение защиты от перегрузки и пускового тока

Защита LTC4368 отвечает за перегрузки по току и также пускового тока. Компараторы внутри LTC4368 отслеживают падение напряжения на резисторе датчика тока R11. Компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит 50 мВ. При обратном прохождении потенциала, VOUT к VIN, компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит –3 мВ. В этом включении используется измерительный резистор 20 мОм, который настраивает пределы тока на +2,5 А и –150 мА.

Ограничение пускового тока позволяет запускать устройства без срабатывания максимальной токовой защиты в прямом направлении. R10 и C1 — элементы, ограничивающие пусковой ток. В этом случае пусковой ток ограничен до 1 А, что значительно ниже предельного значения прямого тока 2,5 А. Выбор C1 основан на желаемом предельном пусковом токе. R10 не позволяет C1 замедлить защиту от обратной полярности, стабилизирует схему быстрого понижения и предотвращает колебания во время короткого замыкания.

C4 — это конденсатор, который устанавливает задержку для повторного включения (сброса защиты) после перегрузки по току. Задержка повторной попытки — это время, в течение которого MOSFET остается на низком уровне после обнаружения перегрузки по току. В этом случае задержка повторной попытки составляет 250 мс. Резисторы на 10 Ом — R14 и R15 — добавлены к затворам MOSFET, чтобы предотвратить паразитные колебания схемы.

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 — .

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

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.

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 глобально 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.

  • 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.

Детали блока питания

Транзистор VT2 возможно поменять на КТ315Б — КТ315Е. Транзистор VT1 можно заменить на произвольный из серий КТ827, КТ829. Диоды VD2 — VD4 возможно применить КД522Б. Сопротивление R13 возможно собрать из трех впараллель соединенных резисторов МЛТ-1 сопротивлением по 1 Ом каждый. Стабилитрон VD1 любой с напряжением стабилизации 7…8 вольт и током от 3 до 8 мА. Емкости СЗ, С4 произвольные пленочные или керамические. Электролитические конденсаторы: С1 — К50-18 или аналогичный зарубежный, другие — марки К50-35. Кнопка SA1 без фиксации.

Источник: Радио, 9/2006

ORing-контроллеры TI

ORing-контроллеры являются одним из популярных продуктов в портфолио компании TI, предназначенных для обеспечения защиты при горячем подключении источников питания с резервированием. Контроллеры подклассов N+1 и ORing предназначены для защиты шин питания hotswap c напряжениями 12…48 В от повышенных пусковых токов, их обратного протекания, повышенного тока при коротких замыканиях в цепи питания.

В номенклатуре ORing-контроллеров TI есть устройства для коммутации источников питания как по шине положительной полярности (High Side), так и отрицательной (Low Side). На рисунках 10, 11 приведены схемы включения ORing-контроллеров TI для применения в системах резервирования питания с положительной и отрицательной полярностью.

Рис. 10. Схема включения контроллеров ORing в системе резервирования питания положительной полярности

Рис. 11. Схема включения контроллеров ORing в системе резервирования питания отрицательной полярности

В таблице 3 приведены основные микросхемы ORing-контроллеров TI

Таблица 3. Основные ORing-контроллеры TI

НаименованиеНапряжение, ВСпециальные функцииТип управления
TPS2458/3.3; 12Ограничение тока; встроенный ключ для 3.3 ВГистерезисное
TPS2410/0.8…16.5Входной фильтрЛинейное/гистерезисное
TPS2412//0.8…16.5Настраиваемый порог отключенияЛинейное/гистерезисное
LM50505…75Устойчивость к выбросам 100 ВЛинейное
LM5051-6…-100Диагностика транзистораЛинейное

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.

Защита импульсного блока питания при ремонте