Защита блока питания от короткого замыкания
Для питания своих конструкций радиолюбители нередко используют простейшие блоки, состоящие из понижающего трансформатора и выпрямителя с конденсатором фильтра. И, конечно, в таких блоках нет никакой защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке, хотя оно подчас приводит к выходу из строя выпрямителя и даже трансформатора.
Применять в таких блоках питания в качестве элемента защиты плавкий предохранитель не всегда удобно, да и, кроме того, быстродействие у него невысокое. Один из вариантов решения проблемы защиты от КЗ — включение последовательно с нагрузкой полевого транзистора средней мощности с встроенным каналом.
Дело в том, что на вольт-амперной характеристике такого транзистора есть участок, на котором ток стока не зависит от напряжения между стоком и истоком. Поэтому на этом участке транзистор работает как стабилизатор (ограничитель) тока.
Вольт-амперные характеристики транзистора для различных сопротивлений резистора R2 приводятся на рис.
7.1. Работает защита так. Если сопротивление резистора R2 равно нулю (т.е. исток соединен с затвором), а нагрузка потребляет ток около 0,25 А, то падение напряжения на полевом транзисторе не превышает 1,5 В, и на нагрузке будет практически все выпрямленное напряжение. При появлении же в цепи нагрузки замыкания ток через выпрямитель резко возрастает и при отсутствии транзистора может достичь нескольких ампер.
Транзистор ограничивает ток короткого замыкания на уровне 0,45…0,5 А независимо от падения напряжения на нем. В этом случае выходное напряжение станет равным нулю, а все напряжение упадет на полевом транзисторе.
Таким образом, в случае КЗ мощность, потребляемая от источника питания, увеличится в данном примере не более чем вдвое, что в большинстве случаев вполне допустимо и не отразится на «здоровье» деталей блока питания.
Уменьшить ток короткого замыкания можно увеличением сопротивления резистора R2. Нужно подобрать такой резистор, чтобы ток короткого замыкания был примерно вдвое больше максимального тока нагрузки.
Подобный способ защиты особенно удобен для блоков питания со сглаживающим RC-фильтром. Поскольку во время КЗ на полевом транзисторе падает почти все выпрямленное напряжение, его можно использовать для световой или звуковой сигнализации. К примеру, схема включения световой сигнализации показана на рис. 7.2.
Когда с нагрузкой все в порядке, горит светодиод HL2 зеленого цвета. При этом падения напряжения на транзисторе недостаточно для зажигания свето-диода HL1. Но стоит появиться КЗ в нагрузке, как светодиод HL2 гаснет, но зато вспыхивает HL1 красного свечения. Резистор R2 выбирают в зависимости от нужного ограничения тока КЗ по высказанным выше рекомендациям. Схема подключения звукового сигнализатора замыкания приведена на рис. 7.3. Его можно подключать либо между стоком и истоком транзистора, либо между стоком и затвором, как светодиод HL1.
При появлении на сигнализаторе достаточного напряжения вступает в действие генератор ЗЧ, выполненный на однопереходном транзисторе VT2, и в головном телефоне BF1 раздается звук.
Однопереходный транзистор может быть КТ117А…КТ117Г, телефон — низкоомный (можно заменить динамической головкой небольшой мощности). Остается добавить, что для слаботочных нагрузок в блок питания можно ввести ограничитель тока КЗ на полевом транзисторе КП302В. При выборе транзистора для других блоков следует учитывать его допустимую мощность и напряжение сток-исток. Полное описание этого устройства приводится в [103].
Защита от переполюсовки | Радиолюбитель — это просто
Опубликовано автором Moldik
Такая необходимость бывает не всегда и требования к такой защите различные.
Схемы с диодом.
Самый простой вариант это обыкновенный диод.
реклама
Диод можно устанавливать как по минусу, так и по плюсу. (На всех схемах, вход — слева, выход — справа) Решение простое и надежное как гвоздь, но есть условия:
защита от переполюсовки, диод- Мощность диода должна соответствовать потребляемому току, и при больших токах диод превращается в печку, тем самым кроме всего расходуется лишняя энергия.
- На диоде будет падение напряжения, поэтому часто рекомендуют сюда ставить диод Шоттки.
Еще одна схема, тоже простая и тоже с диодом, но она не имеет недостатков предыдущей схемы:
В данной схема диод работает, только когда питание подано с неправильной полярностью, через него замыкается входная цепь и в результате сгорает предохранитель. Конечно предохранитель должен быть на ток соответствующий потреблению нагрузки, а диод соответствующую мощность, что бы выдержать такой ток.
реклама
Такую защиту применяют когда ошибка подключения не правильной полярности бывает редкой и вместо плавкого предохранителя можно поставить самовосстанавливающийся.
И последний вариант с диодом, будет с диодным мостом.
защита от переполюсовки, диодный мостЭто универсально решение, при любой полярности от источника питания, на нагрузке будет правильная полярность. Это очень удобно, не нужно думать вообще. Но опять же как и в первом случае, нужно учитывать рабочие мощность и напряжение диодного моста, а при больших токах диодный мост будет солидным.
Схемы с реле:
Следующие простые варианты, это использовать реле.
защита от переполюсовки, релезащита от переполюсовки, релеВ первом случае, реле срабатывает когда питание подано в неправильной полярности и отключает нагрузку. Такой вариант используют в малоточных схемах.
Во втором случае, нагрузка включается при правильном подключении полюсов источника питания и реле остается включенным до тех пока пока подано питание. Такую схему часто используют в зарядных устройствах.
И еще один вариант, тут используется реле с 2-мя группами контактов, и на нагрузку всегда приходит правильное питание — в правильной полярности.
Во всех случаях использования реле нужно учитывать два фактора: реле должно срабатывать при напряжении питания и контакты должны быть рассчитаны на ток равный или более тока нагрузки.
Схемы с транзисторами:
Все перечисленные выше схемы имеют свои достоинства и недостатки и имеют свои пределы использования.
Первая схема с использованием транзистора, это на полевом P-канальном транзисторе. Работает это так: при подаче питания, ток в нагрузку начинает течь через защитный диод самого транзистора, падение на этом диоде будет велико и между затвором и истоком транзистора появляется напряжение способное открыть транзистор. Транзистор открывается, ток течет уже через низкоомный открытый переход сток-исток, падение напряжения на этом переходе минимально и им можно пренебречь. А транзистор остается открытым потому, что цепь нагрузки замкнута. Резистор R1 — ограничивает ток на затвор, а стабилитрон D1 ограничивает напряжение между затвором и истоком транзистора, защищая его от пробоя, это простейший параметрический стабилизатор. Если полярность будет не правильной, ток течь не будет и транзистор не откроется.
Положительным моментом этой схемы. является то, что сопротивление такого открытого транзистора составляет сотые доли Ома (!).
А это означает, что мощность рассеиваемая на транзисторе будет мизерной и потерь соответственно почти нет.
Транзистор должен по своим параметрам (рабочие напряжение и ток) соответствовать источнику питания и нагрузке.
Стабилитрон подбирается по напряжению пробоя транзистора, но напряжение стабилизации должно быть меньше этого напряжения (напряжения пробоя) и больше напряжения отсечки транзистора.
Сопротивление R1 должно быть большим, несколько сотен килоОм, но вот как его рассчитать я не знаю. В своих схемах я просто ставлю 100-220кОм.
Есть микросхемка CSD68803W15, ее можно встретить в мобильных телефонах, а схема внутри ее выглядит вот так:
CSD68803W15Комментарии к этой схеме излишни.
Все выше перечисленные схемы можно кроме того дополнить индикацией правильной и неправильной полярности.
индикация правильной и неправильной полярностииндикация правильной и неправильной полярностиДалее идут более сложные схемы, которых великое множество и на этом можно было бы и закончить, но есть еще одна схема, которую я хочу показать.
Эту схему можно встретить в различных вариантах на различных сайтах и форумах. Авторство приписывают кому угодно, но только не автору. Но суть в том, что схема работает отлично, предназначена для защиты от не правильного подключения АКБ к зарядному устройству, т.е. устанавливается она на выходе зарядного устройства. Но есть одно — НО, схема будет работать только если поменять полярность. (т.е. на схеме полярность указана не правильно) У нее есть недостаток, пока не подключен АКБ к клеммам, на выходе, на тех самых клеммах нет напряжения вообще, но это и достоинство одновременно, можно не боятся замыкания выхода зарядного. Таким образом эта схема является еще и своеобразной защитой от КЗ выхода зарядного устройства. И еще, такое зарядное не сможет заряжать полностью разряженный аккумулятор.
Во времена когда сборка зарядных устройств была очень востребована, я их тоже собирал и не однократно собирал такую схему, работает просто отлично.
И раз я заговорил об авторстве, то должен сказать, что автором является Ново Зеландский радиолюбитель Gerard la Rooy и схема выглядела так:
Однако суть от этого не меняется.
Блоки питания, Зарядное, Литература
схема
Защита МОП-транзисторов от коротких замыканий и перегрузок
Если вы беспокоитесь о безопасности своей схемы и хотите реализовать базовую защиту своих МОП-транзисторов от коротких замыканий или перегрузок, прочтите эту статью.
(Эта статья была обновлена 7 февраля 2023 г.)
Введение :
МОП-транзистор — это полупроводниковое устройство, которое может управлять большими нагрузками через клемму затвора. По мере того, как вы управляете периферийными устройствами с более высокой мощностью, вам необходимо внедрять надежные механизмы защиты как для вашей схемы, так и для нагрузки. Это предотвратит катастрофические пожары и повреждение цепи.
Поскольку вы управляете приводом затвора, чтобы включить полевой МОП-транзистор для подачи питания на его нагрузку, вы должны быть в состоянии предсказать, когда это произойдет и какое количество энергии он может подавать на свою нагрузку. С помощью этих данных вы сможете сгенерировать механизм управления в виде схемы и написать прошивку, чтобы точно определить время этого события.
После того, как вы успешно защитите свою цепь и нагрузку, вы будете более уверенно развертывать свои платы в полевых условиях. В следующей части мы обсудим основные принципы работы полевого МОП-транзистора, чтобы помочь вам понять, как его эффективно защитить.
Часть 1. Как работают МОП-транзисторы?
MOSFET означает полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. Как следует из названия, он работает, контролируя электрическое поле через свой терминал Gate , так что вы можете контролировать поток тока между его стоком и истоком. Существует 2 различных типа МОП-транзисторов, а именно N-канальные и P-канальные типы, показанные ниже:
Использование МОП-транзисторов имеет несколько преимуществ по сравнению с другими типами полупроводниковых драйверов.
Во-первых, его управляющий терминал (затвор) работает с очень небольшим током. Это свойство позволяет использовать полевой МОП-транзистор с микроконтроллерами с ограниченным выходным напряжением. Во-вторых, это в первую очередь устройство, управляемое напряжением. Это означает, что если вы имеете дело с цифровой логикой, вас будет интересовать только преодоление порогового напряжения ее включения (VGS). Вам не нужно беспокоиться о его характеристиках управления током затвора, в отличие от тех, которые используются на базовой клемме биполярного транзистора.
| MOSFET | BJT |
| Управляемое напряжением | Управляемое током |
| Для правильного расчета тока затвора требуется устройство с очень низким током | 0 90. |
| Для включения устройства требуется пороговое напряжение VGS | Для включения устройства требуется пороговое напряжение VBE только основные компоненты полки. Об этом пойдет речь в следующей части. Часть 2. Как защитить полевой МОП-транзистор с помощью BJTРассмотрим полевой МОП-транзистор N-канального типа, который включается, когда на его вывод затвора подается положительное напряжение 5 В. Здесь у нас есть полевой МОП-транзистор Q1, который управляет светодиодом питания D1. Резистор R3 здесь как раз используется для компенсации внутренней паразитной емкости MOSFET в случае, если мы будем переключать затвор на более высокие частоты. Резистор R4 используется как понижающий в случае, если линия MCU_I/O_port переходит в режим высокого импеданса. Теперь давайте реализуем защиту от короткого замыкания или перегрузки для этой схемы, добавив маломощный биполярный транзистор Q2, измерительный резистор R2 и схему на ОУ. Падение напряжения на этом токоизмерительном резисторе пропорционально току нагрузки и клемм сток-исток. Выберите значение этого резистора таким образом, чтобы оно создавало достаточное падение напряжения для включения VBE биполярного транзистора при возникновении тока перегрузки. Обратите внимание, однако, что вам понадобится полевой МОП-транзистор, способный справиться с требованиями по питанию в этом состоянии перегрузки. Попробуйте полностью отключить нагрузку. Вы увидите, что большая часть падения напряжения вашего источника питания приходится на ваш полевой МОП-транзистор (за вычетом лишь небольшого падения напряжения на чувствительном резисторе). Умножение этого падения напряжения на ток перегрузки представляет собой рассеиваемую мощность вашего полевого МОП-транзистора. В это время вы должны спланировать способ отключения вашего полевого МОП-транзистора, если он не может бесконечно справляться с этим состоянием перегрузки (за исключением случаев, когда вы решите установить ограничительный резистор последовательно с вашей нагрузкой), чтобы он не вышел из строя. Эта ситуация будет рассмотрена в следующей части. Часть 3. Создание микропрограммы для выхода из состояния перегрузкиТеоретически, используя операционный усилитель в сочетании с АЦП вашего микроконтроллера, вы сможете обнаружить это состояние перегрузки, а затем что-то с этим сделать. Лучше всего отключить МОП-транзистор, установив на его затворе низкое напряжение, а затем зафиксировать это состояние. Сообщите пользователю о перегрузке или коротком замыкании, включив светодиод, чтобы он мог устранить это состояние. Затем попросите его переопределить это событие фиксации, нажав кнопку или сбросив MCU. Преимущество этой схемы (по сравнению с простой схемой защиты BJT) заключается в том, что вы можете информировать пользователя о том, что ваша нагрузка приближается к пороговому пределу, еще до того, как произойдет перегрузка. Вы даже можете отобразить текущее значение. У вас есть эта функция из-за комбинации OP-AMP ADC. Поскольку измерительный резистор выдает только небольшие напряжения, была добавлена схема OP-AMP. Часть 4. РезюмеМы обсудили основные характеристики полевых МОП-транзисторов и способы защиты их выхода от коротких замыканий и перегрузок. Мы также включили способы обнаружения и фиксации состояния перегрузки с помощью операционного усилителя и АЦП вашего микроконтроллера. защита — Защитите N-MOSFET от короткого замыкания и перегрузкиПрежде всего, для защиты микроконтроллера рекомендуется использовать резистор 33 Ом между выводом PWM и затвором MOSFET или транзистора. Хотя вывод ШИМ должен иметь значение Ради защиты вашего МОП-транзистора, если ваша токовая нагрузка не выше, чем потребляемый ток МОП-транзистора или Icc транзистора, вам не нужно беспокоиться об этом, если вы используете его только для управления светодиодами или даже лампами. Большинство полевых МОП-транзисторов могут пропускать до 3 ампер тока, в то время как обычные транзисторы не так много. Используйте измеритель тока, чтобы проверить, сколько тока потребляет ваше устройство на самом высоком уровне (например, когда все его части включены на самом высоком уровне и скорости). Тем не менее, вам также следует подумать о дополнительной защите, если в вашем устройстве есть какая-либо электромагнитная катушка внутри, например, соленоиды, двигатели и реле. Что касается вашего случая, вы планируете использовать двигатель с катушкой внутри, поэтому постарайтесь поставить диод рядом с двигателем и вдали от МОП-транзистора (если возможно), чтобы отвести нежелательный обратный ток.  |
Когда это произойдет, ваш биполярный транзистор компенсирует и понизит напряжение затвора MOSFET таким образом, что схема будет вырабатывать ток нагрузки только до состояния перегрузки.
Кроме того, были добавлены некоторые компоненты фильтрации нижних частот, R5, C2, R8 и C1. Это предотвратит ложные срабатывания, которые могут привести к срабатыванию механизма защиты от перегрузки вашей цепи. Используйте внешние методы фильтрации и/или делайте это с помощью кода. Рекомендуется передискретизировать ваши данные, чтобы устранить шум, который может привести к ложным срабатываниям.
Поэтому рекомендуется также использовать подтягивающий резистор между 
