Микросхема LTC4366: надежная защита от скачков напряжения до 500 В

29 Июн 2017

Авторы статьи

Вячеслав Гульванский, Дмитрий Каплун, к. т. н., Юрий Сердитов, Павел Башмаков [email protected]

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №1 2017)

Скачать статью в формате PDF (220 КБ)

---

В транспортных средствах электроника сталкивается с уникальными проблемами, основной из которых является работа при кратковременных всплесках электроэнергии. Без должной схемы защиты скачки напряжения способны моментально вывести аппаратуру из строя. Из-за сложностей с неустойчивым питанием в этой области были разработаны стандарты, устанавливающие регламенты для электрических систем, действующих от источников питания 12 В и 28 В в различных транспортных средствах. Проектирование систем, устойчивых к скачкам напряжения и связанным с ними переходными процессами, обычно требует больших и дорогих пассивных компонентов.

Подавляющая скачки напряжения линейка продуктов от компании Linear Technology не только предназначена для защиты систем от подобных скачков, но и способна сократить стоимость и размер решения.

 

Традиционные способы, позволяющие устранить скачки напряжения, — это подавления с помощью индуктивностей, конденсаторов, разрядников и предохранителей. Компания Linear Technology создала микросхему LTC4366, защищающую электронные системы от скачков напряжения свыше 500 В интеллектуальным регулированием через транзистор с диапазоном рабочих температур –40… +150 ° С. Главной особенностью данной схемы является «плавающая» топология, способная работать с высокими напряжениями независимо от максимально допустимых напряжений внутренних цепей микросхемы. Два внутренних параллельных стабилизатора соединены с внешними резисторами, образуя цепь питания микросхемы. Максимальное напряжение скачков ограничивается параметрами внешних резисторов и транзистора. Микросхема LTC4366 — первый продукт подобного класса, способный, к примеру, предохранить 12-В цепь от скачков напряжения до 500 В без использования дополнительных защитных компонентов.

«Плавающая» топология позволяет LTC4366 функционировать в широком диапазоне входных напряжений 9–500 В. Хорошо регулируемый выход обеспечивает гибкость контроля уровня выходного напряжения, не влияя на работу системы. Суммарное потребление во включенном состоянии не превышает 20 мкА. Применение этой микросхемы снижает затраты при производстве низковольтного оборудования, поскольку исчезает потребность в высоковольтных компонентах. Микросхемы изготавливаются в 8-выводных корпусах TSOT-23 и DFN (размер 3×2 мм).

 

Существующие разновидности

Выпускаются две версии LTC4366, отличающиеся друг от друга реакцией на неисправности. После того как неисправность устранена, LTC4366-1 выключается, в то время как LTC4366-2 автоматически повторяет попытку включения. LTC4366-1 и транзистор остаются выключенными до того момента, пока контакт SD не будет переведен в низкий уровень (LOW), а затем в высокий (HIGH). Данной операцией стирается ошибка, а затем LTC4366-1 включает транзистор.

LTC4366-2 ожидает 9 с, потом автоматически стирает все ошибки и перезапускается.

Существует возможность изменения времени выключения питания из-за скачка напряжения. Настраиваемый таймер неисправности ограничивает рассеивание мощности на внешнем транзисторе. Во время «ошибки» по питанию на контакт TIMER подается ток, заряжающий конденсатор (С

T). Это позволяет работать транзистору в нижних зонах SOA-диаграмм. Путем регулирования скорости нарастания выходного напряжения на контакте GATE пусковое ограничение исключает выбросы тока, проходящие через транзистор на выход.

В выключенном режиме LTC4366 отключает внешний транзистор, соединяя контакты GATE и OUT вместе с коммутацией на транзистор, что позволяет уменьшить потребление тока до значения, не превышающего 20 мкА. В автомобильной промышленности низкий ток отключения минимизирует разряд аккумулятора при стоянке в течение долгого времени, а в портативной электронике позволяет дополнительно сохранить заряд батареи.

 

Режимы работы

Плата LTC4366 имеет три режима работы: старт, рабочий и регулирование. В рабочем режиме и режиме регулирования микросхема получает большую часть своей мощности с выхода платы, таким образом транзистор изолирует скачок напряжения от контактов питания микросхемы. Соответственно, можно поднять напряжение до напряжения пробоя внешнего транзистора.

В режиме старта протекающий ток номиналом 15 μA течет через резистор R_IN, где половина напряжения предназначена для подачи на затвор, а другая половина используется в качестве тока смещения. При подаче напряжения с контакта GATE внешний транзистор подает питание на контакт OUT (рис. 1). Данные события переводят микросхему в рабочий режим, где выход достаточно высок для питания схемы с накачкой заряда, которая управляет затвором транзистора.

Как только на микросхему LTC4366 поступает питание, она готова к защите нагрузки от мгновенного перенапряжения. Защита нагрузки происходит в режиме регулирования при помощи усилителя регулирования перенапряжения, подключенного к источнику напряжения 1,23 В. Если падение напряжения в резисторе обратной связи R_FB1 превышает 1,23 В, усилитель регулирования опускает напряжение затвора, чтобы вернуть напряжение R

FB1 к значению 1,23 В. Это позволяет отношению R_FB1/R_FB2 установить выходное напряжение на заданном уровне (рис.1).

Рис. 1. Функциональная схема LTC4366

Во время контроля скачков напряжения избыточное напряжение падает на транзисторе. Для предотвращения перегрева транзистора микросхема LTC4366 ограничивает время контроля перенапряжения, используя внутренний таймер, подключенный к контакту TIMER. Контакт заряжается током номиналом 9 μA, пока напряжение не превысит 2,8 В. В этот момент он устанавливает ошибку перенапряжения, транзистор выключается, и микросхема переходит в 9-с период. При охлаждении транзистора напряжение с контакта GATE подключается к контакту OUT.

В начале пуска, во время завершения работы или после ошибки перенапряжения контакт GATE замыкается на контакте OUT, тем самым отключая транзистор. Это позволяет замкнуть контакты V_SS и OUT на «землю» при помощи выходной нагрузки и R_SS. В таком состоянии контакт V_DD замыкается через 12-В шунтирующий регулятор на V_SS. Полное напряжение питания –12 В подается на RIN, который устанавливает шунтирующий ток, достигающий 10 мА — на несколько порядков выше, чем типичный для V

DD ток покоя номиналом 9 μA.

 

Ошибка перенапряжения

Как правило, внешний транзистор полностью включен, питая нагрузку с очень небольшим падением напряжения. По мере увеличения входного напряжения, напряжение на выходе также увеличивается, пока не достигнет точки регулирования (V_REG). С этой точки дальнейшее увеличение напряжения сбрасывается на транзисторе. Транзистор не выключается, так как LTC4366 разрешает продолжить работу в течение короткого времени перенапряжения.

Рис. 2. Схема включения для защиты от скачков при входном напряжении 28 В

LTC4366 имеет два регулятора в сочетании с внешним резистором для отработки перенапряжения, R_SS и R_IN

, для генерирования внутреннего питания на выводах V_DD и OUT. Это шунтирующее внутреннее питание позволяет защитить от перенапряжения при неограниченных высоковольтных переходных процессах, независимо от номинального напряжения внутренней электрической схемы LTC4366.

Когда напряжение на выходе больше или равно V_REG, запускается таймер, предотвращающий чрезмерное нагревание транзистора. Обычно TIMER удерживается на низком уровне с током 1,8 μA. Во время регулирования TIMER заряжается током 9 μA. Если режим регулирования держится достаточно долго, чтобы на контакте TIMER оставалось напряжение большее или равное 2,8 В, микросхема генерирует ошибку превышения напряжения.

После ошибки перенапряжения микросхема позволяет транзистору остыть и запустить питание заново (LTC4366-2), или выставляется уровень на контакте SD, пока на микросхему не будет подана команда перезапуска (LTC4366-1).

Правильный выбор R_SS резистора (рис. 2) является важным фактором. Во время перенапряжения выходной контакт OUT находится под напряжением регулирования (V_REG), а напряжение на R_SS соответствует V_REG –5,7 В. Большое различие между минимальным напряжением питания и напряжением регулирования может потребовать сопротивления R

SS с высокой номинальной мощностью.

Полное напряжение питания –12 В может появиться на сопротивлении R_IN во время перенапряжения. Обычно R_IN в несколько раз больше, чем R_SS, что позволяет снизить требования к мощности и физическим размерам R_IN.

 

Применение

Высоковольтное применение

Рис. 3. Защита от высокого переменного напряжения

На рисунке 3 представлена схема, которая выпрямляет напряжение 110 В AC до 160 В DC и защищает нагрузку от случайного подключения к 220 В AC, ограничивая выходной сигнал до 200 В DC.

Данная схема может работать в диапазоне 100–800 В на входе, где напряжением пробоя транзистора служит максимальное входное напряжение. Во внутреннюю схему с накачкой заряда встроен 0,47-μF шунтирующий конденсатор (C₁), что обеспечивает хорошую устойчивость к шумам при перепадах напряжения.

 

Автомобильное применение

На рис. 4 показана электрическая схема, которая защищает от обратного напряжения и применяется в автомобильных задачах. Когда положительное напряжение сначала подается на вход, D3 и база-коллектор узла Q2 позволяют получать М2 входное напряжения минус падение напряжение на двух диодах. Диод M2 передает мощность на LTC4366. После подачи питания на LTC4366 напряжение поступает на M1 и M2. Транзисторы M1 и M2 обеспечивают низкий импеданс нагрузке. Во время перенапряжения D1 блокирует избыточное положительное напряжение питания на входе, подходящего к контакту GATE LTC4366. D4 устраняет протекание тока через R6, когда вход положительный. D3 предотвращает пробой между эмиттером и базой Q2, если к входу подключено питание.

Во время отрицательного входного напряжения Q2 включается, когда ток от R6 усиливает прямое падение напряжение диодов на R5. Q2 удерживает затвор M2 на входном напряжении, что приводит к выключению M2.

Рис. 4. Включение при применении в автомобильных задачах

 

Заключение

Продукты ограничения скачков напряжения компании Linear Technology, использующие транзисторы для блокировки входных скачков и пиков высокого напряжения, обеспечивают бесперебойное питание по всей схеме. Блокирование напряжения групповыми компонентами позволяет избежать перегорания предохранителей и повреждений, возникающих при попытке микросхемы подать большую мощность на «землю» при помощи громоздких пассивных компонентов. Если при максимальном рассеивании переходных процессов(например, при скачке напряжения) превышаются возможности одного полевого транзистора, можно создать группу из нескольких транзисторов, что позволит поддерживать более высокие уровни мощности.

LTC4366 идеальна для жестких промышленных, автомобильных и авиационных применений, когда система должна функционировать при ощутимых перепадах и скачках напряжения. Примерами подобных применений могут служить цепи защиты с высоковольтным питанием, защита от переходных процессов электрического двигателя или защита от неправильного подключения к источникам питания.

Защита от электрического перенапряжения, способы и компоненты

Что такое электрическое перенапряжение?

«Электрическое перенапряжение» (в англ. терминологии — electrical overstress) — общее понятие, описывающее систему, которая испытывает перегрузку от слишком большого количества электронов (в общем понимании, энергии внешнего воздействия), пытающихся проникнуть в ее схему. Здесь важно помнить, что электрическое перенапряжение представляет собой функцию мощности и времени.

Это дает возможность абстрагировать сложную схему, представив ее как один простой компонент, рассеивающий энергию, — например, резистор. Представьте воздействие напряжения в 1,1 В на резистор 1 Ом с номинальной рабочей мощностью 1 Вт. Уравнение для рассеиваемой мощности

P = V²/R

показывает, что на резисторе при таком воздействии мы имеет 1,21 Вт рассеиваемой мощности. Несмотря на то, что резистор рассчитан на 1 Вт, он, и это вполне вероятно, имеет некоторый заложенный в его конструкцию изготовителем технологический запас, поэтому способен вынести такую перегрузку как минимум в течение некоторого времени. Однако поскольку мы — инженеры, то должны сказать здесь «вероятно», а не «гарантированно».

А что произойдет, если мы увеличим напряжение до 2 В? Сэкономленные на этом резисторе деньги превратят его для вас в своеобразный обогреватель, пусть даже такая перегрузка действует в течение очень ограниченного периода. Напомню, что мощность зависит от квадрата напряжения V²/R, и в данном случае (по сравнению с предыдущим примером) на нашем резисторе будет рассеивается в четыре раза больше мощности!

Ну а что будет, если увеличить напряжение на резисторе до 10 В, но только на время, например на 10 мс? То есть здесь мы имеем дело с импульсом, причем определенной формы, поскольку необходимо учитывать не только его амплитуду, но и скорость нарастания и спада. И вот тут-то все становится интересным. В этом случае уже невозможно просто рассказать об эффектах такого воздействия, не понимая его влияния и того, к чему оно приводит в конкретном приложении. Поняв это, мы сможем применить полученные знания ко всей системе.

 

Что подвержено электрическому перенапряжению?

В общем, все, что имеет внутри ту или иную электронику, подвержено электрическому перенапряжению. Особенно уязвимы те части, которые взаимодействуют с внешним миром, так как они, вероятно, в первую очередь подвергнутся электростатическому разряду (electrostatic discharge, ESD), последствиям от удара молнии и т. д. В этом плане нас интересуют такие системные компоненты, как USB-порты, аналоговые входы осциллографов и даже порт зарядки новейших высокопроизводительных блендеров на основе технологии «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT).

 

Откуда мы знаем, от чего защищаться?

Хотя мы понимаем, что необходимо предохранить систему от электрических перенапряжений, термин «защита» слишком широк, чтобы быть полезным, когда речь идет о принятии решения о том, как именно требуется защитить нашу систему. Вот почему сотрудники МЭК (Международная электротехническая комиссия — международная некоммерческая организация по стандартизации в области электрических, электронных и смежных технологий) и многих других организаций проделали весьма непростую работу, чтобы выяснить, с какими типами электрических перенапряжений мы можем столкнуться в реальной жизни и каковы их параметры, определяющие воздействия. Мы сконцентрируемся на стандартах МЭК, поскольку они охватывают приложения для самого широкого рынка РЭА, а сложность их понимания послужила причиной написания данной статьи.

Рис. 1. Форма разрядного тока испытательного генератора (контактный разряд, испытательное напряжение 8 кВ)

В таблице 1 приведены три базовых стандарта, которые определяют, с какими типами электрических перенапряжений может столкнуться система. И хотя в данной статье подробно будет обсуждаться проблема защиты от разряда статического электричества, мы должны иметь определенное понятие и знания по таким вызывающим перенапряжения воздействиям, как электрические быстрые переходные процессы (electrical fast transient, EFT) и короткие скачки (выбросы) напряжения.

Рис. 2. Электрические быстрые переходные напряжения уровня 4, соответствующие стандарту IEC-61000-4-4 (ГОСТ IEC 61000-4-4-2016)

Таблица 1. Технические стандарты МЭК и их аналоги

Стандарт/ ГОСТ Р	Наименование стандарта		Источник воздействия	Источник воздействия Характеристика воздействия
	МЭК	ГОСТ Р
IEC 61000­4­2/ ГОСТ 30804. 4.2­2013	Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4­2: Testing and measurement techniques. Electrostatic discharge immunity test	Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний (с поправкой)	Электростатический разряд	Одиночное воздействие импульса очень высокого напряжения, сверхмалой длительности
IEC 61000­4­4 / ГОСТ IEC 61000­4­4­2016	Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4­4: Testing and measurement techniques. Electrical fast transient/burst immunity test, IDT	Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4­4. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам)	Внешние коммутирующие компоненты (например, броски ЭДС самоиндукции от двигателей)	Повторяющиеся воздействия коротких импульсов высокого напряжения
IEC 61000­4­5/ ГОСТ IEC 61000­4­5­2017	Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4­5: Testing and measurement techniques. Surge immunity test, IDT	Электромагнитная совместимость (ЭМС).  Часть 4­5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения	Удары молний, переходные процессы в энергосистеме (например, от повышающих преобразователей)	Импульсы высокого напряжения, относительно большой длительности

Рис. 3. Нормализованный выброс тока (8/20 мкс) согласно IEC-61000-4-5

На рис. 1–3 показаны примеры форм воздействующих импульсов перенапряжения, установленные стандартами, приведенными в таблице 1. А на рис. 4 представлена упрощенная схема испытательного генератора, используемого в соответствии со стандартом IEC‑61000–4­2, и ее практическое применение.

Рис. 4. Упрощенная схема испытательного генератора, используемого в соответствие стандарта IEC-61000-4-2, и ее практическое применение

 

Но разве люди, которые разработали интегральные схемы, уже не защищали чипы от электростатического разряда?

Это вполне законный вопрос, но ответ на него в целом не удовлетворительный: и да и нет. Да, микросхемы разработаны с устойчивостью по отношению к электростатическим разрядам, но в ситуациях, когда они находятся на технологической линии, а не когда они работают в конкретных системах и на них подано рабочее напряжение. Такой момент очень важен, потому что, если на операционный усилитель (ОУ) подается питание, он при воздействии разряда статического электричества может вести себя совершенно иначе, чем если бы он не был подключен к чему-либо. Например, воздействие электростатического разряда на компоненты РЭА без питания может рассеиваться внутренними защитными диодами. Однако подобное воздействие с поданным питанием способно привести к тому, что внутренние структуры ОУ будут проводить больше тока, чем тот, на который они рассчитаны. Это, естественно в зависимости от типа компонента и напряжений питания, может привести к выгоранию его внутреннего содержимого или как минимум входных цепей, от чего вам легче не будет.

 

Как защитить свои микросхемы от этой надвигающейся угрозы?

Как вы понимаете, здесь настолько много вариантов, что простое решение не может быть применено ко всем вероятным ситуациям. Ниже приведен список факторов, которые будут определять, выдержит компонент РЭА событие в виде электрического перенапряжения или нет. Список разделен на две группы: не зависящие от нас факторы, которые мы не можем контролировать, и факторы, которые мы не только можем, но и должны контролировать.

Факторы, которые мы не можем контролировать:

• Форма испытательного сигнала, определенная МЭК. Все виды воздействий импульса разрядного тока испытательного генератора на проверку устойчивости к электростатическому контактному разряду, представление электрических быстрых переходных процессов (пачек) и импульс при испытании на устойчивость к выбросу напряжения имеют совершенно разные профили, поэтому они будут использовать определенные недостатки устройств, на которые они по­разному воздействуют.
• Технологический процесс и сама технология рассматриваемого компонента. Некоторые технологии изготовления микросхем более уязвимы для блокировки, чем другие. Например, процессы КМОП (CMOS) наиболее подвержены блокировке, но существуют способы смягчения этой опасности посредством тщательного проектирования и технологии изоляции канавками с диэлектрическим материалом (структура ИС с щелевой изоляцией), используемые во многих современных процессах.
• Внутренняя структура устройства. Существует так много способов разработки ИС, что схема защиты, пригодная для одной ИС, окажется бесполезной для другой. Например, многие устройства имеют схемы синхронизации, включающие защитные структуры при обнаружении достаточно быстрого сигнала. То есть устройство, которое «выживет» после разряда статического электричества, «погибнет», если вы добавите достаточную емкость к месту воздействия. Этот ответ нелогичен, но его очень важно понять: проблема в том, что общий метод защиты схемы путем использования RC­фильтра может здесь не решить, а лишь усугубить проблему.

Факторы, которые мы можем контролировать:

• Компоновка элементов и разводка цепей подключения на печатной плате. Чем ближе радиоэлементы окажутся к месту воздействия перенапряжения, тем выше вероятность получения ими сигнала более высокой энергии. Это происходит потому, что, когда воздействующий сигнал (в виде тока или напряжения) распространяется по дорожке печатной платы, его энергия рассеивается в виде электромагнитного излучения по пути его распространения. Кроме того, энергия импульса перенапряжения переходит в тепло, обусловленное сопротивлением пути его распространения, поглощается паразитными емкостями, а часть энергии импульса через емкостную и индуктивную связь попадает на соседние проводники.
• Схема защиты. Именно здесь мы можем оказать наиболее существенное влияние на обеспечение живучести нашего конечного устройства.

Понимание того, как максимально эффективно разработать схему защиты, даст нам вышеперечисленное — именно то, что мы не можем контролировать.

 

У вас уже есть такие классные функции, как защита от перенапряжения (overvoltage protection, OVP) и OTT. Каким образом использовать их для защиты от переходных процессов высокого напряжения?

Что можно ответить на это? Нет, нет и нет! Никогда так не делайте. Это глупая идея. Функции OVP и OTT (операционные усилители типа Over-The-Top имеют топологию входных каскадов, позволяющую им при замкнутой обратной связи работать с напряжениями, намного превышающими напряжение положительной шины питания) действительно позволяют входам такого компонента пережить напряжения, выходящие за пределы напряжений питания, с нулевой вероятностью повреждения. Полагаться на эти функции для защиты от переходных напряжений высокого напряжения — все равно что надеяться на резиновые сапоги при воздействии струи воды от мойки высокого давления Karcher. Резиновые сапоги предназначены для луж, которые меньше их высоты, так же как OVP и даже OTT пригодны лишь для напряжений ниже номинальных значений. Номинальное напряжение таких защитных решений составляет порядка максимум десятков вольт выше номинального напряжения шины питания, но они не помогут вам устоять против удара уровнем 8000 В.

 

Как узнать, какая схема защиты будет реально работать?

Мы можем получить разумное представление о том, какими будут оптимальные варианты и компоненты защиты для использования в вашей системе, только используя комбинацию теоретических знаний, опыта (часто горького) и тестирования устройств. Для обеспечения должной управляемости процесса защиты от перенапряжений существует огромный, предлагаемый разными производителями перечень компонентов защиты. Но чтобы не превратить информационную статью в многотомное руководство, в ней будет рассказано только о двух схемах защиты цепей, доказавших свою эффективность в защите аналогового входного каскада. Основой будет устройство, которое использует для внешней связи буферный каскад на основе операционного усилителя (ОУ) в неинвертирующей конфигурации. Мы выбрали этот вариант, поскольку считается, что он самый сложный, ведь неинвертирующий вход ОУ принимает на себя весь удар импульса перенапряжения без каких-либо естественных ограничений, разумеется, до установки элементов защиты (рис. 4).

 

Схема защиты на основе RC-звена

Простейший из вариантов защиты — использование обычного RC-звена. Схема такой защиты применительно к буферному ОУ представлена на рис. 5, а его преимущества и недостатки сведены в таблице 2.

Таблица 2. Преимущества и недостатки защиты аналогового входного каскада путем использования RC­-звена

Преимущества	Недостатки
Дешевизна (затраты примерно 5 центов)	R1 генерирует тепловые шумы
Малая занимаемая площадь на печатной плате	RC­-цепь ограничивает скорость приема данных
Малый ток утечки	Необходимость тщательного выбора конденсатора
	Недостаточная устойчивость к повторяющимся воздействиям

Соображения по выбору элементов защиты:

• Резистор R1 должен быть устойчивым к импульсным воздействиям, то есть толстопленочным резистором, — это необходимо, чтобы он не мог быстро выйти из строя при переходных процессах высокого напряжения.
• Шум напряжения, генерируемый резистором R1, пропорционален квадратному корню из сопротивления резистора — это важный фактор, который следует учитывать, если система должна иметь низкий уровень шума.
• Конденсатор C1 должен быть керамическим, типоразмера не менее 0805, это требуется, чтобы избежать его механической деформации при воздействии импульса перенапряжения и, соответственно, его растрескивания или полного механического разрушения.
• Конденсатор C1 должен быть выполнен как минимум из диэлектрика X5R (в идеале C0G/NP0), так как для поддержания предсказуемой емкости важен низкий температурный коэффициент емкости.
• Конденсатор C1 должен иметь как можно меньшие эквивалентные последовательные индуктивность (equivalent series inductance, ESL) и сопротивление (equivalent series resistance, ESR), чтобы он мог эффективно поглощать импульс воздействия.
• Конденсатор С1 в выбранном варианте исполнения корпуса должен иметь как можно более высокое номинальное рабочее напряжение (минимум 100 В).
• Конденсатор C1 включен перед резистором R1, потому что он создает емкостный делитель с конденсатором 150 пФ (рис. 5), который разряжает сигнал генератора ESD в нашу систему, а задача конденсатора C1 — поглотить эту энергию или ее большую часть.

Рис. 5. Защита входа с помощью фильтра нижних частот на аналоговом входе

Хотя данный метод защиты аналоговых входных каскадов не одобрен производителями конденсаторов, он продемонстрировал свою эффективность в течение сотен испытаний усилителей. Однако профиль тестирования на устойчивость к контактному разряду статического электричества (показанный на рис. 1) был испытан только на ограниченном ряде конденсаторов (табл. 4), поэтому, если используются конденсаторы других типов, крайне важно уточнить, как они справляются с воздействиями импульсов перенапряжения, например, путем измерения емкости и последовательного сопротивления до и после воздействия. После снятия импульса перенапряжения конденсатор должен сохранять свою емкость и не иметь критических токов утечки для напряжения постоянного тока.

 

Схема защиты с использованием TVS-диодов

Схема защиты аналоговых входных каскадов на основе TVS-диодов (Transient-voltage­suppression diode), специально разработанных для подавления переходных напряжений, считается еще одним эффективным и часто используемым решением. Схема простейшего варианта такого решения представлена на рис. 6, а его преимущества и недостатки сведены в таблице 3.

Таблица 3. Преимущества и недостатки защиты аналогового входного каскада путем использования TVS-­диодов

Преимущества	Недостатки
Не очень дорогой (затраты 20–30 центов)	R1 генерирует тепловые шумы
Малая занимаемая площадь на печатной плате	D1 имеет ток утечки
Высокая устойчивость	D1 имеет собственную емкость 5–300 пФ

Соображения по выбору:

• Аналогично защите на основе RC­-цепи резистор R1 должен выдерживать импульсы напряжения, может потребоваться учитывать генерируемые им шумы.
• Диод D1 должен быть специфицирован для стандартов, соблюдение которых должно стать обязательным. В одних случаях от него может требоваться только зашита от электростатического контактного разряда, а в других случаях — защита от электрических быстрых переходных процессов (пачек) и устойчивость к выбросам напряжения.
• Диод D1 должен быть двунаправленным, чтобы блокировать как положительные, так и отрицательные импульсы перенапряжения.
• Ограничивающее рабочее напряжение диода D1 должно быть выбрано как можно более высоким, но следует проверить его достаточность, выполнив необходимые испытания. Слишком низкое рабочее напряжение диода способно привести к появлению тока утечки при нормальных уровнях напряжения системы. Слишком высокое рабочее напряжение может не позволить ему среагировать на импульс перенапряжения, и система будет повреждена.

Рис. 6. Защита входа аналогового входного каскада с помощью TVS-диода

 

Но я слышал, что TVS-диоды имеют высокий ток утечки, который ухудшит производительность моей системы

В области аналоговой электроники бытует общепринятое мнение, что TVS-диоды имеют весьма высокие токи утечки и, следовательно, не могут использоваться в прецизионных аналоговых входных каскадах. Это утверждение не обязательно ошибочно. Действительно, многие спецификации на TVS-диоды показывают ток утечки, не превышающий 100 мкА, но это значение является довольно высоким для большинства аналоговых входных каскадов. Проблема здесь заключается в том, что ток утечки берется при максимальном рабочем напряжении и при максимальной температуре (+150 °C). В этом случае диод будет иметь высокий ток утечки. Все TVS-диоды в силу своей природы начинают увеличивать ток утечки при температурах, превышающих +85 °C. Так что если вы выбираете TVS-диод с оптимально высоким рабочим напряжением и не планируете использовать ваш конечный продукт на температурах, значительно превышающих +85 °C, то в реальности можно ожидать гораздо меньших, некритических токов утечки.

Вы можете удивиться, увидев, насколько незначительным будет ток утечки, связанный с TVS-диодом, если вы правильно его выберете. На рис. 7 показаны данные измерения утечки 12 TVS-диодов одного типа.

Рис. 7. Ток утечка 36-В двунаправленных диодов TVS-диодов T36SC компании Bournes с использованием оценочной платы ADA4530 с экранированием и резистором номиналом 10 ГОм при температуре 25 °C

Из двенадцати измеренных TVS-диодов при смещении постоянного тока 5 В у наихудшего из них был ток утечки 7 пА.  Это более чем в 10 млн раз лучше, нежели при наихудшем сценарии согласно спецификации. Естественно, здесь с точки зрения токов утечки имеются различия от партии к партии диодов, но это должно по крайней мере иллюстрировать порядок того, чего можно ожидать. Если наша система не будет эксплуатироваться при температурах выше +85 °C, то TVS-диоды могут оказаться весьма неплохим вариантом. Просто не забудьте проверить ток утечки, если выбираете другие продукты, а не те, которые были специально здесь протестированы. То, что может быть правдой для одного типа радиоэлемента или производителя, не всегда соответствует действительности для других.

 

Результаты тестирования

Для получения результатов по эффективности защиты была протестирована серия операционных усилителей с использованием стандарта МЭК (IEC‑61000–4-2) в части требований по устойчивости к электростатическим разрядам. В таблице 4 показано, какие компоненты предохраняют те или иные схемы защиты. Несмотря на то, что стандарт предусматривает испытания тремя воздействиями импульса перенапряжения уровнем ±8 кВ, все представленные схемы (чтобы обеспечить достаточный технологический запас по степени защиты) прошли тестирование при 100 импульсах воздействия уровнем ±9 кВ.

Таблица 4. Список устройств и соответствующих им конфигураций защиты, которые прошли испытания на соответствие стандарту IEC-­61000­-4-­2

Наименование продукта	Основная характеристика, полоса пропускания	Элементы защиты
		R, Ом	C, пФ	D, V_WM
AD823	С входным каскадом на полевых транзисторах	220	100
	16 МГц	68		36
ADA4077	Малошумящий, рецизионный	220	100
	3,9 МГц	68		36
ADA4084	Low noise	220	100
	15,9 МГц	68		36
ADA4522	Малошумящий, рецизионный	220	100
	2,7 МГц	68		36
ADA4528	Малошумящий, рецизионный	220	100
	3 МГц	68		36
ADA4610	Малошумящий, рецизионный	220	100
	15,4 МГц	68		36
ADA4622	Малошумящий, рецизионный	220	100
	8 МГц	68		36
ADA4625	Low noise, JFET	220	100
	18 МГц	68		36
ADA4661	Прецизионный	220	100
	4 МГц	68		36
LT1490	Микромощный	220	100
	200 кГц	68		36
LT6016	Маломощный, прецизионный, OTT	220	100
	3,2 МГц	68		36
LT6018	Малошумящий, прецизионный	220	100
	15 МГц	68		36
LT1636	Микромощный, OTT	220	100
	200 кГц	220		36
LT1638	Микромощный, OTT	220	100
	1,1 МГц	68		36
LT1494	Микромощный, прецизионный, OTT	220	100
	100 Гц	68		36

Согласно стандарту МЭК, требуется, чтобы заземление генератора испытательного импульса было подключено к заземлению усилителя через два резистора номиналом 470 кОм параллельно с конденсатором емкостью 30 пФ.  Используемая тестовая установка выполнена более жесткой, потому что заземление генератора испытательного сигнала было напрямую связано с заземлением усилителя. Для дополнительной аутентичности эти результаты были также проверены и с помощью описанной выше схемы заземления в соответствии с требованиями МЭК. Имейте в виду, что усилители имеют очень разные внутренние структуры — то, что пригодно для устройств из предложенного списка, может работать или нет для других. Рекомендуется, чтобы при использовании иных операционных усилителей или других защитных компонентов они предварительно были тщательно протестированы.

Используемые компоненты защиты:

• Резисторы: серия ERJ-P6, типоразмер 0805, производство компании Panasonic.
• Конденсаторы: керамические, типоразмера 0805, диэлектрик C0G/NPO, номинальное рабочее напряжение 100 В, производства компании Yageo.
• TVS-диоды: CDSOD323‑T36SC, производство компании Bourns (двунаправленные, напряжение 36 В, с малым током утечки, нормированные для защиты от электростатического контактного разряда, электрических быстрых переходных процессов (пачек) и устойчивые к выбросам напряжения в рамках требований соответствующих стандартов).
• Варисторы для защиты от разрядов статического электричества: многослойные варисторы серии MLA, типоразмер 0603, рабочее напряжение 26 В, производство компании Bourns.

 

Бонусный компонент: варистор для защиты от разрядов статического электричества

Безусловно, TVS-диоды весьма хорошие устройства, они отлично действуют и могут срабатывать неограниченное количество раз. Эта функция отлично подходит для электрических быстрых переходных процессов (пачек) и обеспечения устойчивости аппаратуры к выбросам напряжения. Но если вам нужна только защита от электростатического разряда, посмотрите на специально разработанные для этой цели варисторы. Они представляют собой резисторы с чрезвычайно высоким сопротивлением, но до тех пор, пока к ним не будет приложено определенное пороговое напряжение. Как только оно будет превышено, такой варистор практически мгновенно превращается в резистор с низкой величиной сопротивления и шунтирует через себя энергию импульса перенапряжения.

Варисторы используются в той же конфигурации, что и TVS-диоды. Их преимущество в малом токе утечки, и стоят они вполовину меньше, чем TVS-диод. Однако имейте в виду, что они не предназначены для сотен воздействий импульсов перенапряжения, поскольку их начальное сопротивление будет уменьшаться с каждым ударом. Эти варисторы тоже были протестированы на вышеуказанных продуктах и показали наилучшие результаты, когда встроенный резистор был примерно в два раза больше по номиналу, чем тот, который необходимо было бы использовать вместе с TVS-диодом.

 

А как насчет защиты от электрических быстрых переходных процессов (пачек) и обеспечения устойчивости аппаратуры к выбросам напряжения?

Вышеперечисленные продукты были протестированы только на соответствие требованиям стандарта по устойчивости к разряду статического электричества. Что касается защиты от электрических быстрых переходных процессов (пачек), это воздействие является уникальным в том смысле, что оно ударяется пачками (5 кГц или более) и с более медленным временем нарастания (5 нс), хотя напряжения не столь высоки (4 кВ и ниже). Если говорить о выбросе напряжения, он имеет примерно в 1000 раз больше энергии, чем у электрических быстрых переходных процессов (пачек), но его действие на 1/1000 короче. Если вам необходимо охватить эти стандарты, убедитесь, указано ли в спецификациях на компоненты защиты, что они могут справиться с подобными воздействиями.

 

Заключение: о защите цепи в двух словах

Если вам кажется, что RC-фильтр или TVS-диод выглядят так, будто их просто добавляют в схему после решения всех «важных» вопросов, вы глубоко ошибаетесь и сильно рискуете. Вспомните все упомянутые в этой статье моменты, оказывающие влияние на производительность системы и уровень защиты, — должную компоновку, правильный выбор, используемые аналоговые входные каскады и стандарт МЭК, требованиям которого необходимо соответствовать. Если вы вспомните об этом на раннем этапе, то на заключительной стадии, скорее всего, вам не придется экстренно перепроектировать свою систему.

Как уже было сказано, эта статья далека от детального обзора. В частности, тема чувствительности будет более подробно рассмотрена в последующих статьях. Другие проблемы в конструкции приемника базовой станции включают алгоритмы автоматической регулировки усиления (automatic gain control, AGC), оценку канала и алгоритмы выравнивания. Мы планируем дополнить эту статью серией технических публикаций, чтобы упростить процесс проектирования и сделать более понятной всю систему приемника в целом.

Автор статьи благодарит Международную электротехническую комиссию (МЭК) за разрешение на воспроизведение информации из ее международных стандартов.

Литература

1. International Electrotechnical Commission. iec.ch
2. IEC 61000–4­2 ed.2.0. iec.ch
3. IEC 61000–4­4 ed.3.0. iec.ch
4. IEC 61000–4­5 ed.3.1. iec.ch

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

     Несколько лет назад, у моих друзей проживающих в частном секторе, случилось ЧП – где-то в сети перепутали фазы и на  всю подключенную в этот момент к розеткам технику повалило напряжение 380В. Естественно телевизоры, компьютеры и музыкальные центры не спасал и дежурный режим – импульсные блоки питания летели, как дети в школу. В общем убытки у людей были колоссальные! В такой ситуации не спасло бы и релейное устройство защиты – спасти приборы можно только с помощью быстродействующих электронных устройств, обесточивающих линию при повышении сетевого напряжения до опасного уровня.  Естественно после этого случая (лучше поздно, чем никогда), народ потянулся ко мне за помощью в плане защиты от таких ситуаций. Конечно им можно было приобрести и дешёвое китайское устройство защиты от перенапряжения, но люди доверяют мне больше, чем китайцам:)

     Схему устройства защиты аппаратуры от перенапряжения выбрал из радиожурнала.

     Здесь принцип действия такой, что при превышении напряжения выше заданного безопастного уровня, устройство замкнёт сеть и сгорят или выбьют пробки. Преимущества такой защиты очевидны – сразу блокируется вся проводка, а не только те аппараты, что подключены через устройство защиты, как делается в большинстве промышленных девайсов. Напряжение срабатывания защиты примерно 270 В. Резистором R1 можно в небольших пределах изменять напряжение срабатывания. Конденсаторы С1 и С2 образуют с R1 RC-цепочку, которая препятствует срабатыванию устройства при импульсных выбросах в сети.

 

     Работа устройства зашиты от перенапряжения заключается в следующем: при напряжении в сети до 270 В стабилитроны VD3, VD4 закрыты. Также закрыты и тиристоры. При превышении действующего значения напряжения свыше 270 В открываются стабилитроны VD3, VD4, и на управляющие электроды тиристоров поступает открывающее напряжение. В зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения, ток проходит либо через тиристор VS1, либо через VS2 которые открываясь — замкнут сеть. Когда ток превышает 10 А, срабатывают автоматические выключатели. 

     Без конденсаторов С1 и С2 время срабатывания не превышает одного полупериода напряжения сети, но возможны ложные срабатывания. Так как с конденсаторами С1 и С2 снижается быстродействие устройства, можно сделать и однополупериодную схему с одним тиристором (VS1), удалив VS2, С2, VD1, VD2 и VD6, что я и сделал для простоты.

     Схема собрана навесным монтажём в пластмассовом корпусе от какого-то сетевого адаптера. Светодиод показывает, что устройство защиты от перенапряжения включенно в сеть. Включается устройство в любую разетку сети. Аппарат работает несколько лет, собрано их пять штук. Проблем с перенапряжением с тех пор ни у кого не было. Симисторы используем любые мощные на большой рабочий ток, другой вариант защитного устройства смотрите здесь.

     

Вопросы задавайте на ФОРУМЕ

6.06. Защита от больших напряжении

Cтабилизаторы напряжения и источники питания

Проектирование теплоотвода мощных схем

Как было отмечено в разд. 6.03, полезно на выходе стабилизированного источника питания иметь какую-нибудь защиту от превышения номинального напряжения. Рассмотрим, например, источник питания +5 В, питающий большую цифровую систему (мы встретим много таких примеров после гл. 7). Входное напряжение стабилизатора может быть от + 10 до + 15 В. Если проходной транзистор выйдет из строя и коллектор замкнется на эмиттер (обычная неисправность), то все нестабилизированное напряжение будет приложено к питаемой схеме и результаты будут разрушительны. Хотя предохранитель, возможно, и расплавится, но вообще-то предохранитель и кремниевые элементы в схеме будут соревноваться — кто быстрее выйдет из строя, — и скорее всего предохранитель расплавится позже. Эта проблема особенно серьезна для логических схем ТТЛ, которым требуется питание + 5 В и которые не могут выдерживать больше 7 В. Другая опасная ситуация создается при работе от «стендового» источника питания с широким диапазоном выходных напряжений, имеющего нестабилизированное входное напряжение 40 В или выше, независимо от значения выходного напряжения.

Датчик перенапряжений на стабилитроне. На рис. 6.8 показана известная схема защиты, которая выпускается также в виде модуля фирмами Lambda (тип L-6-OV-5) и Motorola (МРС2004). Ее вставляют между выходом стабилизатора и землей. Если напряжение на выходе стабилизатора превзойдет пробивное напряжение стабилитрона и прямое напряжение на диоде (для изображенной схемы — порядка 6,2 В). КУВ включится и останется в этом состоянии до тех пор, пока его анодный ток не упадет до нескольких миллиампер. Недорогой КУВ типа 2N4441 может отводить ток 5 А постоянно и выдерживать всплески тока до 80 А, перепад напряжения на нем в проводящем состоянии обычно равен 1 В при 5 А. Резистор 68 Ом должен обеспечить нормальный ток стабилитрона (10 мА) при включении КУВ, а конденсатор добавлен, чтобы схема зашиты не срабатывала от безвредных коротких всплесков напряжения.

Рис. 6.8. Защита от перенапряжения.

Описанная схема, как и все схемы защиты подобного типа, жестко устанавливает при срабатывании по напряжению на выводах источника питания напряжение «короткого замыкания» 1 В. и может быть выключена только при отключении пита- ния. Так как на КУВ в проводящем состоянии падает небольшое напряжение, нет проблем с перегревом самой схемы защиты, поэтому такая схема защиты надежна. Важно только, чтобы источник стабилизированного питания имел какую-нибудь токоограничивающую схему или хотя бы плавкий предохранитель на случай короткого замыкания. Могут появиться проблемы с перегревом самого стабилизатора при срабатывании схемы защиты. Если он содержит внутреннюю токоограничивающую схему, то плавкий предохранитель не сработает и источник питания так и будет сидеть на схеме защиты с низким напряжением на выходе, пока кто-нибудь этого не заметит. Здесь хорошо применить схему защиты от короткого замыкания с обратным наклоном характеристики.

С этой простой схемой защиты связано несколько вопросов, в основном по поводу выбора напряжения стабилитрона. Последние выпускаются только на определенные значения пробивного напряжения, задаваемого, вообще говоря, с большим допуском, и часто не имеют резкого излома на вольт-амперной характеристике. Вместе с тем желаемое напряжение срабатывания схемы защиты может быть задано с довольно жестким допуском. Рассмотрим источник питания 5 В, питающий цифровую логическую схему. Обычный допуск напряжения питания составляет 5-10% от номинала, таким образом, напряжение срабатывания схемы защиты не может быть ниже 5,5 В. Эту цифру еще нужно увеличить из-за переходных процессов в источнике питания: при резком изменении тока нагрузки может произойти скачок напряжения — всплеск и вслед за ним затухающие пульсации. Эта проблема усугубляется, если измерительные элементы отдалены и подсоединены длинными проводами (индуктивность). Получающиеся колебания накладывают динамические помехи на уровень выходного напряжения, и схема защиты не должна срабатывать. Поэтому ее напряжение срабатывания не должно быть меньше 6 В, с другой стороны, оно не должно превосходить 7 В во избежание повреждений логических схем. И вот когда вы начнете обдумывать схему с учетом допусков стабилитронов, конкретных значений их номинальных напряжений и допусков напряжения срабатывания КУВ, то вам приходится решать хитрую задачу. В схеме рис. 6.8 напряжение срабатывания может оказаться от 5,9 до 6,6 В даже при использовании обозначенного на схеме сравнительно дорогого 5%-ного стабилитрона.

ИС — датчик перенапряжений. Проблемы возникающие при построении простой схемы защиты на стабилитроне и КУВ (плохая предсказуемость и отсутствие подстройки), превосходно решаются при использовании специальной триггерной ИМС защиты, такой, например, как МС3423-5, TL431 или МС34061-2. Это недорогие ИМС в удобных корпусах (8-штырьковом мини-DIP или 3-выводном ТО-92), напрямую управляющие КУВ и очень простые в использовании. Например, ИМС МС3425 имеет регулируемые порог и время срабатывания, а также имеет вывод для сигнализации о недопустимом уменьшении напряжения питания (очень удобно для схем с микропроцессорами). ИМС содержит встроенный источник опорного напряжения, несколько компараторов и драйверов, и для построения всей схемы защиты требуется еще только два внешних резистора, КУВ и конденсатор (необязательно). Эти ИМС защиты относятся к классу схем «слежения за источником питания», куда входят такие сложные ИМС, как МАХ691, которые не только воспринимают падение напряжения, но и переключаются на батарейное питание в случае отключения питания в сети переменного тока, генерируют сигнал обратного переключения при восстановлении нормального питания и непрерывно контролируют отсутствие замыкания в схеме микропроцессора.

Модули защиты. Зачем что-то строить, если можно это купить?! С точки зрения разработчика самой простой схемой зашиты является приспособление с двумя выводами, у которого на крышке написано «защита». Вы можете купить такие устройства у фирм Lambda или Motorola, которые предлагают серию модулей защиты от перенапряжения в нескольких дипазонах по току. Вы только выбираете необходимые вам номинальные напряжения и ток и подсоединяете защиту на выход стабилизированного источника питаниия постоянного тока. Например, самые маленькие устройства такого типа, выпускаемые фирмой Lambda, рассчитаны максимум на 2 А при следующем наборе фиксированных значений напряжения: 5, 6, 12, 15, 18, 20 и 24 В. Они выпускаются в монолитном исполнении в корпусе ТО-66 (малый металлический корпус для мощных транзисторов) и стоит 2,5 долл. за шт. Монолитные ИМС фирмы Lambda на 6 А выпускаются в корпусе ТО-3 (большой металлический корпус для мощных транзисторов) по цене 5 долл. за штуку. Выпускаются также гибридные ИМС защиты на 12, 20 и 35 А. Вся серия МРС2000 (Motorola) выпускается в монолитном исполнении (только 5, 12 и 15 В, рассчитанные на номинальный ток 7,5, 15 или 35 А). Первые два номинала выпускаются в корпусе ТО-220 (мощный пластмассовый), последний (только на 5 В) — в корпусе ТО-3 (мощный металлический). Цены неправдоподобно низкие — при покупке небольшими партиями ИМС этих трех номиналов по току стоят всего лишь по 1,96, 2,36 и 6,08 долл. соответственно. Эти схемы зашиты имеют одну приятную особенность — у них высокая точность, например, 5-вольтовое устройство фирмы Lambda имеет точку срабатывания 6,6 ± 0,2 В.

Ограничители. Другое возможное решете вопроса защиты от перенапряжения — установка мощного стабилитрона или его аналога параллельно выходу источника питания. Это снимает вопрос о срабатывавши на всплесках, так как стабилитрон немедленно перестает проводить, как только исчезает «лишнее» напряжение (не то что КУВ, у которого память, как у слона). На рис. 6.9 показана схема «активного стабилитрона». К сожалению, схема защиты на мощном стабилитроне также имеет свои недостатки. Если стабилизатор выйдет из строя, схеме защиты придется справляться с рассеянием большой мощности (U_стI_огр) и она сама может выйти из строя. Это и случалось, например, с серийным источником питания для магнитного диска на напряжение 15 В и ток 4 А. Когда в нем портился проходной транзистор, на стабилитроне 16 В, 50 Вт рассеивалась мощность больше расчетной и он тоже выходил из строя.

Рис. 6.9. Мощный «активный» стабилитрон.

Нестабилизированные источники питания

СХЕМА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ — Защита — Схемы разных устройств — Схемы

Предлагаю очередную испытанную схему защитного устройства. Простота данной конструкции обусловленна тем, что отключение нагрузки происходит только в случае превышения сетевого напряжения выше заданного значения. Для того, чтобы автомат отключал приборы и при понижении напряжения сети, есть более сложные схемы. Но считаю, что низкое сетевое напряжение не приносит столько проблем, сколько высокое, поэтому можно не усложнять конструкцию и реализовать её на одном транзисторе и симмисторе. Схема из журнала радиолюбитель.

    В данной схеме выключение сети производится симистором. Отпирание симистора производится транзистором, подающим на управляющий электрод отрицательное относительно катода напряжение. Резистор R5 ограничивает ток управления, облегчая режим работы транзистора. В качестве источника опорного и управляющего напряжений используется параметрический стабилизатор, образованный элементами VD1, R1,C1, дополненный однополупериодным выпрямителем на диоде VD2. С этого выпрямителя снимается нестабилизированное однополярное напряжение, используемое для управления транзистором при изменениях напряжения сети. При нормальном напряжении сети, напряжение на делителе R2-R4-C2 и, соответственно, на базе транзистора ниже, чем стабилизированное напряжение на эмиттере. Соответственно, транзистор открыт, и симистор пропускает напряжение фазы к потребителю.

    

По мере увеличения напряжения сети, напряжение на резистивном делителе возрастает, и в какой-то момент времени становится равным напряжению на эмиттере. Эмиттерный ток транзистора уменьшается до нуля, транзистор и симистор запираются, а напряжение перестаёт поступать к нагрузке. Для более резкого переключения, в схеме присутствует цепь положительной обратной связи R3, VD3, R6. Ток, протекающий через нее при запирании симистора, суммируется с током резистора R2, дополнительно повышая напряжение на делителе R2-R4-C2, обеспечивая тем самым более надежное выключение транзистора. 

    

Устройство защиты собирал навесным монтажом. Резистор R2 определяет напряжение отключения нагрузки: чем больше номинал — тем выше напряжение. Резистор R3 определяет напряжение гистерезиса: чем меньше номинал — тем шире разброс между напряжениями включения и выключения. Номинал резистора R5 необходимо уменьшать в случае неустойчивого включения симистора. Симистор устанавливается на теплоотвод площадью100 см2. В качестве него можно использовать симистор с рабочим напряжением более 400 В и током порядка 10 А (ТС106-10-5, ТС112-10-5, ТС125-10-5). В качестве транзистора подойдет любой n-p-n транзистор с током коллектора более 0.1А. Диоды VD2, VD3 — низкочастотные выпрямительные диоды с обратным напряжением 400 В.

    

В устройстве можно использовать и более мощные симисторы с рабочими токами до 50 А. При этом следует вдвое уменьшить сопротивления резисторов R1 и R5, соответственно увеличив мощность R1 до 20 Вт, и заменить транзистор на мощнее, с током коллектора более 0.3А. Настройку устройства защиты аппаратуры можно проводить с помощью аналога автотрансформатора.

Схема защиты от перенапряжения и энергосбережения для импульсного источника электропитания

Данное изобретение относится к электрическим источникам электропитания и, более конкретно, к схеме защиты от перенапряжения и энергосбережения в импульсных источниках (1) электропитания (switched-mode power supplies — SMPS). Предложен импульсный источник (1) электропитания, соединенный с источником переменного напряжения и содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку и вторичную обмотку, причем упомянутый импульсный источник (1) электропитания дополнительно содержит выпрямитель, входной конденсатор и контроллер SMPS. Согласно данному изобретению низковольтное блокирующее устройство обеспечивает то, что если измерено напряжение шины, которое является меньшим некоторого уровня, то компаратор с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением, который подключен последовательно к упомянутому низковольтному блокирующему устройству, должен быть запитан. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

[0001] Данное изобретение относится к электрическим источникам электропитания и, более конкретно, к схеме защиты от перенапряжения и энергосбережения в импульсных источниках электропитания (switched-mode power supplies — SMPS).

Общеизвестно, что импульсные источники электропитания подвержены флуктуациям напряжения, которые, по существу, делают необходимым обеспечение специальных конструкций на схемном уровне для защиты от перенапряжения.

[0002] Данное изобретение предлагает конструкцию схемы, отличающуюся тем, что она обеспечивает схему защиты от перенапряжения для первичной цепи схемы SMPS. Эта схема защиты сравнивает входное напряжение и дезактивирует контроллер SMPS в случае определения того, что величина входного напряжения больше опорного напряжения. С другой стороны, в случае измерения входного напряжения, которое ниже, чем упомянутое опорное напряжение, упомянутая схема защиты остается неактивной. Другими словами, в нормальном режиме работы упомянутая схема защиты может не проводить электрический ток, и посредством этого может быть предотвращено неэффективное рассеяние мощности.

[0003] Среди прочего можно сослаться на публикацию EP 2 209 196 предшествующего уровня техники в области техники данного изобретения, которая описывает схему защиты с использованием логической схемы ИЛИ НЕ, к которой подключены выходные напряжения импульсного источника электропитания и которая дает команду коммутатору прервать поток мощности в случае ошибки посредством управления этими выходными напряжениями.

[0004] Данное изобретение обеспечивает защиту от перенапряжения входного каскада для схемы импульсного источника электропитания, которая обеспечена характерными признаками, определяемыми по п. 1 формулы изобретения.

[0005] Основной целью данного изобретения является обеспечение импульсного источника электропитания, имеющего схему защиты от перенапряжения входного каскада, посредством которой может быть предотвращено неэффективное рассеяние мощности.

[0006] Данное изобретение предлагает импульсный источник электропитания (SMPS), в котором источник переменного напряжения подключен к первичной обмотке трансформатора. Первичная цепь упомянутого трансформатора содержит входной конденсатор и низковольтное блокирующее устройство, параллельное ему. Низковольтное блокирующее устройство обеспечивает то, что если измерено напряжение шины, которое ниже некоторого уровня, то компаратор с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением, который подключен последовательно к упомянутому низковольтному блокирующему устройству, не запитывают. Это обеспечивает отсутствие рассматриваемого рассеяния мощности в нормальном режиме работы в пределах заданного диапазона напряжений.

[0007] С другой стороны, в качестве реакции на то, что потенциал шины является большим, чем верхний предел упомянутого диапазона напряжений, упомянутый компаратор с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением дезактивирует упомянутый контроллер импульсного источника электропитания и предотвращает любое его повреждение вследствие перенапряжения.

[0008] Сопутствующие чертежи приведены только в целях иллюстрации схемы защиты от перенапряжения входного каскада импульсного источника электропитания, преимущества которой над предшествующим уровнем техники были описаны выше и будут кратко пояснены ниже.

[0009] Данные чертежи не предназначены для ограничения объема охраны, идентифицированной в формуле изобретения, а также на них не следует ссылаться отдельно для интерпретации объема, идентифицированного в упомянутой формуле изобретения, без обращения к техническому раскрытию сущности изобретения в описании данного изобретения.

[0010] Фиг. 1 демонстрирует упрощенную принципиальную схему схемы защиты от перенапряжения входного каскада SMPS согласно данному изобретению.

[0011] Фиг. 2 демонстрирует принципиальную схему схемы защиты от перенапряжения входного каскада SMPS согласно данному изобретению.

[0012] Нижеследующие ссылочные позиции использованы в подробном описании:

[0013] Импульсный источник (1) электропитания (SMPS)

[0014] Диод (2)

[0015] Источник (3) переменного напряжения

[0016] Входной конденсатор (4)

[0017] Низковольтное блокирующее устройство (5)

[0018] Компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением

[0019] Схема (7) фиксации уровня

[0020] Контроллер (8) SMPS

[0021] Первичная обмотка (9)

[0022] Вторичная обмотка (10)

[0023] Выпрямитель (11)

[0024] Конденсатор (12)

[0025] Резисторы (R13, R14)

[0026] Стабилизатор (15) TL431

[0027] Данное изобретение предлагает схему защиты от перенапряжения импульсного источника электропитания (SMPS), обозначенную, в общем, ссылочной позицией 1.

[0028] Источник (3) переменного напряжения подключен к импульсному источнику (1) электропитания посредством трансформатора, имеющего первичную и вторичную обмотки (9 и 10). Мощность переменного тока выпрямляют посредством однополупериодного выпрямителя, т.е. диода (2), и фильтруют в напряжение постоянного тока посредством входного конденсатора (4).

[0029] Первичная обмотка (9) принципиально подключена последовательно к контроллеру (8) SMPS в виде коммутирующего устройства (не показано для наглядности), включающего и выключающего, во время периода включения, нарастание потока намагничивания в упомянутой первичной обмотке (9), что, в свою очередь, индуцирует ток в упомянутой вторичной обмотке (10) упомянутого трансформатора. Полупроводниковый прибор, используемый в упомянутом контроллере (8), может быть IGBT или другим типом высокочастотного твердотельного коммутатора.

[0030] Дополнительно, когда существует индуктивность рассеяния между первичной и вторичной цепями трансформатора, энергия рассеяния не может быть прямо передана во вторичную цепь и, следовательно, должна быть поглощена во время коммутации. Таким образом, должна быть использована схема (7) фиксации уровня для защиты упомянутого коммутирующего устройства.

[0031] Хотя прилагаемые фигуры демонстрируют схемы обратноходового преобразователя мощности, принцип работы данного изобретения равным образом применим также к другим преобразователям SMPS.

[0032] Выходной сигнал от трансформатора, изолированный от напряжения первичной цепи, выпрямляют посредством выпрямителя (11) и сглаживают посредством сглаживающего конденсатора (12) для обеспечения выходного сигнала постоянного тока.

[0033] Входной каскад преобразователя импульсного источника электропитания (1) согласно данному изобретению содержит компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением в виде шунтового стабилизатора с резисторами смещения (R13 и R14) для установки напряжения. Шунтовый стабилизатор может быть реализован посредством общепринятого стабилизирующего устройства, такого как стабилизатор (15) TL431. Стабилизатор (15) TL431 производится несколькими производителями и поэтому является доступным на рынке.

[0034] При использовании сопротивления 13 и 14 (R13 и R14) выбирают таким образом, чтобы упомянутый шунтовый стабилизатор начал проводить электрический ток только при достижении некоторого уровня напряжения; центральную точку между упомянутыми резисторами R13 и R14 подключают к выводу опорного напряжения упомянутого шунтового стабилизатора. Упомянутое опорное напряжение V_ref определяют согласно выражению: V_anode=2,5*V_ref согласно техническому описанию стабилизатора (15) TL431, причем V_anode описывает падение напряжения на его аноде.

[0035] Дополнительно, входной каскад преобразователя импульсного источника (1) электропитания согласно данному изобретению содержит низковольтное блокирующее устройство (5), которое блокирует электропитание упомянутого компаратора (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением в случае, когда уровень напряжения ниже, чем измеренное значение опорного напряжения. Низковольтное блокирующее устройство (5) согласно данному изобретению может быть реализовано посредством диода-подавителя напряжений переходных процессов (TVS), как описано ниже.

[0036] TVS-диоды содержат p-n переход, подобный диоду Зенера, но с большим сечением и, по существу, их используют в качестве устройств фиксации уровня, ограничивающих выбросы напряжения посредством низко-импедансного лавинного пробоя p-n перехода. В событии с переходным процессом, при превышении потенциалом (V₀) шины напряжения (V_BR) пробоя TVS, это устройство становится сильноточным проводником на землю с низким импедансом. Другими словами, когда упомянутый TVS-диод становится низко-импедансным в качестве реакции на то, что потенциал (V₀) является большим, чем напряжение (VBR) пробоя TVS, упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением обеспечивают электропитанием, и упомянутый шунтовый стабилизатор, следовательно, обеспечит то, что упомянутый контроллер (8) SMPS становится неактивным, таким образом, предотвращая любое его повреждение вследствие перенапряжения.

[0037] Низковольтное блокирующее устройство (5) согласно данному изобретению может также быть реализовано посредством блока падения напряжения, который может включать в себя диод Зенера, диод-подавитель напряжений переходных процессов (TVS), или резистор.

[0038] В кратком изложении данное изобретение предлагает импульсный источник (1) электропитания, соединенный с источником (3) переменного напряжения и содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку (9) и вторичную обмотку (10), причем упомянутый импульсный источник (1) электропитания дополнительно содержит выпрямитель (2), входной конденсатор (4) и контроллер (8) SMPS.

[0039] Он дополнительно содержит в первичной цепи упомянутого трансформатора и параллельно упомянутому входному конденсатору (4) низковольтное блокирующее устройство (5), блокирующее передачу электропитания к компаратору (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением, последовательному к нему, в качестве реакции на то, что потенциал (V₀) шины является меньшим, чем заданное значение напряжения, и питающее упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением в качестве реакции на то, что потенциал (V₀) шины является большим, чем упомянутое заданное значение напряжения, таким образом, чтобы упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением дезактивировал упомянутый контроллер (8) SMPS.

[0040] Упомянутое низковольтное блокирующее устройство (5) является диодом-подавителем напряжений переходных процессов (TVS), имеющим напряжение пробоя (V_BR), причем упомянутый диод-подавитель напряжений переходных процессов (TVS) подает электропитание на упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением в качестве реакции на то, что упомянутый потенциал (V₀) шины является большим, чем напряжение пробоя (V_BR). Упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением является шунтовым стабилизатором с резисторами смещения (R13 и R14) для установки напряжения. Вывод опорного напряжения упомянутого шунтового стабилизатора подключен к центральной точке между упомянутыми резисторами R13 и R14. Упомянутый шунтовый стабилизатор может содержать стабилизатор (15) TL431. Катод упомянутого стабилизатора (15) TL431 подключен к упомянутому контроллеру (8) SMPS.

1. Импульсный источник (1) электропитания (SMPS), соединенный с источником (3) переменного напряжения и содержащий:

трансформатор, имеющий первичную обмотку (9) и вторичную обмотку (10),

выпрямитель (2), входной конденсатор (4) и контроллер (8) SMPS,

в первичной цепи упомянутого трансформатора и параллельно упомянутому входному конденсатору (4) низковольтное блокирующее устройство (5), блокирующее передачу электропитания к компаратору (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением, подключенное последовательно с ним, в качестве реакции на то, что потенциал (V₀) шины является меньшим, чем заданное значение напряжения, и питающее упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением в качестве реакции на то, что потенциал (V₀) шины является большим, чем упомянутое заданное значение напряжения, таким образом, чтобы упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением дезактивировал упомянутый контроллер (8) SMPS,

отличающийся тем, что

упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением является шунтовым стабилизатором с резисторами (R13 и R14) смещения для установки напряжения.

2. Импульсный источник (1) электропитания по п. 1, в котором

упомянутое низковольтное блокирующее устройство (5) является диодом-подавителем напряжений переходных процессов (TVS), имеющим напряжение пробоя (V_BR), причем упомянутый диод-подавитель напряжений переходных процессов (TVS) подает электропитание на упомянутый компаратор (6) с определяемым шириной запрещенной зоны опорным напряжением в качестве реакции на то, что упомянутый потенциал (V₀) шины является большим, чем напряжение пробоя (V_BR) TVS.

3. Импульсный источник (1) электропитания по п. 1 или 2, в котором вывод опорного напряжения упомянутого шунтового стабилизатора подключен к центральной точке между упомянутыми резисторами R13 и R14.

4. Импульсный источник (1) электропитания по п. 3, в котором упомянутый шунтовый стабилизатор содержит стабилизатор (15) TL431.

5. Импульсный источник (1) электропитания по п. 4, в котором катод упомянутого стабилизатора (15) TL4 31 подключен к упомянутому контроллеру (8) SMPS.

Схемы защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений

Страница 45 из 106

В линейных цепях сигнализации и связи применяют двухкаскадную схему защиты полупроводниковых приборов с двумя степенями ограничения опасного напряжения. Первый основной каскад защиты (рис. 113) состоит из газонаполненных разрядников FV1 и FV2 типа Р-350, включенных в цепь обмотки 1 трансформатора Т, а второй, дополнительный каскад защиты — в обмотку II трансформатора Т.

Дополнительный каскад защиты состоит из двух полупроводниковых диодов VI и V2, соединенных встречно-последовательно. Ограничительное сопротивление Roгр защищает диоды от опасного тока. При грозовых разрядах срабатывает один из двух разрядников FV1 или FV2 ив цепи вторичной обмотки Т появится импульс перенапряжения. В зависимости от полярности импульса перенапряжения откроется тот или другой диод. Так как сопротивление двух диодов VI и V2 при их срабатывании будет мало, наибольшая часть импульса тока, обусловленного перенапряжением, падает на внутреннем сопротивлении трансформатора Т и Rогр. Поскольку падение напряжения на диодах VI и V2 равно напряжению на диоде, включенном в обратном направлении, то напряжение на входе защищаемого полупроводникового прибора будет равно этому напряжению. Таким образом, при дополнительном каскаде защиты поперечные перенапряжения будут ограничены до нескольких десятков или единиц вольт. Если степень ограничения перенапряжений недостаточна, то применяют многокаскадную защиту с несколькими ступенями ограничения. Их число зависит от коэффициента трансформации входных и выходных трансформаторов, вида связи между каскадами, схемы местной и общей обратной связи.
Для защиты полупроводниковых приборов от воздействия переменного тока (в случае опасного влияния линий электропередачи и др.) последовательно с ограничительными сопротивлениями включают конденсаторы.
При защите полупроводниковых приборов линейных усилителей низкой частоты применяют схему, представленную на рис. 114. Первый каскад защиты имеет малогабаритный разрядник FV типа Р-4, который подключен к зажимам вторичной обмотки линейного трансформатора ЛТ. В этом каскаде защиты ограничителем тока является волновое сопротивление трансформатора ЛТ. Второй каскад защиты состоит из двух кремниевых стабилитронов VI и V2 типа Д808, соединенных встречно-параллельно. Фильтр Ф является ограничителем в цепи стабилитронов.
Первый каскад защиты ограничивает опасное напряжение до значения, равного его импульсному пробивному напряжению 120 В, а второй — до напряжения срабатывания стабилитрона в прямом направлении, равного 0,8 В.
В схеме защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений малогабаритных реле с выпрямителями (рис. 115, а), включаемых в цепь переменного тока напряжением 220 В, имеется два каскада защиты. Основной каскад защиты имеет два низковольтных вентильных разрядника FVI и FV2 типа РВНШ-250, а дополнительный каскад защиты — оксидно-цинковый выравниватель RU типа ВОЦ-220.


Рис. 115. Схемы защиты малогабаритных реле с выпрямителями (а, 6) и импульсного путевого реле типа ИМВШ-110
(в)

Рис. 116. Схемы зашиты однофазных и трехфазных полупроводниковых выпрямителей

Рис. 117. Схемы зашиты полупроводниковых преобразователей в линейных сигнальных цепях
Рис. 114. Схема защиты линейного усилителя низкой частоты

Первый каскад защиты ограничивает продольные перенапряжения (провод — земля), возникающие в силовой цепи при воздействиях грозовых разрядов, а второй каскад защиты — поперечные перенапряжения (провод — провод), воздействующие на реле до срабатывания разрядников или вследствие неодновременного их срабатывания.
В схеме защиты (рис. 115, б) взамен разрядников применены оксидно-цинковые выравниватели RU типа ВОЦ-220. Данные схемы защиты служат для защиты малогабаритных аварийных реле, огневых реле переменного тока и др.
В схеме защиты импульсного путевого реле Р тина ИМВШ-110 или ИРВ-110 (рис. 115, в) имеются два каскада защиты, выполненные на керамических выравнивателях RU типа В К-10. Один из них включают параллельно первичной обмотке изолирующего трансформатора ИТ типа ПРТ-А, а другой — параллельно его вторичной обмотке.
Для защиты от коммутационных перенапряжений однофазных и трехфазных полупроводниковых выпрямителей применяют оксидноцинковые выравниватели типа ВОЦ-220 или варисторы RU типа СН-2 с классификационными напряжениями, равными примерно удвоенному номинальному напряжению силовой цепи. Выравниватели или варисторы RU включают на входе выпрямителя (рис. 116, а) или параллельно защищаемому полупроводниковому элементу — диоду V (рис. 116, б). Эти схемы применяют для защиты на постах ЭЦ полупроводниковых выпрямителей, включенных в однофазные и трехфазные силовые цепи.
Схемы защиты полупроводниковых преобразователей типов ППШ-3, БПШ и выпрямителей типа ВАК используют для электропитания линейных сигнальных цепей СЦБ. В схеме, изображенной на рис. 117, а, в качестве основного каскада защиты используют разрядники FV типа РВНШ-250, а в схеме на рис. 117, б — выравниватели RU типа ВОЦ-220 или варисторы типа СН-2. Дроссель Др имеет высокое волновое сопротивление для высокочастотных токов молнии. Он исключает шунтирующее действие диодов и способствует быстрому и эффективному срабатыванию защиты.
Для защиты полупроводниковых приборов, обладающих более низкой электрической прочностью и токонесущей способностью, используют схемы защиты с двумя или тремя дополнительными каскадами

Схема защиты от перенапряжения

Цепи защиты, такие как защита от обратной полярности, защита от короткого замыкания и защита от повышенного / пониженного напряжения, используются для защиты любого электронного устройства или схемы от любых неожиданных сбоев. Обычно для защиты от перенапряжения используется предохранитель или MCB, здесь, в этой схеме, мы построим схему защиты от перенапряжения без использования предохранителя.

Защита от перенапряжения — это функция источника питания, которая отключает подачу питания, когда входное напряжение превышает заданное значение.Для защиты от перенапряжения мы всегда используем защиту от перенапряжения или схему защиты ломом. Схема защиты ломом — это тип защиты от перенапряжения, который чаще всего используется в электронных схемах.

Существует множество различных способов защиты вашей цепи от перенапряжения. Самый простой способ — подключить предохранитель со стороны входа питания. Но проблема в том, что это разовая защита, потому что, когда напряжение превышает заданное значение, провод внутри предохранителя сгорает и разрывает цепь.Затем вам необходимо заменить поврежденный предохранитель на новый, чтобы снова выполнить соединения.

Здесь, в этой схеме, стабилитрон и биполярный транзистор используются для автоматической защиты от перенапряжения. Это можно сделать двумя способами:

1. Цепь стабилитрона напряжения: Этот метод регулирует входное напряжение и защищает схему от перенапряжения путем подачи стабилизированного напряжения, но не отключает выходную часть , когда напряжение превышает пределы безопасности .Мы всегда будем получать выходное напряжение, меньшее или равное номинальному значению стабилитрона.

2. Схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона: Во втором методе защиты от перенапряжения, когда входное напряжение превышает заданный уровень, он отключает выходную часть или нагрузку от схемы.

Цепь стабилитрона

Стабилитрон стабилизатора напряжения защищает схему от перенапряжения, а также регулирует входное напряжение питания.Принципиальная схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона приведена ниже:

Предустановленное значение напряжения . цепи — это критическое значение, при превышении которого либо отключается питание, либо напряжение выше этого значения недопустимо. Здесь предустановленное значение напряжения — это номинал стабилитрона. Например, мы используем стабилитрон 5.1V, тогда напряжение на выходе не будет превышать 5.1V.

Когда выходное напряжение увеличивается, напряжение база-эмиттер уменьшается, из-за чего транзистор Q1 проводит меньше.Поскольку Q1 проводит меньше, он снижает выходное напряжение, следовательно, поддерживает постоянное выходное напряжение.

Выходное напряжение определяется как:

  VO = VZ - VBE  

Где,

VO — выходное напряжение

VZ — напряжение пробоя стабилитрона

VBE — напряжение база-эмиттер

Схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона

Приведенная ниже принципиальная схема защиты от перенапряжения построена с использованием стабилитрона и транзистора PNP. Эта схема отключает выход, когда напряжение превышает заданный уровень . Заданное значение — это номинальное значение стабилитрона, подключенного к цепи. Вы даже можете изменить стабилитрон в соответствии с вашим подходящим значением напряжения. Недостатком схемы является то, что вы не можете найти точное значение стабилитрона, поэтому выберите тот, который имеет наиболее близкое значение к заданному вами значению.

Необходимые материалы

• FMMT718 Транзистор PNP — 2 шт.
Стабилитрон
• 5.1V (1N4740A) — 1шт.
Резисторы
• (1 кОм, 2,2 кОм и 6,8 кОм) — 1 шт. (каждый)
• Макет
• Соединительные провода

Схема защиты от перенапряжения

Работа схемы защиты от перенапряжения

Когда напряжение ниже заданного уровня , на клемме базы Q2 высокий уровень и, поскольку это транзистор PNP, он выключается.И, когда Q2 находится в выключенном состоянии, базовый вывод Q1 будет LOW, и это позволяет току течь через него.

Теперь, когда напряжение превышает заданное значение , стабилитрон начинает проводить ток, который соединяет базу Q2 с землей и включает Q2. Когда Q2 включается, базовая клемма Q1 становится ВЫСОКОЙ, а Q1 включается, что означает, что Q1 ведет себя как разомкнутый переключатель. Следовательно, Q1 не пропускает ток через него и защищает нагрузку от превышения напряжения.

Теперь нам также нужно учитывать падение напряжения на транзисторах, оно должно быть небольшим для правильной схемы.Поэтому мы использовали FMMT718 PNP-транзистор , который показывает очень низкое значение насыщения VCE, из-за чего падение напряжения на транзисторах невелико.

Далее проверьте наши другие схемы защиты.

Повышенное напряжение источника питания »Примечания по электронике

Защита от перенапряжения блока питания действительно полезна — некоторые отказы блока питания могут привести к повреждению оборудования большим напряжением. Защита от перенапряжения предотвращает это как на линейных регуляторах, так и на импульсных источниках питания.

---

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

---

Хотя современные блоки питания сейчас очень надежны, всегда есть небольшая, но реальная вероятность того, что они могут выйти из строя.

Они могут выйти из строя по-разному, и одна особенно тревожная возможность состоит в том, что элемент последовательного прохода, т.е.е. транзистор главного прохода или полевой транзистор могут выйти из строя, что приведет к короткому замыканию. Если это произойдет, в цепи, на которую подается питание, может появиться очень большое напряжение, часто называемое перенапряжением, что приведет к катастрофическому повреждению всего оборудования.

Добавив небольшую дополнительную схему защиты в виде защиты от перенапряжения, можно защитить от этой маловероятной, но катастрофической возможности.

В большинстве источников питания, предназначенных для очень надежной работы дорогостоящего оборудования, предусмотрена защита от перенапряжения в той или иной форме, чтобы гарантировать, что любой отказ источника питания не приведет к повреждению оборудования, на которое подается питание.Это относится как к линейным источникам питания, так и к импульсным источникам питания.

Некоторые источники питания могут не иметь защиты от перенапряжения, и их не следует использовать для питания дорогостоящего оборудования — можно немного спроектировать электронную схему и разработать небольшую схему защиты от перенапряжения и добавить ее в качестве дополнительного элемента. .

Основы защиты от перенапряжения

Есть много причин, по которым блок питания может выйти из строя. Однако, чтобы понять немного больше о защите от перенапряжения и проблемах схемы, легко взять простой пример линейного регулятора напряжения, использующего очень простой стабилитрон и транзистор с последовательным проходом.

Базовый последовательный стабилизатор с использованием стабилитрона и эмиттерного повторителя

Хотя более сложные источники питания обеспечивают лучшую производительность, они также используют последовательный транзистор для передачи выходного тока. Основное отличие заключается в способе подачи напряжения регулятора на базу транзистора.

Обычно входное напряжение таково, что на элемент последовательного регулятора напряжения падает несколько вольт. Это позволяет последовательному транзистору адекватно регулировать выходное напряжение.Часто падение напряжения на последовательном транзисторе является относительно высоким — для источника питания 12 вольт входное напряжение может составлять 18 вольт и даже больше, чтобы обеспечить требуемое регулирование и подавление пульсаций и т. Д.

Это означает, что в элементе регулятора напряжения может быть значительное количество тепла, рассеиваемого в сочетании с любыми переходными выбросами, которые могут появиться на входе, это означает, что всегда существует вероятность отказа.

Устройство последовательного прохода транзисторов обычно выходит из строя в условиях разомкнутой цепи, но при некоторых обстоятельствах в транзисторе может возникнуть короткое замыкание между коллектором и эмиттером.Если это произойдет, то на выходе регулятора напряжения появится полное нерегулируемое входное напряжение.

Если на выходе появится полное напряжение, это может привести к повреждению многих микросхем в цепи питания. В этом случае ремонт схемы вполне может оказаться невозможным.

Принцип работы импульсных регуляторов сильно отличается, но есть обстоятельства, при которых полный выходной сигнал может появиться на выходе источника питания.

Как для источников питания с линейным стабилизатором, так и для импульсных источников питания всегда рекомендуется какая-либо защита от перенапряжения.

Виды защиты от перенапряжения

Как и во многих электронных технологиях, существует несколько способов реализации той или иной возможности. Это верно для защиты от перенапряжения.

Можно использовать несколько различных техник, каждая со своими характеристиками. При определении того, какой метод использовать на этапе проектирования электронных схем, необходимо взвесить производительность, стоимость, сложность и режим работы.

• Лом SCR: Как следует из названия, цепь лома вызывает короткое замыкание на выходе источника питания, если возникает состояние перенапряжения.Обычно для этого используются тиристоры, то есть тиристоры, поскольку они могут переключать большие токи и оставаться включенными до тех пор, пока не рассеется какой-либо заряд. Тиристор может быть снова подключен к предохранителю, который перегорает и изолирует регулятор от дальнейшего воздействия на него напряжения.

  Схема защиты от перенапряжения тиристорного лома

  В этой схеме стабилитрон выбран так, чтобы его напряжение было выше нормального рабочего напряжения на выходе, но ниже напряжения, при котором может произойти повреждение. В этой проводимости ток через стабилитрон не протекает, потому что его напряжение пробоя не было достигнуто, и ток не течет на затвор тиристора, и он остается выключенным.Блок питания будет работать нормально.

  Если последовательный транзистор в блоке питания выходит из строя, напряжение начинает расти — развязка в блоке гарантирует, что оно не поднимется мгновенно. Когда он поднимается, он поднимается выше точки, в которой стабилитрон начинает проводить, и ток будет течь в затвор тиристора, вызывая его срабатывание.

  Когда тиристор срабатывает, он замыкает выход источника питания на землю, предотвращая повреждение схемы, которую он питает.Это короткое замыкание также может быть использовано для перегорания предохранителя или другого элемента, отключая питание регулятора напряжения и изолируя устройство от дальнейшего повреждения.

  Часто развязка в виде небольшого конденсатора помещается между затвором тиристора и землей, чтобы предотвратить резкие переходные процессы или высокочастотные помехи от источника питания, которые поступают на соединение затвора и вызывают ложный запуск. Однако его не следует делать слишком большим, так как это может замедлить срабатывание цепи в реальном случае отказа, а защита может сработать слишком медленно.

  Примечание по защите от перенапряжения тиристорного лома:

  Тиристор или тиристор, кремниевый выпрямитель можно использовать для защиты от перенапряжения в цепи питания. Обнаружив высокое напряжение, схема может активировать тиристор, чтобы поместить короткое замыкание или лом на шину напряжения, чтобы гарантировать, что оно не поднимется до высокого напряжения.

  Подробнее о Схема защиты тиристорного лома от перенапряжения.

• Фиксация напряжения: Другая очень простая форма защиты от перенапряжения использует подход, называемый фиксацией напряжения. В простейшей форме это может быть обеспечено с помощью стабилитрона, установленного на выходе регулируемого источника питания. Если напряжение на стабилитроне выбрано немного выше максимального напряжения шины, в нормальных условиях он не будет проводить. Если напряжение поднимается слишком высоко, оно начинает проводить, ограничивая напряжение на значении, немного превышающем напряжение шины.

  Если для регулируемого источника питания требуется более высокий ток, можно использовать стабилитрон с транзисторным буфером. Это увеличит пропускную способность по току по сравнению с простой схемой на стабилитроне в раз, равный коэффициенту усиления по току транзистора. Поскольку для этой схемы требуется силовой транзистор, вероятные уровни усиления по току будут низкими — возможно, 20-50.

  Фиксатор перенапряжения на стабилитроне
  (а) — простой стабилитрон, (б) — повышенный ток с транзисторным буфером

• Ограничение напряжения: Когда для импульсных источников питания требуется защита от перенапряжения, методы SMPS с зажимом и ломом используются менее широко из-за требований к рассеиваемой мощности, а также из-за возможных размеров и стоимости компонентов.

  К счастью, большинство импульсных регуляторов выходят из строя из-за низкого напряжения. Однако часто бывает целесообразно использовать возможности ограничения напряжения в случае возникновения перенапряжения.

  Часто этого можно достичь, определив состояние перенапряжения и отключив преобразователь. Это особенно применимо в случае преобразователей постоянного тока в постоянный. При реализации этого необходимо включить измерительную петлю, которая находится за пределами основного регулятора IC — многие регуляторы режима переключения и преобразователи постоянного тока используют микросхему для создания большей части схемы.Очень важно использовать внешний контур считывания, потому что, если микросхема регулятора режима переключения повреждена, вызывая состояние перенапряжения, механизм считывания также может быть поврежден.

  Очевидно, что для этой формы защиты от перенапряжения требуются схемы, специфичные для конкретной схемы, и используемые микросхемы импульсного источника питания.

Используются все три метода, которые могут обеспечить эффективную защиту источника питания от перенапряжения. У каждого есть свои преимущества и недостатки, и выбор техники должен зависеть от конкретной ситуации.

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
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Проектирование простой схемы защиты от перенапряжения с использованием стабилитронов

Каждая конструкция схемы работает на разных уровнях напряжения, наиболее распространенными уровнями напряжения для цифровой схемы являются 3.3В, 5В и 12В. Но каждая конструкция уникальна, и для схемы также характерно иметь более одного рабочего напряжения. Типичная компьютерная система SMPS, например, может работать на шести различных уровнях напряжения, а именно: ± 3,3 В, ± 5 В и ± 12 В. Для питания различных типов компонентов будут использоваться разные уровни напряжения, в этих случаях, если компонент с низким энергопотреблением запитан высоким напряжением, компонент будет безвозвратно поврежден. Следовательно, разработчик всегда должен концентрироваться на реализации схемы защиты от перенапряжения в своих конструкциях, чтобы предотвратить повреждение от перенапряжения.

Любой компонент или цепь будет иметь три различных номинальных напряжения, а именно минимальное рабочее напряжение, рекомендуемое или стандартное рабочее напряжение и максимальное рабочее напряжение. Любое значение выше максимального рабочего напряжения может быть фатальным для любых цепей или компонентов. Очень распространенное и экономичное решение — использовать схему защиты от перенапряжения стабилитрона .

Стабилитроны — основы

Стабилитроны в большинстве случаев являются первым выбором для защиты схемы от состояния перенапряжения .Стабилитрон работает по тому же принципу, что и диод, который блокирует ток в обратном направлении. Но существует ограничение, заключающееся в том, что стабилитрон блокирует ток в обратном направлении только для ограниченного напряжения, указанного в номинальном напряжении стабилитрона . Чтобы быть конкретным, стабилитрон на 5,1 В блокирует протекание тока в обратном направлении до 5,1 В. Если напряжение на стабилитроне превышает 5,1 В, он позволяет току проходить через него. Эта особенность стабилитрона делает его отличным компонентом для защиты от перенапряжения .

Как защитить схемы от перенапряжения?

Рассмотрим изображение ниже, где нам нужна защита от перенапряжения для микроконтроллера . Микроконтроллер может быть любым, что имеет максимальное напряжение 5 В на выводах ввода-вывода. Следовательно, напряжение более 5 В может повредить микроконтроллер.

Стабилитрон, используемый в приведенной выше схеме, представляет собой стабилитрон с напряжением 5,1 В. Он будет работать нормально при перенапряжении. Если напряжение больше 5.1 В, стабилитрон будет пропускать ток и регулировать напряжение до 5,1 В. Но менее 5,1 В стабилитрон будет действовать как обычный диод и блокировать

Изображение ниже представляет собой моделирование схемы стабилитрона Protection на Spice. Вы можете посмотреть видео внизу этой страницы для полного объяснения симуляции.

На приведенной выше схеме имеется входное напряжение V1. R1 и D2 — это два компонента, защищающие выход от защиты от перенапряжения.В данном случае D2, 1N4099 представляет собой стабилитрон на 6,8 В. Выход будет защищен, если напряжение V1 превысит 6,8 В. Из-за опорного напряжения 6,8 В на 1N4099 выходное напряжение останется максимальным 6,8 В.

Давайте посмотрим, как приведенная выше схема действует как схема защиты входа стабилитрона и защищает выход от напряжения более 6,8 В.

Вышеупомянутая схема моделируется с использованием cadence pspice . Во время входного напряжения 6 В на V1 выходное напряжение остается постоянным на уровне 5.999 В (что составляет 6,0 В).

В приведенном выше моделировании входное напряжение составляет 6,8 В. Таким образом, выходное напряжение составляет 6,785 В, что близко к 6,8 В. Давайте дальше увеличим входное напряжение и создадим ситуацию перенапряжения.

Теперь входное напряжение составляет 7,5 В, что больше, чем 6,8 В. Теперь на выходе все еще 6,883 В. Таким образом, стабилитрон эффективен для спасения подключенной цепи от ситуации перенапряжения, даже когда напряжение возвращается ниже 6.8 В, схема снова будет работать нормально, как показано на предыдущем шаге. Это означает, что, в отличие от предохранителя, стабилитрон не повреждается даже при перенапряжении.

Любые другие стабилитроны с другими значениями, такими как 3,3 В, 5,1 В, 9,1 В, 10,2 В, могут использоваться для выбора различных пределов перенапряжения в указанной выше схеме.

Как выбрать стабилитрон для защиты от перенапряжения?

Следующей важной частью является выбор номинала стабилитрона.Приведенные ниже пункты помогут вам выбрать правильное значение и номер детали для стабилитрона.

1. Сначала выберите напряжение стабилитрона . Это значение напряжения, при котором стабилитрон будет действовать как замыкающая цепь и защищать нагрузку от перенапряжения. Для приведенного выше примера в Pspice напряжение стабилитрона составляет 6,8 В.

В некоторых случаях заданное напряжение на стабилитроне может быть недоступно. В таких случаях можно выбрать близкое значение стабилитрона.Например, для защиты от перенапряжения до 7 В стабилитрон 6,8 В является близким значением.

2. Рассчитайте ток нагрузки , подключенный к цепи защиты от перенапряжения. Для нашего примера, описанного выше, это 50 мА. Помимо тока нагрузки, стабилитроны нуждаются в токе смещения . Следовательно, полный ток должен быть равен току нагрузки плюс ток смещения стабилитрона. В рассмотренном выше примере это может быть

.

Общий ток = 50 мА + 10 мА = 60 мА 

3.Стабилитроны имеют номинальную мощность . Таким образом, для правильного отвода тепла требуется стабилитрон правильной номинальной мощности. Номинальная мощность может быть рассчитана на основе расчетного полного тока на шаге 2, который составляет 60 мА.
Следовательно, номинальная мощность стабилитрона будет равна напряжению стабилитрона, что связывает общий ток, который будет протекать через диод.

В нашем примере

номинальная мощность = 6,8 В x 0,060 = 0,408 Вт. 

Следовательно, стабилитрона мощностью 500 мВт будет достаточно.

4. Вычислите значение резистора , дифференцируя напряжение источника и общее напряжение. Напряжение источника будет максимальным, которое можно приложить к цепи.

Например, максимальное перенапряжение, которое может произойти или может быть применено в качестве напряжения питания, может составлять 13 В.

Таким образом, падение напряжения на резисторе будет = 13 В-6,8 В = 6,2 В

По закону Ома номинал резистора будет = 6,2 В / 0,060 А = 103R

Можно выбрать резистор стандартного номинала 100R.

Популярные стабилитроны

Напряжение стабилитрона	Стабилитрон Номер детали
3,3 В	1N5226
5,1 В	1N5231
6.8В	1N5235
9,1 В	1N5239
11,0 В	1N5241
13,0 В	1N5243
15.0В	1N5245

Схема защиты стабилитрона от перенапряжения — плюсы и минусы Защита от перенапряжения

с использованием стабилитронов — самый простой и легкий способ защиты устройств от перенапряжения. В этом методе напряжение остается регулируемым, а стоимость этой схемы намного меньше по сравнению с другими методами.

Но, конечно, у этой схемы есть недостатки.Основным недостатком схемы такого типа является рассеиваемая мощность . Из-за подключенного последовательно резистора он всегда рассеивает тепло и приводит к потере энергии.

Как стабилитрон выполняет защиту от перенапряжения в цепи?

Защита от перенапряжения необходима для предотвращения повреждений в результате электрических переходных процессов. Это функция источника питания, которая отключает источник питания или ограничивает выход, когда напряжение превышает заданный уровень. В большинстве источников питания используется схема защиты от перенапряжения для предотвращения повреждения электронных компонентов.Они предлагают некоторую форму схемы защиты от перенапряжения (OVP) для обнаружения и быстрого снижения перенапряжения. Здесь представлена ​​наиболее распространенная защита стабилитроном.

1. Фон повышенного напряжения

Каждая конструкция схемы работает с различными уровнями напряжения, при этом наиболее распространенными уровнями напряжения для цифровой схемы являются 3,3 В, 5 В и 12 В. Но каждая конструкция уникальна, и наличие более одного рабочего напряжения также является нормальным для схемы. Например, стандартная компьютерная система SMPS будет работать при шести различных уровнях напряжения, а именно ± 3.3 В, ± 5 В и ± 12 В. В этих случаях, если маломощное устройство работает от высокого напряжения, компонент будет постоянно поврежден, если для питания различных типов компонентов используются различные уровни напряжения. Поэтому, чтобы избежать вреда от перенапряжения, разработчик всегда должен концентрироваться на реализации схемы защиты от перенапряжения в своих проектах.
Для любой части или цепи будет три различных номинальных напряжения, а именно минимальное рабочее напряжение, рекомендуемое или нормальное рабочее напряжение и максимальное рабочее напряжение.Для любых цепей или частей любое значение, превышающее максимальное рабочее напряжение, может быть фатальным. Использование схемы защиты от перенапряжения на стабилитронах — очень распространенное и экономичное решение.

2. Основы защиты входа стабилитрона

Для защиты схемы от условий перенапряжения стабилитроны часто являются первым вариантом. Стабилитрон следует той же теории диодов, которая блокирует ток в обратном направлении. Однако есть недостаток, заключающийся в том, что стабилитрон блокирует прохождение тока в обратном направлении только для ограниченного напряжения, определяемого номинальным напряжением стабилитрона.Стабилитрон с напряжением 5,1 В блокирует протекание тока в обратном направлении вплоть до 5,1 В. Если напряжение через стабилитрон больше 5,1 В, он позволяет току проходить через него. Эта функция стабилитрона делает его отличным компонентом защиты от перенапряжения.

3. Простая схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона

Рассмотрим схему, в которой требуется защита микроконтроллера от перенапряжения. Все, что имеет максимальное напряжение 5 В на выводах ввода-вывода микроконтроллера. Таким образом, напряжение более 5В приведет к повреждению микроконтроллера.

Рисунок 1. Защита от перенапряжения для микроконтроллера

В приведенной выше схеме используется стабилитрон с напряжением 5,1 В. В случае перенапряжения он будет работать отлично. Он может передавать ток и регулировать напряжение до 5,1 В, если напряжение превышает 5,1 В. На практике, однако, он будет вести себя как обычный диод и блокировать напряжение менее 5,1 В
Изображение ниже представляет собой симуляцию специальной схемы защиты стабилитрона. Полное описание симуляции вы можете сделать исходя из ваших потребностей.

Рисунок 2. Моделирование схемы защиты от перенапряжения

На приведенной выше схеме присутствует входное напряжение, которое является источником постоянного тока. R1 и D1 — это два компонента, которые защищают выход от защиты от перенапряжения. D1, 1N4099, в данном случае — стабилитрон. Когда V1 достигает 6,8 В, выход будет защищен. Максимальное выходное напряжение — 6,8 В в качестве опорного напряжения 1N4099.
Давайте посмотрим, как вышеуказанная схема работает как схема защиты входа стабилитрона и защищает выход более чем от 6.Напряжение 8 В.

С помощью каденции PSpice смоделирована вышеуказанная схема. Выходной сигнал остается постоянным на уровне 5,999 В при входном напряжении 6 В на V1 (что составляет 6,0 В).

Входное напряжение в приведенном выше моделировании составляет 6,8 В. Таким образом, производительность составляет 6,785 В, что аналогично 6,8 В. Давайте дальше поднимем входное напряжение и создадим ситуацию перенапряжения.

Теперь входное напряжение составляет 7,5 В, что больше 6,8 В. Спектакль сейчас на 6.883V. Вот как стабилитрон успешно спасает подключенную схему от ситуации перенапряжения, даже когда напряжение возвращается к уровню менее 6,8 В, как показано на предыдущем этапе, схема снова будет нормально работать. Другими словами, стабилитрон не перегорает даже при перенапряжении, в отличие от предохранителя.
Для выбора различных пределов перенапряжения в приведенной выше схеме можно использовать любые другие стабилитроны с другими значениями, например 3,3 В, 5,1 В, 9,1 В, 10,2 В.

4.Как выбрать стабилитрон для защиты цепи?

Следующей важной частью является выбор номинала стабилитрона. Приведенные ниже пункты помогут вам выбрать правильное значение стабилитрона и номер детали.
1) Сначала выберите напряжение стабилитрона. Это значение напряжения, которое будет служить замыканием для стабилитрона и защищать нагрузку от перенапряжения. Напряжение стабилитрона в Pspice для вышеприведенного примера составляет 6,8 В.
В некоторых случаях целевое напряжение стабилитрона отсутствует.В таких случаях можно выбрать значение, близкое к значению стабилитрона. Например, для защиты от перенапряжения до 7 В ближайшим значением является стабилитрон 6,8 В.
2) Рассчитайте ток нагрузки, подключенный к цепи защиты от перенапряжения. Для нашего примера, описанного выше, это 50 мА. Помимо тока нагрузки, стабилитроны требуют тока смещения. Следовательно, полный ток плюс ток смещения стабилитрона должен быть равен току нагрузки. Для вышеупомянутого примера это может быть общий ток = 50 мА + 10 мА = 60 мА.
3) Для стабилитронов существует рейтинг мощности. Следовательно, для надлежащего отвода тепла требуется правильная номинальная мощность стабилитрона. На основании измеренного полного тока в фазе — 2, который составляет 60 мА, можно рассчитать номинальную мощность. Следовательно, номинальная мощность стабилитрона будет равна напряжению стабилитрона, который соединяет полный ток, протекающий через диод.
4) Рассчитайте номинал резистора, дифференцируя напряжение источника и общее напряжение.Предел, который может быть применен к схеме, будет исходным напряжением. Например, оно может составлять 13 В для максимального перенапряжения, которое может возникнуть, или может быть добавлено в качестве напряжения питания.
Падение напряжения на резисторе будет = 13В-6,8В = 6,2В. В соответствии с законом сопротивления сопротивление резистора будет = 6,2В / 0,060А = 103R. Можно выбрать резистор 100R стандартного номинала.
5) Типичные значения стабилитрона: 5,1 В, 5,6 В, 6,2 В, 12 В и 15 В — самые общие значения; у них также есть 3В, 5В, 12В, 18В, 24В.

5. Обзор защиты от перенапряжения на стабилитронах

Самым простым и простым способом защиты устройств от перенапряжения является схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитронов. В этом методе напряжение остается регулируемым, а стоимость этой схемы намного ниже по сравнению с другими методами.
Хотя, конечно, у такой схемы есть недостатки. Рассеивание мощности является основным недостатком схемы такого типа. Он по-прежнему рассеивает тепло из-за подключенного последовательного резистора и приводит к потерям энергии.

NCP346 — IC защиты от перенапряжения

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > поток Acrobat Distiller 7.0 (Windows) BroadVision, Inc.2020-09-21T10: 13: 25 + 02: 002006-09-13T09: 01: 40-07: 002020-09-21T10: 13: 25 + 02: 00application / pdf

NCP346 — Защита от перенапряжения IC

ОН Полупроводник

uuid: 773d444e-a5c9-4e18-adc6-cee9aadac775uuid: 17f2c5e8-7e39-4463-b149-b3dd7ee7d464 конечный поток эндобдж 4 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 20 0 объект > эндобдж 21 0 объект > эндобдж 22 0 объект > эндобдж 23 0 объект > эндобдж 24 0 объект > поток HWr6QwHvl

Простая схема защиты от обратного напряжения и перенапряжения для привода вентилятора

Простая схема защиты от обратного напряжения и перенапряжения для привода вентилятора — Электротехника

Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 177 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

2. 0
3. +0
6. Авторизоваться Зарегистрироваться

Electrical Engineering Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил 2 года, 8 месяцев назад

Просмотрено 789 раз

\ $ \ begingroup \ $

Какую простейшую / минимальную схему или компонент я могу использовать для управления и защиты вентилятора от перенапряжения и обратной полярности?

MOSFET-транзистор на вентилятор имеет возможность обратной полярности, тем не менее, если есть лучший вариант, было бы круто, так как я не хочу переключаться, выключать или включать цифровое.А как насчет перенапряжения? Например, если я подключу источник питания 34 В?

Вентиляторы — 24 В при 1 А.

Создан 18 сен.

\ $ \ endgroup \ $ \ $ \ begingroup \ $

Диод Шоттки простой серии защитит от обратной полярности.

Обычно вы должны иметь поляризованные или четко разделенные типы разъемов, чтобы гарантировать, что вы не используете неправильный источник питания, но, предполагая, что вы не выполнили этот базовый этап проектирования, вам необходимо решить, какие действия предпринять при перенапряжении.

1. Перегореть предохранитель, что кажется довольно резким, поскольку для его устранения потребуется ручное вмешательство. Возможно, вы не знаете, что предохранитель перегорел (например, если он находится в держателе), поэтому первым признаком проблемы является то, что вентилятор не запускается при включении питания.Это может произойти спустя долгое время после того, как вы неправильно подключили кабель. Существует бесконечное количество схем, обеспечивающих этот тип защиты от перебора. Например:

2. Обеспечьте встроенную активную защиту от отключения с помощью, например, полевого транзистора (Google для переключателя нагрузки от перенапряжения … есть много современных примеров). Для такой бесшумной защиты, как эта, вы должны предоставить индикатор (как для ошибок обратного напряжения, так и для ошибок перенапряжения) для неисправностей. Примером может служить Fairchild / ONSemi FPF2281, у которого даже есть индикаторный порт для MCU или светодиода:

Примечание : Вам все равно необходимо использовать последовательный диод для защиты от обратного напряжения.

Конечно, вы должны учитывать:

3. Создайте свою систему с уникальными разъемами питания, чтобы вы не могли совершить эту основную ошибку. Вы никогда не должны неправильно подключать вентилятор в любой разумной конструкции.

Создан 18 сен.

Джек Кризи

19.4k22 золотых знака1111 серебряных знаков2626 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 3 \ $ \ begingroup \ $

Используйте VDR / варистор и диод последовательно с предохранителем.

При перенапряжении VDR закорачивает и перегорает предохранитель.

Если применяется обратная полярность, это также приведет к короткому замыканию и перегоранию предохранителя.

Можно использовать самовосстанавливающийся предохранитель.

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Создан 18 сен.

DamienDamien

6,13211 золотой знак99 серебряных знаков2525 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 10 Электротехнический стек Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie Настроить параметры

Простая схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона

Как сделать схему защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона?

Электрические цепи и компоненты, которые используются в наши дни, отдают много времени и предпочтений, чтобы сделать их максимально безопасными.Современные блоки питания в наши дни очень надежны, но всегда есть шанс выйти из строя. Источник питания может выйти из строя по-разному, но одна особенно тревожная возможность заключается в том, что элемент последовательного регулятора, то есть транзистор или полевой транзистор, может выйти из строя, что приведет к короткому замыканию. Это короткое замыкание элементов вызывает очень большое напряжение в цепи, на которую подается питание, что приводит к ужасным повреждениям всего оборудования. Повреждение компонента и схемы в целом можно свести к минимуму или полностью исключить, обеспечив схему защиты в виде защиты от перенапряжения .

Защита от короткого замыкания, защита от обратной полярности и защита от повышенного / пониженного напряжения — это некоторые из схем защиты, которые используются для защиты любого электронного устройства или схемы от любых неожиданных сбоев. Как правило, для защиты от перенапряжения используются предохранители или автоматические выключатели, однако в этом проекте наша цель — создать схему, которая будет работать лучше, чем предохранитель или автоматический выключатель, и преодолеть ограничения большинства основных устройств безопасности, упомянутых выше.

Защита от перенапряжения — это характеристика системы электропитания, которая каким-то образом работает с напряжением на стороне нагрузки, когда входное напряжение превышает предварительно установленное значение.В некоторых ситуациях, когда входное напряжение выше ожидаемого, мы всегда используем защиту от перенапряжения или схему защиты от лома. Схема защиты ломом — одна из наиболее часто используемых схем защиты от перенапряжения.

Блок питания может выйти из строя по разным причинам; Точно так же может быть много способов защитить цепь от перенапряжения. Самый простой способ — подключить предохранитель со стороны входа питания. Но недостатком использования предохранителя является то, что он является одноразовой защитой, потому что, когда напряжение превышает предварительно установленное значение, предохранительный провод сгорает, вызывая размыкание цепи.Тогда единственный способ заставить цепь снова начать работать — это заменить предохранитель на новый и переделать всю цепь, относящуюся к предохранителю.

Случаи отказа источника питания обычно наблюдаются, когда источник питания перестает работать и нет выхода. Однако бывают редкие случаи выхода из строя, когда происходит короткое замыкание и на выходе может появиться очень высокое напряжение. В качестве линейного регулятора мы можем взять пример очень простого стабилизатора на основе стабилитрона.Мы можем создать более сложную схему для достижения лучших результатов, в этих схемах используется та же идея прохождения тока через транзистор.

Основное отличие заключается в способе подачи напряжения регулятора на базу транзистора. Обычно напряжение на входе таково, что на последовательном регулирующем элементе падает несколько вольт. Следовательно, это позволяет последовательно проходному транзистору регулировать выходное напряжение соответствующим образом. Обычно такой транзистор попадает в состояние разомкнутой цепи, но при некоторых обстоятельствах в транзисторе может возникнуть короткое замыкание между коллектором и эмиттером.Если это произойдет, то на выходе появится полное нерегулируемое входное напряжение.

Если на выходе появится полное напряжение, это может привести к повреждению многих микросхем, которые находятся в цепи и на которые подается питание. В этом случае ремонт схемы может оказаться нецелесообразным. Принцип работы импульсных регуляторов сильно различается, но бывают ситуации, когда полный выходной сигнал может появиться на выходе блока питания.

Мы можем сделать схему защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона и биполярного транзистора двумя способами.

Цепь стабилитрона :

В этой схеме используется стабилитрон для обеспечения регулируемого выхода на стороне нагрузки, защищая цепь. Но соединения таковы, что поток мощности на сторону нагрузки не прерывается, даже когда напряжение превышает пределы безопасности. На выходе всегда будет напряжение, зависящее от номинала стабилитрона.

Схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона:

Этот метод является более простым, в котором схема предназначена для отключения питания на стороне нагрузки, когда напряжение превышает заданные значения.

Необходимые материалы

• 1N4740A Стабилитрон
• FMMT718 PNP-транзистор
• Резисторы — 1 кОм, 2,2 кОм и 6 кОм
• 2N2222 NPN транзистор

Связанная публикация: Автоматический дверной звонок с обнаружением объектов от Arduino

Стабилитрон — это тип диода, который позволяет току течь через него в обоих направлениях, в отличие от обычного диода, который позволяет току течь только в одном направлении — от анода к катоду.Этот поток тока в обратном направлении происходит только тогда, когда напряжение на клеммах превышает пороговое напряжение, называемое напряжением Зенера. Это напряжение стабилитрона является характеристикой устройства, которое управляет эффектом стабилитрона, который, в свою очередь, определяет работу диода.

Принципиальная схема стабилитрона, обычно используемого в схемах, приведена ниже.

Стабилитроны имеют высоколегированный p-n переход, что позволяет устройству нормально функционировать даже при подаче через него обратного напряжения.Однако многие стабилитроны вместо этого полагаются на лавинный пробой. Оба типа пробоя происходят в устройстве, с той лишь разницей, что эффект Зенера преобладает при более низких напряжениях, тогда как лавинный пробой происходит при более высоких напряжениях. Они используются для создания маломощных стабилизированных источников питания. Они также используются для защиты цепей от перенапряжения и электростатического разряда.

2N2222 NPN-транзистор

2N2222 — очень распространенный биполярный NPN-транзистор, который в основном используется для усиления или переключения малой мощности общего назначения.2Н222 предназначен для умеренной работы на высоких оборотах. Это очень распространенный транзистор, который используется как образец транзистора NPN.

Принципиальная схема транзистора приведена ниже.

Распиновка транзистора 2N2222 NPN приведена ниже.

это наиболее часто используемый транзистор.Одна из его ключевых особенностей — способность выдерживать большие токи по сравнению с другими подобными небольшими транзисторами. Он состоит из кремния или германия и легирован положительно или отрицательно заряженным материалом. При выполнении приложений усиления он получает аналоговый сигнал через коллекторы, а другой сигнал подается на его базу. Аналоговым сигналом может быть голосовой сигнал с аналоговой частотой почти 4 кГц (человеческий голос).

FMMT718 PNP-транзистор

FMMT718 является PNP-транзистором, поэтому коллектор и эмиттер будут закрыты (смещены в прямом направлении), когда базовый вывод удерживается на земле, и будут разомкнуты (с обратным смещением), когда сигнал подается на базовый вывод. .Этим транзистор PNP отличается от транзистора NPN; логический вентиль используется для переключения между напряжениями сигналов заземления.

Принципиальная схема транзистора PNP приведена ниже.

Распиновка FMMT718 представлена ​​в табличной форме ниже.

2N2222
1	Излучатель
2	Base
3	Коллектор, подключенный к корпусу 9

FMMT718
1	Коллектор	Ток через коллектор
2	База	Управляет смещением транзистора					сток выход через эмиттер

Схема стабилитрона

Это одна из двух конфигураций схем защиты от перенапряжения, использующих стабилитрон.Эта схема не только защищает цепь на стороне нагрузки, но также регулирует входное напряжение питания для поддержания постоянного напряжения. Принципиальная схема защиты от перенапряжения с использованием цепи стабилитрона приведена ниже.

Пороговое напряжение, выше которого схема отключает питание со стороны нагрузки, называется предварительно установленным значением напряжения схемы. Конструкция схемы такова, что предварительно установленное значение схемы является номиналом стабилитрона. Таким образом, пороговое значение, при превышении которого схема не проводит ток, составляет примерно 5.1В.

Проводимость транзистора Q1 зависит от напряжения базы-эмиттера транзистора. Когда выходное напряжение схемы начинает расти, это увеличивает Vbe транзистора, и он проводит меньше. Это, в свою очередь, снижает выходное напряжение, сохраняя выходное напряжение почти постоянным.

Принципиальная схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона

Принципиальная схема цепи защиты от перенапряжения приведена ниже.

Сначала рассмотрим работу схемы при исправной работе блока питания.В правильном рабочем состоянии на клемме базы транзистора Q2 находится высокий уровень, что приводит к выключению этого транзистора. Когда Q2 выключен, на клемме базы транзистора Q1 низкий уровень, и он начинает проводить. Таким образом, нагрузка подключается к источнику питания, когда напряжение питания ниже установленного порогового напряжения.

Теперь, когда напряжение питания выше порогового значения, происходит пробой стабилитрона и стабилитрон D2 начинает проводить. Это делает базовую клемму Q2, которая раньше была заземлена.Теперь, когда базовый вывод Q2 подключен к земле, он начинает проводить. База транзистора Q1, который подключен к выходу Q2, теперь имеет высокий уровень и перестает проводить. Это изолирует нагрузку от источника питания, сохраняя ее от любого потенциального повреждения, которое могло быть вызвано скачком напряжения.

Работа приведенных выше схем также зависит от падения напряжения на каждом транзисторе.