Защита блока питания от короткого замыкания: обеспечение безопасности и надежности

Как работает защита блока питания от короткого замыкания. Какие виды защиты существуют. Почему защита от КЗ так важна. Как реализовать защиту в источнике питания.

Что такое короткое замыкание и почему оно опасно для блока питания

Короткое замыкание (КЗ) — это непреднамеренное соединение разных точек электрической цепи с малым сопротивлением. При КЗ резко возрастает сила тока, что может привести к перегреву и возгоранию проводки, компонентов блока питания и подключенных устройств.

Основные причины возникновения короткого замыкания в блоках питания:

• Нарушение изоляции проводов
• Попадание токопроводящих предметов или жидкостей на плату
• Неисправность компонентов схемы
• Ошибки монтажа и подключения

Без защиты от КЗ даже кратковременное замыкание может вывести блок питания из строя и создать пожароопасную ситуацию. Поэтому наличие эффективной защиты критически важно для обеспечения безопасности и надежности источников питания.

Основные виды защиты от короткого замыкания в блоках питания

Существует несколько распространенных способов защиты блоков питания от КЗ:

1. Плавкие предохранители

Самый простой и дешевый вариант защиты. При превышении номинального тока перегорает плавкая вставка, размыкая цепь. Недостаток — необходимость замены после срабатывания.

2. Самовосстанавливающиеся предохранители (позисторы)

При перегрузке резко увеличивают сопротивление, ограничивая ток. После устранения КЗ автоматически восстанавливают проводимость. Не требуют замены.

3. Электронная защита

Схема на транзисторах или микросхемах, которая отключает выход при превышении тока. Позволяет реализовать разные алгоритмы защиты.

4. Ограничение выходного тока

Источник переходит в режим стабилизации тока при превышении максимального значения. Защищает нагрузку, но может перегреваться сам блок питания.

Как работает электронная защита от короткого замыкания

Рассмотрим принцип работы распространенной схемы электронной защиты блока питания от КЗ:

1. Ток нагрузки протекает через низкоомный резистор-датчик
2. При превышении порогового значения тока открывается управляющий транзистор
3. Он шунтирует базу силового транзистора, закрывая его
4. Выходное напряжение падает, ограничивая ток КЗ
5. После устранения КЗ схема автоматически восстанавливается

Такая схема позволяет точно настроить порог срабатывания и быстродействие защиты. Часто дополняется светодиодной индикацией срабатывания.

Преимущества и недостатки разных типов защиты от КЗ

Каждый вид защиты от короткого замыкания имеет свои плюсы и минусы:

Плавкие предохранители

Преимущества:

• Простота и низкая стоимость
• Надежность срабатывания
• Не требуют питания

Недостатки:

• Необходимость замены после срабатывания
• Невысокая точность порога срабатывания
• Возможность ложных срабатываний при кратковременных перегрузках

Самовосстанавливающиеся предохранители

Преимущества:

• Автоматическое восстановление после устранения КЗ
• Не требуют замены и обслуживания
• Компактные размеры

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с плавкими предохранителями
• Ограниченный диапазон рабочих токов
• Возможность деградации характеристик при многократных срабатываниях

Электронная защита

Преимущества:

• Высокая точность и быстродействие
• Возможность реализации сложных алгоритмов защиты
• Автоматическое восстановление

Недостатки:

• Более высокая сложность и стоимость
• Потребление энергии в дежурном режиме
• Возможность выхода из строя элементов схемы защиты

Как правильно выбрать защиту от КЗ для блока питания

При выборе оптимального варианта защиты от короткого замыкания следует учитывать несколько факторов:

• Выходной ток блока питания — защита должна срабатывать при токе 120-150% от номинального
• Быстродействие — для чувствительной электроники требуется более быстрое отключение
• Условия эксплуатации — температура, влажность, вибрации могут влиять на работу защиты
• Требования по надежности и обслуживанию
• Допустимые габариты и стоимость

Для маломощных блоков питания часто достаточно самовосстанавливающегося предохранителя. В ответственных применениях лучше использовать электронную защиту с резервированием.

Схемотехника защиты от КЗ на примере популярных стабилизаторов напряжения

Рассмотрим реализацию защиты от короткого замыкания в распространенных линейных стабилизаторах напряжения:

Стабилизатор LM317

LM317 имеет встроенную защиту от КЗ, ограничивая выходной ток на уровне около 2.2А. При этом рассеиваемая мощность может превысить допустимую, поэтому рекомендуется использовать внешний токоограничивающий резистор.

Стабилизатор LM7805

Микросхема LM7805 также содержит схему защиты, которая отключает выход при токе около 2.1А или при перегреве кристалла. Для повышения надежности часто добавляют внешний предохранитель на входе.

Стабилизатор LM2596

Импульсный стабилизатор LM2596 имеет схему ограничения пикового тока дросселя. При устойчивом превышении тока происходит остановка генератора ШИМ до остывания микросхемы.

Как проверить работоспособность защиты от КЗ в блоке питания

Для тестирования защиты от короткого замыкания можно использовать следующие методы:

1. Кратковременное замыкание выхода через низкоомный резистор (0.1-1 Ом)
2. Плавное увеличение тока нагрузки до срабатывания защиты
3. Проверка температуры блока питания при длительной работе на максимальном токе

При проверке важно не допускать длительного КЗ и перегрева компонентов. Срабатывание защиты должно происходить за доли секунды, без повреждения блока питания и нагрузки.

Современные тенденции в разработке систем защиты от КЗ

В последние годы наблюдаются следующие тренды в области защиты источников питания от короткого замыкания:

• Интеграция функций защиты непосредственно в микросхемы стабилизаторов и контроллеров питания
• Применение цифровых алгоритмов анализа режимов работы для повышения точности и адаптивности защиты
• Реализация многоуровневых систем защиты с резервированием
• Использование интеллектуальных силовых ключей с функциями диагностики и защиты
• Развитие технологий удаленного мониторинга состояния систем электропитания

Эти инновации позволяют создавать более надежные и безопасные источники питания для современной электроники.

Защита в источниках питания MEAN WELL

                                                                      Защита от короткого замыкания.
Эта защита отключает источник питания в случае короткого замыкания его выходных цепей, во избежание возможного пожара.
Рассмотрим процесс короткого замыкания, с точки зрения физики.
Предположим, у нас имеется схема: лампа питается от источника питания Bat:

Что будет, если возникнет короткое замыкание между точками А и В схемы?
В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет очень большая сила тока, согласно закону Ома:

В этом режиме сила тока может достичь критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.

Закон Джоуля-Ленца гласит:
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока

где
Q – это количество теплоты, которое выделяется на сопротивлении нагрузки Rн .
I – сила тока в этой цепи
Rн – сопротивление нагрузки
t – период времени, в течение которого происходит выделение теплоты на нагрузке Rн

То есть: ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА прямо пропорционально КВАДРАТУ силы тока на данном участке электрической цепи.
Если ток при коротком замыкании возрастет в 20 раз, то количество выделяющейся при этом теплоты — в 400 раз!

Это означает, что на проводе AB будет выделяться огромное количество теплоты. Провод резко нагреется от температуры, а потом и сгорит.

Вот почему электроэнергия может превратиться в настоящее стихийное бедствие: горит проводка, расплавленный металл проводов поджигает находящиеся рядом предметы, возникают пожары.
Поэтому, защита от короткого замыкания имеет очень важное значение.

                                                                                            Защита от перегрузки.
При выходе из строя устройства или электронных компонентов в его составе может возрасти ток потребления, который может, в свою очередь, привести к выходу из строя источника питания и создать возможность возникновения пожара. Поэтому одной из важных функций защиты источника питания является функция защиты от перегрузки.
Когда значение потребляемого нагрузкой тока превышает номинальное значение источника питания, срабатывает схема защиты от перегрузки.
В технической документации на источники питания MEAN WELL указаны следующие варианты срабатывания защиты от перегрузки:

Constant current limiting

Режим ограничения выходного тока представляет собой перевод источника питания в режим, когда выходной ток остается на постоянном уровне и находится в пределах указанного диапазона, в то время как выходное напряжение падает до более низкого уровня.

Hiccup mode

Режим прерывистого питания (hiccup) представляет собой периодическое выключение и последующее включение выхода с небольшим периодом, не позволяя источнику питания выдать ток, превышающий максимальный.

Режим защиты некоторых моделей источников питания может сочетать несколько упомянутых типов:

Методы восстановления:
1) Автоматическое восстановление: источник питания восстанавливается автоматически после устранения неисправного состояния. Большинство источников питания фирмы MEAN WELL имеют функцию автоматического восстановления.
2) Повторное включение питания: источник питания перезапускается путем ручного включения входного напряжения после устранения неисправного состояния. Прежде чем запустить источник питания вручную, необходимо убедиться, что условия, вызвавшие отключение, устранены. Необходимо помнить, что условия перезапуска требуют выдержать паузу несколько секунд между включением и выключением источника питания.

                                                                               Защита от повышенного напряжения.
К выходу источника питания пользователем может быть подключена индуктивная нагрузка.
Для индуктивной нагрузки характерно явление возникновения э. д. с. самоиндукции.
Эта э. д. с. возникает при всяком изменении тока, например при замыкании и размыкании электрических цепей, где имеется индуктивность. При этом, чем быстрее изменяется ток, тем больше скорость изменения магнитного потока и тем большая э. д. с. самоиндукции индуцируется. Возникает так называемое коммутационное перенапряжение. В этом случае возникающая э. д. с. самоиндукции может во много раз превысить напряжение U источника и, суммируясь с ним, послужить причиной возникновения перенапряжений в электрических цепях.
Возникновение перенапряжения при размыкании электрических цепей с индуктивностью иллюстрируется графиком:

Поэтому, в источниках питания применяют защиту от перенапряжения на выходе.

Выходное напряжение отключается, когда его значение достигает диапазона включения защиты.

                                                                                       Защита от перегрева.
Источники питания должны работать, не допуская чрезмерного повышения температуры. Тем не менее, могут возникнуть такие неисправности как:
— постоянное состояние перегрузки;
— неисправный вентилятор;
— случайная блокировка входа/выхода охлаждающего воздуха;
— отказ системы кондиционирования воздуха в помещении.

Защита от перегрева выключает источник питания, если температура внутри его корпуса достигает определённого значения. Такой защитой оснащены не все источники питания.

                                                                                  Входные предохранители.

Для того, чтобы дополнительно защитить входные цепи источника питания, на входе устанавливают плавкие предохранители. Они надежно защищают схемы источников питания от значительных разрушений. Однако, в некоторых случаях, перегорание входных предохранителей вызвано необратимыми процессами во входных цепях, которые уже произошли до перегорания предохранителя. Поэтому его замена не всегда приводит к восстановлению работоспособности источника питания.

                                                                           Предостережения при режимах перегрузки.
Защитные и восстановительные цепи источников питания разработаны таким образом, чтобы предотвратить выход из строя источника питания, однако длительное нахождение в экстренном режиме перегрузки не рекомендуется и может привести к выходу из строя компонентов источника питания.

Простая схема автоматического ограничителя постоянного тока на транзисторах, защита от перегрузки и КЗ. « ЭлектроХобби

Как правило у большинства простой электронной и электрической аппаратуры используются такие же простые блоки питания, которые не имеют внутри себя защиты от перегрузки и короткого замыкания. И нередки случаи, когда при коротком замыкании, произошедшем на устройстве, выходит из строя блок питания, который и обеспечивает током данный прибор. Но не всегда замена такого блока питания может обойтись в копейки. Чтобы обезопасить как блок питания, так и само питаемое устройство от поломки из-за перегрузки или КЗ можно собрать достаточно простую схему защиты.

Как видно сама схема очень проста, имеет минимум компонентов. По стоимости обойдется практически в копейки, а то и вовсе бесплатно, если имеются свои электронные детали. Для тех кто не совсем понимает сам принцип действия данной схемы защиты от токовых перегрузок и коротких замыканий поясню ее работу. В принципе тут все просто. Итак, имеются два биполярных транзистора. Первый транзистор VT1 является силовым, и выполняет роль ограничителя тока. Данный транзистор в схеме поставлен типа КТ817. Максимальный ток коллектор-эмиттерного перехода у него до 3 ампер. Если этого тока Вам мало, то естественно, VT1 должен быть заменен на более мощный (например КТ819 с коллекторным током до 10 А). Поскольку токи при перегрузке или КЗ могут быть относительно немалые, и данный транзистор может быстро нагреваться, то желательно изначально предусмотреть охлаждающий радиатор подходящих размеров.

Резистор R1 задает смещение транзистору VT1, чтобы на его базу поступает положительный потенциал, что в свою очередь даст возможность быть открытым коллектор-эмиттерному переходу в нормальном режиме работы схемы. То есть, если в схеме будет только эти два компонента (VT1 и R1), то нагрузка будет работать, так как на нее будет подаваться напряжение и поступать ток из-за полностью открытого транзистора VT1.

А вот чтобы данный транзистор закрывался, при перегрузке и коротком замыкании, и нужны другие элементы схемы. Теперь о том, какова роль второго транзистора VT2. По мощности он гораздо меньше первого, так как через него будут проходить относительно малые токи. При своем открытии транзистор VT2 подает отрицательный потенциал (минус) на базу первого транзистора, что в свою очередь его начинает закрывать. И получается, что VT1 будет полностью открыт, когда VT2 полностью закрыт, а когда VT2 полностью открывается, то VT1 полностью закрывается и прекращает подачу электроэнергии на питаемое устройство (нагрузку).

Теперь о роли резисторов R2 и R3 в данной схеме. Датчиком тока является резистор R3. Его сопротивление крайне мало и может быть от 0,1 Ома до 5 или 10 Ом. Именно величиной сопротивления этого резистора и задается предел силы тока, при котором схема начнет ограничивать этот самый ток в выходной цепи питания. Пожалуй, лучше даже будет поставить на место R3 не постоянный резистор, а переменный или подстроечный величиной 5-10 Ом. Учтите, что этот резистор должен быть мощностью не менее 2 Вт, а то и больше.

С правого бока схемы можно увидеть три последовательно соединенных резистора. Это аналогия сопротивлений R3, R нагрузки и проводимости транзисторного коллектор-эмиттерного перехода VT1. То есть, как известно при изменении сопротивления на одном из последовательно соединенных резисторах начинает происходить перераспределение электрического напряжения. Если сопротивление нагрузки уменьшится при перегрузке или коротком замыкании, то на ней уменьшится и напряжение. Вместо этого напряжение увеличится на транзисторном переходе и на резисторе R3. Естественно, поскольку R3 соединен параллельно с база-эмиттерным переходом транзистора VT2 (через резистор R2), то увеличенное напряжение резистора R3 начнет открывать транзистор VT2. Резистор R2 нужен для ограничения тока, и более точной настройки величины тока, при котором уже будет происходить токоограничение и защита схемы нагрузки.

В итоге мы имеем такой процесс. Когда ток меньше порога срабатывания этой схемы (зависящий от величины сопротивления R3), то VT2 закрыт, а VT1 открыт, на нагрузку поступает сила тока в полном объеме. А когда ток в цепи нагрузки становится выше порогового, то происходит закрытие силового транзистора и тем самым начинает ограничиваться ток нагрузки, вплоть до полного отключения питания от нагрузки. Как видно на схеме имеется светодиод. Когда VT2 начинает открываться, то и через светодиод начинает протекать ток. Светодиод начинает светиться, сигнализируя о том, что ток нагрузки достиг величины срабатывания защиты и начало происходить токоограничения в питании нагрузки.

Как видно, все очень просто и понятно. Схема полностью работоспособна. Она проверена годами и многими электронщиками и радиолюбителями. Подобный вариант токовой защиты от перегрузки и КЗ широко используется при изготовлении самодельных блоков питания. И этот узел защиты ставиться на выходе имеющегося блока питания, ранее не имеющего подобной токовой защиты. Величина входного напряжения может быть в пределах от 3 до 15 вольт, хотя можно подавать и больше, при этом нужно будет подобрать более подходящие компоненты схемы для корректной ее работы.

Видео по этой теме:

P.S. Данную схему защиты от перегрузки по току и короткого замыкания можно ставить на любые блоки питания, не имеющие ее. А также и на саму нагрузку, что дополнительно обезопасит ее и имеющийся БП от выхода из строя последнего. По размерам данная схема получится вполне небольшой, так как ее компоненты имеют небольшие габариты. Тем более если использовать SMD компоненты. Так что берите себе на заметку эту простую схему и при необходимости собирайте ее.

Предохранители

— Как защитить источник питания от короткого замыкания внутри устройства?

спросил 1 год, 4 месяца назад

Изменено 1 год, 4 месяца назад

Просмотрено 1к раз

\$\начало группы\$

Я работаю над проектом электроники, который будет питаться от адаптера питания на 12 В.

Боюсь, что в случае короткого замыкания внутри изготавливаемого мною устройства адаптер может загореться. На каждом адаптере, который есть у меня дома, нет индикаторов какой-либо защиты от короткого замыкания (даже регулируемые они или нет), а также названия компании или идентификатора, которые позволили бы проверить его характеристики.

Пример широко используемого безымянного адаптера:

Предположим, что адаптер представляет собой адаптер на 12 В, 1 А (и устройство потребляет максимум 350 мА). Достаточно ли между адаптером и устройством поставить предохранитель 12-32В, 1А, чтобы быть уверенным, что что бы ни случилось

внутри адаптер не загорится?

• предохранители
• адаптер
• безопасность

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Простой способ решить эту проблему — использовать polyfuse внутри вашего устройства. Они работают, обнаруживая состояние перегрузки по току, а затем «отключаясь» для ограничения тока до более низкого значения до отключения питания, после чего он самостоятельно сбрасывается. Их иногда называют «PTC» или предохранителями с положительным температурным коэффициентом.

Подробнее здесь: https://www.littelfuse.com/products/polyswitch-resettable-pptcs.aspx

Если вас беспокоят другие неисправности, такие как перенапряжение или обратное напряжение, доступны более продвинутые решения. Вы можете даже рассмотреть возможность теплового зондирования с отключением, если есть вероятность, что ваше устройство может не получить достаточную вентиляцию.

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Поместите предохранитель внутрь устройства, которое вы проектируете.

Вы знаете мощность, напряжение и ток, поэтому выберите подходящий предохранитель с достаточным запасом мощности и быстрым или медленным срабатыванием в зависимости от ситуации.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Характеристика адаптеров переменного тока заключается в том, что когда вы пытаетесь получить от них больше мощности, чем они рассчитаны, напряжение падает по мере увеличения тока, а общее количество ватт не увеличивается, и больше не выделяется тепло. сгенерировано. Это происходит потому, что трансформатор насыщается. Вот почему вы не видите плавких предохранителей на адаптерах питания.

Если адаптер не имеет рейтинга UL, вы можете замкнуть плюс и минус, чтобы убедиться, что ничего не загорается. Если он плавит проводку (а не должен), вам следует рассмотреть плавкий предохранитель на 1 А. Имейте в виду, что предохранители могут в конечном итоге выйти из строя, если вы работаете на пределе их возможностей.

Также нередко устройство на 350 мА потребляет несколько ампер при загрузке из-за пускового тока.

\$\конечная группа\$

3

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Защита от короткого замыкания источника питания

Задай вопрос

спросил 11 лет, 5 месяцев назад

Изменено 4 года, 2 месяца назад

Просмотрено 21к раз

\$\начало группы\$

Эта схема выглядит относительно простой в сборке. Я не собираюсь возиться с трансформатором, так как у меня есть адаптер постоянного тока. Мне было интересно, как бы я адаптировал эту схему для использования lm317 вместо 7805. Максимальный выходной ток составляет 1,5 А. Я предполагаю, что мне понадобятся более мощные транзисторы. Однако я не уверен, так как формул внизу я никогда в жизни не видел. Не могли бы вы указать мне правильное направление для понимания этих формул, пожалуйста? Это блок питания 3,3 В / 5 В, выбираемый с помощью переключателя SPDT.

Изображение взято с: http://apowersupply.com/short-circuit-protection-in-dc-low-voltage-systems-380.html

Причина, по которой я использую эту схему, заключается в том, что она имеет светодиод короткого замыкания . Полезно иметь.

На самом деле я следую схеме искрового разряда для макетной платы на 5 В. Однако я хочу светодиод короткого замыкания, а также светодиод питания.

• блок питания
• защита
• короткое замыкание

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Если вы хотите, чтобы светодиод загорался при коротком замыкании, вы можете поместить светодиод на вход 7805 и управлять им с помощью выходного напряжения 7805. Используйте транзистор PNP для переключения светодиода и управляйте им с выхода 5 В. Поскольку входное напряжение на несколько вольт выше, вам понадобится делитель напряжения на базе, чтобы светодиод не загорался при напряжении 5 В. Размещение светодиода между эмиттером и входным напряжением также помогает, хотя делитель по-прежнему требуется, если входное напряжение на несколько вольт выше 5 В.
Если выход закорочен, он станет равным 0 В и включится PNP-транзистор.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Падение напряжения с 5 В до 4,5 В или более при номинальном токе кажется большим компромиссом для наличия светодиода обнаружения короткого замыкания. Лучшим способом может быть выбор резистора защиты от перегрузки по току PTC, управляющего входом 7805, выбранным чуть выше необходимого тока, а затем подключение светодиода к этому устройству с ограничением последовательного тока R для светодиода.