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

Скачать схему 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

Скачать печатную плату устройства 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

Лабораторный блок питания с защитой от КЗ

Здравствуйте, друзья! Лабораторный блок питания является прибором первой необходимости для начинающего радиолюбителя и по этому я хочу представить вашему вниманию свою новую самоделку. Очень простой и надежный лабораторный блок питания с регулятором напряжения от 1,5 до 30 вольт, максимальной силой тока 5А и защитой от короткого замыкания с звуковой сигнализацией. Источником питания для приведенной ниже схемы может служить любой трансформатор или импульсный блок питания, например от ноутбука с выходным напряжением от 16 до 40 вольт и максимальной силой тока до 5А.

Схема лабораторного блока питания 1,5-30В 5А с защитой от КЗ

Скачать схему лабораторного блока питания 5А 

Как работает блок питания?

Напряжение от источника питания проходя через диодный мост Br1 выпрямляется и поступает на регулятор напряжения состоящий из транзистора Т1, резистора R1 и переменного резистора Р1. На выходе из регулятора получается 12 вольт. Этим напряжением постоянно питается вентилятор, реле К1 и вольт амперметр V/A1.

В режиме ожидания от диодного моста Br1 через постоянно замкнутые контакты реле К1 подается напряжение на звуковой сигнализатор короткого замыкания в результате чего в бипере SP1 раздается постоянный звуковой сигнал, что свидетельствует о исправной системе защиты от короткого замыкания.

При кратковременном нажатии кнопки START S1 подается напряжение через резистор R2 на базу транзистора Т2 в результате, чего транзистор Т2 открывается и подает питание на обмотку реле К1, контакты реле К1 переключаются и происходит самоблокировка реле К1.  В момент срабатывания реле К1 отключается звуковой сигнализатор короткого замыкания, а в место него подключается регулятор напряжения на микросхеме LM338T. Далее напряжение через шунтирующий диод D2 поступает на выход блока питания. Регуляция напряжения на выходе из блока питания выполняется переменным резистором Р2. Контроль напряжения и силы тока осуществляется вольт амперметром V/A1. В случае короткого замыкания происходит падение напряжения на базе транзистора Т2, транзистор закрывается в следствии чего, контакты реле переключаются. Нагрузка отключается, а на звуковой сигнализатор короткого замыкания подается питание и раздается звуковой сигнал. После устранения короткого замыкания следует кратковременно нажать кнопку START S1 и блок питания снова перейдет в рабочий режим. И так может продолжаться до бесконечности.

Список радиодеталей для сборки лабораторного блока питания:

• Источник питания любой подходящий трансформатор или импульсный блок питания от 16 до 40 вольт
• Транзисторы Т1, Т2 TIP41C, КТ819Г и их аналоги
• Микросхема LM338T на 5А или LM350T на 3А, LM317T на 1,5А все зависит от мощности источника питания
• Микросхема NE555
• Диодный мост Br1 любой не менее 6А можно заменить диодами.
• Диоды любые D1 0,5А, D2 от 1,5А до 10А зависит от нагрузки возможно параллельное соединение диодов
• Конденсаторы С1, С2, С4 100нф, С3 470мкф 35в, С5 1000мкф 50в
• Резисторы R1, R4 1k, R2 5,1k, R3 270, R5 10k, R6 330, R7 150, R8 200
• Переменные резисторы Р1 10К, Р2 5К
• Реле SRD12VDC-SL-C  12В 10А
• Кнопка START S1 без фиксации на замыкание
• Вентилятор М1 от компьютера
• Бипер SP1 от компьютера или маленький динамик
• Вольт амперметр китайский универсальный с Alliexpress

Внимание: При сборке лабораторного блока питания не изменяйте номиналы конденсаторов С1, С4, С5 иначе не будет срабатывать система защиты от короткого замыкания!!!

Цоколевка применяемых транзисторов

Возможно вам это пригодиться…

Все детали следует разместить на печатной плате изготовленной по лазерно-утюжной технологии.

Печатная плата лабораторного блока питания 1,5-30В 5А с защитой от КЗ

Скачать печатную плату лабораторного блока питания 5А в формате lay 

Как настроить блок питания?
Схема лабораторного блока очень простая, но все равно требуется небольшая настройка. Поставьте переменный резистор Р1 в среднее положение. Включите блок питания в сеть, подключите мультиметр параллельно вентилятору, резистором Р1 установите напряжение 12 вольт. Резистором R3 регулируется напряжение питания звукового сигнализатора короткого замыкания, смотрите по схеме напряжение на входе сигнализатора должно быть 12 вольт.

Тональность сигнализатора изменяется резистором R4 и конденсатором С2. Громкость регулируется подбором резистора R6. Порог срабатывания системы защиты от короткого замыкания подбирается резистором R2. Напряжение на выходе из блока питания изменяется переменным резистором Р2 его ручка выведена на лицевую панель блока питания.

В процессе работы транзистор Т1, микросхема LM338T и диодный мост будут сильно нагреваться, поэтому их следует установить на радиатор, перед установкой обязательно изолировать от радиатора. Как это сделать читайте здесь: Как изолировать транзисторы от радиатора?

Для контроля напряжения и силы тока лучше всего установить вот такой универсальный вольт амперметр.

Кстати, его надо откалибровать. С обратной стороны прибора находится два маленьких переменных резистора один отвечает за вольтаж, второй за ампераж. Делаем так, подключаем параллельно к выходу блока питания мультиметр, включаем в режим вольтметра и сравниваем показания приборов, если показания не соответствуют крутим переменный резистор в разные стороны, чтобы добиться наиболее точных показаний прибора. Чтобы откалибровать амперметр переключите мультиметр в режим амперметра. К блоку питания подключите лампочку последовательно с мультиметром и сверьте показания приборов.

Все компоненты лабораторного блока питания легко помещаются в корпусе от компьютерного блока питания.

Так выглядит готовое устройство. Для чего я установил два выключателя и кнопку на крыше блока питания? Красный выключатель сеть, он отключает трансформатор от сети 220В. Синяя кнопка START предназначена для перевода блока питания в рабочий режим.

Черный выключатель линия, чтобы отключать потребители от блока питания без откручивания проводов от разъемов. Справа два разъема типа «Banana» для подключения потребителей. На передней панели находится переменный резистор Р2 для регулировки выходного напряжения. И очень важная деталь это универсальный вольт амперметр.

В своем лабораторном блоке питания я установил трансформатор на 1,5 ампера. Его мощности вполне хватает, чтобы зарядить небольшой 12 вольтовый аккумулятор от бесперебойника емкостью 7А, его я установил на аккумуляторный шуруповерт. Если вы хотите собрать мощное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками, тогда надо увеличить мощность лабораторного блока питания до 10 ампер.

Как увеличить мощность лабораторного блока питания до 10 ампер?

Чтобы увеличить мощность лабораторного блока питания достаточно параллельно микросхеме LM388T подключить мощный 12 амперный транзистор MJE13009. И соответственно заменить источник питания на более мощный трансформатор или импульсный блок питания. Схема будет выглядеть так.

Схема лабораторного блока питания 1,5-30В 10А с защитой от КЗ

Скачать схему лабораторного блока питания 10А 

Печатная плата будет выглядеть так.

Печатная плата лабораторного блока питания 1,5-30В 10А с защитой от КЗ

Скачать схему лабораторного блока питания 10А в формате lay 

А для любителей чего либо измерять, я решил снять пару осциллограмм  в разных режимах работы блока питания.

На этой осциллограмме напряжение на выходе из блока питания снижено до 12 вольт.

Осциллограмма трансформаторного лабораторного блока питания. Напряжение на выходе 12 вольт.

А здесь максимальное напряжение на выходе из блока питания 25 вольт.

Осциллограмма трансформаторного лабораторного блока питания. Напряжение на выходе 25 вольт.

P. S. Все схемы и печатные платы в этой статье я разработал самостоятельно. И прежде чем написать я убедился в 100% работоспособности лабораторного блока питания во всех режимах. Если у вас, что то не получилось, проверьте все ли вы сделали правильно…

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

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как работает лабораторный блок питания.

Схемы электронных предохранителей для защиты от КЗ и перегрузки по току

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.

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.

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.

 

Реализация аппаратной защиты по току / Хабр

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 V_ref. 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 от короткого замыкания

Короткое замыкание — это непреднамеренное соединение между двумя клеммами, которые подают питание на нагрузку. Это может произойти как в цепи переменного, так и постоянного тока, если это источник переменного тока, то короткое замыкание может привести к отключению источника питания всей области, но есть предохранители и схемы защиты от перегрузки на многих уровнях, от электростанции до дома. А если это источник постоянного тока, например аккумулятор, он может нагреть аккумулятор, и аккумулятор очень быстро разрядится.В некоторых случаях аккумулятор может взорваться. Существует множество способов защиты цепи от короткого замыкания, и для защиты от перегрузки доступно множество типов предохранителей.

Мы собираемся разработать и изучить простую схему защиты от короткого замыкания низкого напряжения для постоянного напряжения . Схема разработана с целью безопасной работы схемы микроконтроллера и может защитить ее от повреждения из-за короткого замыкания в другой части схемы.

Необходимые компоненты

• СК100Б Транзистор ПНП — 1 шт.
• BC547B Транзистор NPN — 1 шт.
• Резистор 1 кОм — 1 шт.
• Резистор 10 кОм — 1 шт.
• Резистор 330 Ом — 2 шт.
• Резистор 470 Ом — 1 шт.
• Источник питания 6 В постоянного тока — 1 шт.
• Макетная плата — 1 шт.
• Соединительные провода — согласно требованию

SK100B PNP Транзистор

Начиная с выемки транзистора — эмиттер, середина — база, а последняя — коллектор

• Излучатель — E
• База — B
• Коллектор — C

BC547B Транзистор NPN

Схема защиты от короткого замыкания

Типичный пример короткого замыкания — это когда положительная и отрицательная клеммы батареи соединены вместе с проводом с низким сопротивлением, например, проводом.В этом состоянии аккумулятор может загореться и даже взорваться. Так часто бывает с мобильными батареями в мобильных устройствах.

Чтобы избежать этого состояния короткого замыкания, используется схема защиты от короткого замыкания . Схема защиты от короткого замыкания отклонит ток или прервет контакт между цепью и источником питания.

Иногда при использовании неисправной бытовой техники, такой как духовка, утюг и т. Д., Случается сбой в электросети с внезапной искрой.Причина этого в том, что где-то в неисправном приборе протекает избыточный ток. Это может привести к поражению электрическим током или возгоранию дома, если он не защищен. Поэтому во избежание такого повреждения используется предохранитель или автоматический выключатель . В таком состоянии автоматический выключатель или предохранитель отключает основное питание в доме. Цепь предохранительного выключателя также представляет собой схему защиты от короткого замыкания , , в которой используется провод с низким сопротивлением, который плавится и отключает основной источник питания в доме всякий раз, когда через него проходит избыточный ток.

Итак, здесь мы собираемся изучить и спроектировать схему, чтобы избежать повреждения из-за короткого замыкания в ней.

Схема

Работа цепи защиты от короткого замыкания

Выше показана простая схема защиты от короткого замыкания постоянного тока с низким энергопотреблением, которая состоит из двух транзисторных схем, одна из которых представляет собой транзисторную схему BC547 NPN, а другая — транзисторную схему SK100B PNP.Вход подается на схему с помощью источника питания 5 В постоянного тока, который может быть обеспечен либо батареей, либо трансформатором.

Работа схемы проста, когда горит зеленый светодиод D1, это означает, что схема работает нормально и риск повреждения отсутствует. Красный светодиод D2 должен гореть только при коротком замыкании.

При включении источника питания транзистор Q1 смещается и начинает проводить ток, а светодиод D1 загорается.В это время красный светодиод D2 не горит из-за отсутствия короткого замыкания.

Свечение зеленого светодиода D1 также указывает на то, что напряжение питания и выходное напряжение примерно равны.

В нашей схеме стимуляции мы сгенерировали «короткое замыкание» с помощью переключателя на выходе. Когда происходит «короткое замыкание», выходное напряжение падает до 0 В и Q1 перестает проводить, так как его базовое напряжение равно 0 В. Транзистор Q2 также перестает проводить, поскольку напряжение на его коллекторе также упало до 0 В.

Итак, теперь ток начинает течь через КРАСНЫЙ светодиод D2 и проходит через землю по короткому замыканию (через переключатель).Это приводит к тому, что красный светодиод D2 начинает проводить, поскольку он смещен в прямом направлении, и указывает на то, что было обнаружено короткое замыкание, и ток отводится через красный светодиод D2 вместо повреждения всей цепи.

.

Добавьте эту схему защиты от короткого замыкания в свой источник питания

Ниже объясняется довольно дешевая, но достаточно эффективная схема защиты от короткого замыкания, которую можно использовать для защиты схемы источника питания

Введение

Блок питания является незаменимым элементом для любой электронной энтузиастов и инженеров, работающих в соответствующей области. Хотя сегодня все мы используем высокотехнологичные блоки питания со встроенной защитой, есть люди, которые по-прежнему полагаются на обычные типы блоков питания без средств защиты.

Самый большой враг всех блоков питания — это возможное короткое замыкание, которое может произойти на его выходных клеммах из-за случайного подключения или из-за неисправности подключенной нагрузки.

Существуют различные электронные схемы, которые могут использоваться с блоком питания для проверки этой проблемы, однако эти схемы иногда сами рискуют выйти из строя из-за ограничений многих электрических параметров.

В этой статье был показан очень инновационный способ решения этой проблемы.Одиночное реле используется для обнаружения, а также отключения выхода при соответствующей неисправности.

Работа схемы

Обращаясь к принципиальной схеме, мы видим, что реле подключено непосредственно к выходу выхода постоянного тока источника питания, однако подключение осуществляется через замыкающие контакты реле. Эти контакты также заканчиваются как выход устройства.

N / O означает нормально разомкнутый, что означает, что контакты изначально разомкнуты, что, в свою очередь, удерживает выход отсоединенным от плюса источника питания.

Теперь при кратковременном нажатии показанной кнопки замыкающие контакты блокируются, позволяя току течь через катушку реле.

Катушка реле подает питание, замыкая замыкающие контакты, которые, в свою очередь, фиксируются и остаются в этом положении даже после отпускания кнопки.

Релейная защелка сохраняет это фиксированное положение, пока выход используется в нормальных условиях, но в случае короткого замыкания на выходных клеммах может произойти резкое падение напряжения, в тот момент, когда это напряжение упадет ниже катушки напряжения реле, оно теряет свою удерживающую способность и немедленно размыкает контакты и размыкает, отключая подачу питания на выход и в ходе этого отключает защелку, предотвращая условия опасности короткого замыкания.

Это приводит реле в исходное состояние и требует сброса для восстановления питания на выходе.

Принципиальная схема защиты источника питания от короткого замыкания показана ниже:

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемами, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

.Технические характеристики источника питания

»Примечания к электронике

При выборе источника питания, будь то линейный источник питания или импульсный источник питания, необходимо понимать различные характеристики, чтобы выбрать правильный.

---

Пособие и руководство по схемам источника питания Включает:
Обзор электронных компонентов источника питания Линейный источник питания Импульсный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

---

При выборе и покупке блока питания необходимо понимать спецификации, приведенные в техническом паспорте, чтобы можно было выбрать блок питания с правильными характеристиками.

Существует несколько спецификаций, описывающих характеристики источников питания. Каждый из них описывает разные аспекты характеристик источника питания, и в зависимости от приложения некоторые из них будут более важными, чем другие.

Источники питания могут быть как линейными, с использованием линейного регулятора напряжения, так и импульсными источниками питания. Оба типа широко используются, но часто они используются в разных приложениях из-за их различных характеристик.

Характеристики напряжения и тока

Технические характеристики первичного источника питания — это параметры выходного напряжения и тока.Что касается напряжения, то источник питания может быть фиксированным или иметь регулируемый выход. Необходимо проверить, есть ли у источника питания постоянный или регулируемый выход.

Если источник питания имеет фиксированный выход, можно будет выполнить небольшую регулировку, и может потребоваться проверить, можно ли его отрегулировать до требуемого значения, если требуемое напряжение не совсем то, что указано в спецификации. Если источник питания имеет переменный диапазон, необходимо убедиться, что он охватывает требуемый диапазон.

Что касается силы тока, необходимо убедиться, что источник питания сможет обеспечивать требуемый уровень тока и иметь запас прочности, превышающий это минимальное требование. При расчете требований к спецификации источника питания по току необходимо учитывать то, что называется пусковым током. Этот бросок тока возникает, когда элемент включен, и для зарядки конденсаторов и т. Д. Потребляется большой скачок тока. Этот пусковой ток может в несколько раз превышать обычный рабочий ток.

Регламент строки

Технические характеристики источника питания содержат подробные данные для параметра, озаглавленного «линейное регулирование». Было обнаружено, что при изменении линейного или входного напряжения на выходе можно увидеть небольшое изменение. График линейного регулирования подробно описывает это изменение.

Важно убедиться, что если напряжение на выходе является критическим, то линейное регулирование не выходит за пределы требуемых пределов выходного напряжения с ожидаемыми изменениями в линии.

Также необходимо добавить это к любым другим изменениям выходного напряжения источника питания, таким как регулировка нагрузки, временная и температурная стабильность.

Спецификация регулирования линии обычно указывается в милливольтах для данного изменения входного сигнала. Оно также может быть выражено или в процентах от выходного напряжения и обычно должно составлять несколько милливольт (например, 5 мВ) или около 0,01% от максимального выходного напряжения для большинства источников питания для изменения линейного напряжения в любом месте рабочего диапазона. .

Типичный регулируемый линейный источник питания для лабораторного использования

Регулировка нагрузки

Другая важная спецификация источника питания называется «регулировкой нагрузки». Обнаружено, что при добавлении нагрузки к выходу источника питания напряжение на клеммах может немного упасть. Очевидно, это нежелательно, поскольку в идеальном мире выходное напряжение должно оставаться постоянным.

Изменение нагрузки источника питания обычно указывается как изменение в милливольтах или как процент от максимального выходного напряжения. Обычно это может быть несколько милливольт (например.грамм. 5 мВ) или 0,01% для ступенчатого изменения нагрузки от 0 до 100% нагрузки. Обычно он указывается для постоянного сетевого напряжения и постоянной температуры.

Также может быть обнаружено заметное падение напряжения вдоль проводов от источника питания к нагрузке. Очевидно, это можно уменьшить, используя более толстые провода с меньшим сопротивлением. Однако некоторые источники питания имеют дополнительные клеммы для дистанционного зондирования.

Дистанционное зондирование источников питания

При использовании дистанционного измерения источник питания подключается к нагрузке обычным способом, но используются дополнительные провода для измерения фактического напряжения на нагрузке.Эти провода практически не пропускают ток, и, кроме того, что они намного тоньше, на них практически не будет падать напряжение. Они будут определять напряжение на нагрузке и передавать эту информацию обратно в источник питания, так что схема регулятора напряжения регулирует напряжение на нагрузке, а не на выходе источника питания.

Пульсация и шум

Параметры пульсации и шума — еще одна важная спецификация источника питания. Возможно, что шум и другие импульсы в линии электропередачи могут быть переданы на выход цепи, на которую подается питание.Чтобы свести это к минимуму, особенно для чувствительных цепей, необходимо обеспечить максимальную чистоту линий электропередач.

Пульсация и шум на выходе объединены в одну спецификацию. Для линейных источников питания частота пульсаций обычно в два раза превышает частоту сети. При переключении источников питания пульсации и всплески возникают из-за переключающего действия источника питания.

Компоненты пульсации часто указываются как значения RMS, но для переключения источников питания более полезно измерение размаха, поскольку оно показывает степень выбросов, возникающих при переключении.Большинство хороших источников питания должны обеспечивать показатели шума и пульсации выше 10 мВ RMS, а для коммутируемых источников во многих случаях должны быть достижимы значения 50 мВ или меньше, хотя источники с очень высоким током могут иметь несколько более высокие значения.

Температурная стабильность

Температура является одной из основных причин изменения состояния цепи, а в случае источников питания, как линейных, так и импульсных источников питания, она может вызвать изменения выходного напряжения.

ссылок напряжения (стабилитроны, и т.д.) могут быть одним из основных причин изменения напряжения, но и другие электронные компоненты, а также изменить — резисторы является основным после опорного диода.

Часто на этапе проектирования электронной схемы источника питания могут быть добавлены различные формы температурной компенсации, и это значительно уменьшит любой дрейф, но он всегда будет.

Даже небольшие изменения могут повлиять на некоторые схемы, поэтому в этих случаях важно проверить показатели стабильности температуры источника питания.

Значения температурной стабильности блока питания будут приведены в паспорте. Параметр измеряется как процентное или абсолютное изменение напряжения на градус С.Обычно это может быть в диапазоне 0,02% / ° C или 2 мВ / ° C. Естественно, эти цифры являются лишь руководством к тому, что утверждают некоторые поставщики.

Стабильность во времени

Все компоненты немного меняют свои значения с течением времени, поэтому неудивительно, что источники питания, но типы линейных регуляторов и импульсные источники питания, изменяются со временем на небольшую величину.

Хотя количество изменений обычно невелико, они могут быть важны для некоторых приложений.В результате значения стабильности выходного напряжения во времени часто приводятся в общих технических характеристиках источника питания.

Для обеспечения стабильности выходное напряжение источника питания будет измеряться в течение определенного периода времени при постоянной нагрузке и входном напряжении, а также измеряется дрейф напряжения. Обычно это несколько милливольт (например, от пяти до десяти) в течение десяти часов.

Ограничение тока и перенапряжение источника питания

Всегда разумно убедиться, что любой источник питания, будь то линейный стабилизатор напряжения или импульсный источник питания, имеет различные формы защиты, встроенные для предотвращения повреждения в случае отказа той или иной формы.

Есть две основные формы защиты, которые можно найти в линейных и импульсных источниках питания:

• Защита от короткого замыкания: Защита от короткого замыкания необходима в случае, если в оборудовании, на которое подается питание, возникает короткое замыкание или начинает потребляться ток, превышающий расчетный. Благодаря защите от короткого замыкания в источнике питания это ограничивает ток до максимального уровня.

  Многие настольные или лабораторные источники питания имеют регулируемый предел, и это может быть полезно, потому что это означает, что предел может быть отрегулирован в соответствии с требованиями цепи, на которую подается питание.

  Есть также две формы ограничения тока. Первый называется ограничением постоянного тока. Это ограничивает ток до максимального уровня, и он остается на этом уровне в случае перегрузки. Другая форма ограничения тока в блоке питания называется обратным ограничением тока. Это постепенно снижает ток от максимума по мере увеличения перегрузки. Другими словами, ток сворачивается.

  

• Защита от перенапряжения: Возможно, что последовательный элемент, особенно в линейном регуляторе напряжения, может выйти из строя.В этом случае на выходе может появиться полное предварительно отрегулированное напряжение, что может привести к повреждению цепей, на которые подается питание. Избыточное напряжение отключит источник питания при возникновении состояния перенапряжения и предотвратит возникновение состояния полного перенапряжения.

Всегда стоит проверять спецификацию источника питания, чтобы убедиться в наличии защиты от перегрузки по току или короткого замыкания, а также от перенапряжения, поскольку в любом случае может возникнуть значительный ущерб.

Характеристики блока питания

Хотя упомянутые выше характеристики источника питания обычно используются наиболее широко, могут появиться и другие, которые могут быть важны для некоторых более специализированных приложений. В целом их можно интерпретировать, хотя бы в общих чертах, и получить хорошее представление о требуемой работе источника питания.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

.Цепь защиты от перегрузки по току

с использованием операционного усилителя

Цепи защиты

жизненно важны для успеха любой электронной конструкции. В наших предыдущих руководствах по схемам защиты мы разработали множество основных схем защиты, которые можно адаптировать к вашей схеме, а именно: защиту от перенапряжения, защиту от короткого замыкания, защиту от обратной полярности и т. Д. В дополнение к этому списку схем в этой статье мы научится спроектировать и построить простую схему для защиты от сверхтоков с использованием операционного усилителя .

Защита от перегрузки по току часто используется в цепях питания для ограничения выходного тока блока питания. Термин «перегрузка по току» — это состояние, при котором нагрузка потребляет ток, превышающий указанные возможности блока питания. Это может быть опасной ситуацией, так как перегрузка по току может привести к повреждению источника питания. Поэтому инженеры обычно используют схему защиты от перегрузки по току для отключения нагрузки от источника питания во время таких сценариев сбоя, таким образом защищая нагрузку и источник питания.

Защита от перегрузки по току с использованием операционного усилителя

Существует много типов схем защиты от перегрузки по току; сложность схемы зависит от того, насколько быстро схема защиты должна реагировать в случае перегрузки по току. В этом проекте мы построим простую схему защиты от перегрузки по току с использованием операционного усилителя, который очень часто используется и может быть легко адаптирован для ваших проектов.

Схема, которую мы собираемся спроектировать, будет иметь регулируемое пороговое значение перегрузки по току , а также будет иметь функцию автоматического перезапуска при отказе .Поскольку это схема защиты от перегрузки по току на базе операционного усилителя, она будет иметь операционный усилитель в качестве блока управления. Для этого проекта используется операционный усилитель общего назначения LM358 . На изображении ниже показана схема контактов LM358.

Как видно на изображении выше, внутри одного корпуса микросхемы у нас будет два канала операционного усилителя. Однако в этом проекте используется только один канал. Операционный усилитель будет переключать (отключать) выходную нагрузку с помощью полевого МОП-транзистора. В этом проекте используется MOSFET IRF540N с каналом N.Рекомендуется использовать соответствующий радиатор MOSFET, если ток нагрузки превышает 500 мА. Однако в этом проекте MOSFET используется без радиатора. На изображении ниже представлена ​​распиновка IRF540N .

Для питания операционного усилителя и схемы используется линейный стабилизатор напряжения LM7809 . Это линейный стабилизатор напряжения 9В 1А с широким диапазоном входного напряжения. Распиновку можно увидеть на изображении ниже

Необходимые материалы:

Список компонентов, необходимых для максимальной токовой защиты цепи , приведен ниже.

1. Макет
2. Требуется источник питания 12 В (минимум) или в соответствии с напряжением.
3. LM358
4. 100 мкФ 25 В
5. IRF540N
6. Радиатор (согласно требованиям приложения)
7. горшок обрезной 50к.
8. Резистор 1 кОм с допуском 1%
9. Резистор 1Meg
Резистор
10. 100 кОм с допуском 1%.
11. Резистор 1 Ом, 2 Вт (максимум 2 Вт при токе нагрузки 1,25 А)
12. Провода для макета

Схема защиты от перегрузки по току

Простая схема защиты от перегрузки по току может быть спроектирована с использованием операционного усилителя для определения перегрузки по току, и в зависимости от результата мы можем управлять Mosfet для отключения / подключения нагрузки к источнику питания.Принципиальная схема для того же проста и ее можно увидеть на изображении ниже

.

Рабочая цепь защиты от сверхтока

Как видно из принципиальной схемы, полевой МОП-транзистор IRF540N используется для управления нагрузкой как ВКЛ или ВЫКЛ во время нормального состояния и состояния перегрузки . Но перед отключением нагрузки важно определить ток нагрузки. Для этого используется шунтирующий резистор R1 , который представляет собой шунтирующий резистор 1 Ом и мощностью 2 Вт.Этот метод измерения тока называется Shunt Resistor Current Sensing , вы также можете проверить другие методы измерения тока, которые также можно использовать для обнаружения перегрузки по току.

Во включенном состоянии полевого МОП-транзистора ток нагрузки протекает через сток полевого МОП-транзистора к истоку и, наконец, к земле через шунтирующий резистор. В зависимости от тока нагрузки шунтирующий резистор создает падение напряжения, которое можно рассчитать по закону Ом . Поэтому предположим, что при протекании тока 1 А (ток нагрузки) падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1 В, как V = I x R (V = 1 A x 1 Ом).Итак, если это падение напряжения сравнивается с заранее заданным напряжением с помощью операционного усилителя, мы можем обнаружить перегрузку по току и изменить состояние полевого МОП-транзистора, чтобы отключить нагрузку.

Операционный усилитель обычно используется для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение и т. Д. Поэтому в этой схеме операционный усилитель LM358 настроен как компаратор. Согласно схеме, компаратор сравнивает два значения. Первый из них является падение напряжения через шунт, а другой представляет собой предопределенное напряжение (опорное напряжение), используя переменный резистор или потенциометр RV1.RV1 действует как делитель напряжения. Падение напряжения на шунтирующем резисторе воспринимается инвертирующим выводом компаратора и сравнивается с опорным напряжением, подключенным к неинвертирующему выводу операционного усилителя.

В связи с этим, если считанным напряжением меньше, чем опорное напряжение, компаратор будет производить положительное напряжение на выходе, которая близка к VCC компаратора. Но, если считанное напряжение больше, чем опорное напряжение, компаратор будет производить отрицательное напряжение питания через выход (отрицательное питание подключено через GND, поэтому 0В в данном случае).Этого напряжения достаточно для включения или выключения MOSFET.

Работа с переходным откликом / проблемой стабильности

Но когда высокая нагрузка будет отключена от источника питания, переходные изменения создадут линейную область на компараторе, и это создаст петлю, в которой компаратор не сможет правильно включить или выключить нагрузку, и операционный усилитель станет нестабильный . Например, предположим, что 1А устанавливается с помощью потенциометра для переключения полевого МОП-транзистора в состояние ВЫКЛ.Поэтому переменный резистор настроен на выход 1 В. В ситуации, когда компаратор обнаруживает, что падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1,01 В (это напряжение зависит от точности операционного усилителя или компаратора и других факторов), компаратор отключит нагрузку. Переходных изменения возникают, когда высокая нагрузка внезапно отключена от блока питания, и это кратковременное повышение опорного напряжения, который приглашает плохие результаты через компаратор и заставляет его работать в линейной области.

Лучший способ для решения этой проблемы заключается в использовании стабильного питания через компаратор, где переходные изменения не влияют на входном напряжение компаратора и источник опорного напряжения. Мало того, в компараторе необходимо добавить дополнительный гистерезис метода. В этой схеме это выполняется линейным регулятором LM7809 и резистором гистерезиса R4, резистором 100 кОм. LM7809 обеспечивает надлежащее напряжение на компараторе, так что переходные изменения в линии питания не влияют на компаратор.C1, конденсатор емкостью 100 мкФ используется для фильтрации выходного напряжения.

Гистерезисный резистор R4 подает небольшую часть входного сигнала на выход операционного усилителя, что создает разрыв по напряжению между нижним порогом (0,99 В) и высоким порогом (1,01 В), когда компаратор меняет свое выходное состояние. Компаратор не изменяет состояние немедленно, если достигается пороговая точка, вместо этого, чтобы изменить состояние с высокого на низкий, измеренный уровень напряжения должен быть ниже, чем нижний порог (например, 0.97 В вместо 0,99 В) или чтобы изменить состояние с низкого на высокое, измеренное напряжение должно быть выше верхнего порога (1,03 вместо 1,01). Это повысит стабильность компаратора и уменьшит количество ложных срабатываний. Помимо этого резистора, R2 и R3 используются для управления затвором. R3 — это понижающий резистор затвора полевого МОП-транзистора.

Тестирование цепи защиты от сверхтока

Схема построена на макетной плате и протестирована с использованием лабораторного источника питания вместе с переменной нагрузкой постоянного тока.

Схема проверена, и было замечено, что выход успешно отключился при различных значениях, установленных переменным резистором. Видео, представленное в нижней части этой страницы, показывает полную демонстрацию тестирования максимальной токовой защиты в действии.

Советы по проектированию защиты от сверхтоков

• RC демпферная цепь на выходе может улучшить EMI.
• Радиатор большего размера и специальный МОП-транзистор могут быть использованы для требуемого приложения.
• Хорошо сконструированная печатная плата повысит стабильность схемы.
• Мощность шунтирующего резистора необходимо регулировать в соответствии с степенным законом (P = I ² R) в зависимости от тока нагрузки.
• Очень маломощный резистор в миллиомах можно использовать для небольшого корпуса, но падение напряжения будет меньше. Для компенсации падения напряжения можно использовать дополнительный усилитель с соответствующим усилением.
• Для решения проблем, связанных с точным измерением тока, рекомендуется использовать специальный усилитель измерения тока.

Надеюсь, вы поняли руководство и получили из него что-то полезное. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в комментариях или используйте форумы для других технических вопросов.

.