Защита от кз для блока питания. Защита импульсных источников питания постоянного тока: принципы, схемы и рекомендации

Как обеспечить защиту импульсного блока питания от перегрузок. Какие существуют схемы защиты от короткого замыкания, перенапряжения и других проблем. Каковы основные принципы работы и особенности импульсных источников питания постоянного тока.

Принципы работы импульсных источников питания постоянного тока

Импульсный источник питания постоянного тока состоит из нескольких основных частей:

• Входная часть
• Часть преобразования энергии
• Выходная часть
• Часть управления

Ключевым элементом является часть преобразования энергии. Она выполняет преобразование входного напряжения в высокочастотное переменное напряжение, которое затем выпрямляется и фильтруется для получения стабильного выходного постоянного напряжения.

Основные компоненты части преобразования энергии:

• Переключающий транзистор
• Высокочастотный трансформатор
• Выпрямитель
• Фильтр

Принцип работы заключается в быстром переключении транзистора, что позволяет передавать энергию через трансформатор порциями. Это обеспечивает высокий КПД и компактные размеры источника питания.

Особенности и преимущества импульсных источников питания

Современные импульсные источники питания обладают рядом важных достоинств:

• Высокая частота преобразования (до сотен кГц)
• Высокий КПД (80-95%)
• Малые габариты и вес
• Широкий диапазон входных напряжений
• Высокая стабильность выходного напряжения
• Низкий уровень пульсаций

Это достигается за счет применения современных технологий:

• Высокочастотное переключение
• Мягкое переключение
• Коррекция коэффициента мощности
• Синхронное выпрямление
• Интеллектуальное управление
• Применение компонентов для поверхностного монтажа

Необходимость защиты импульсных источников питания

Несмотря на все достоинства, импульсные источники питания требуют надежной защиты от различных аварийных ситуаций. Это обусловлено следующими факторами:

• Сложность схемотехники и алгоритмов управления
• Чувствительность полупроводниковых компонентов к перегрузкам
• Высокая плотность энергии в ограниченном объеме
• Возможность выхода из строя при резких перепадах нагрузки
• Необходимость защиты нагрузки от сбоев источника питания

Поэтому разработка эффективных схем защиты является важной задачей при проектировании импульсных источников питания.

Основные виды защиты импульсных источников питания

Для обеспечения надежной и безопасной работы в импульсных источниках питания применяются следующие основные виды защиты:

• Защита от перегрузки по току
• Защита от перенапряжения на входе и выходе
• Защита от перегрева
• Защита от короткого замыкания
• Защита при плавном пуске

Рассмотрим подробнее принципы работы и схемотехнику этих видов защиты.

Схема защиты от перегрузки по току

Защита от перегрузки по току необходима для предотвращения выхода из строя силовых компонентов источника питания при коротких замыканиях или чрезмерном увеличении нагрузки.

Принцип работы схемы защиты от перегрузки:

1. Контроль выходного тока с помощью токового шунта
2. Сравнение измеренного тока с пороговым значением
3. При превышении порога — отключение силового ключа
4. Ограничение тока на безопасном уровне
5. Возобновление работы после устранения перегрузки

Типовая схема защиты от перегрузки по току включает:

• Токовый шунт
• Компаратор
• Источник опорного напряжения
• Логические элементы управления

При правильной настройке такая схема обеспечивает надежную защиту источника питания от перегрузок по току.

Защита от перенапряжения на входе и выходе

Защита от перенапряжения необходима для предотвращения пробоя компонентов при скачках напряжения в сети или на нагрузке. Различают защиту от перенапряжения на входе и на выходе источника питания.

Принцип работы защиты от перенапряжения на входе:

1. Контроль входного напряжения
2. Сравнение с максимально допустимым значением
3. При превышении — отключение входной цепи
4. Возобновление работы после нормализации напряжения

Для реализации такой защиты применяются:

• Варисторы
• Супрессоры
• Схемы контроля на компараторах
• Быстродействующие реле

Защита от перенапряжения на выходе работает по аналогичному принципу, но контролирует выходное напряжение источника питания.

Схема защиты при плавном пуске

Плавный пуск необходим для ограничения пусковых токов при включении источника питания. Это позволяет избежать ложного срабатывания защиты и продлить срок службы компонентов.

Принцип работы схемы плавного пуска:

1. При включении ток ограничивается резистором
2. Происходит плавный заряд конденсаторов
3. После выхода на режим резистор шунтируется
4. Источник питания переходит в нормальный режим

Типовая схема плавного пуска содержит:

• Токоограничивающий резистор
• Реле или транзистор для шунтирования
• Цепь задержки на RC-цепочке
• Компаратор для определения момента переключения

Правильно спроектированная схема плавного пуска значительно повышает надежность источника питания.

Рекомендации по разработке схем защиты

При проектировании схем защиты импульсных источников питания следует придерживаться следующих рекомендаций:

• Использовать быстродействующие компоненты
• Обеспечить гальваническую развязку силовых и управляющих цепей
• Применять дублирование критичных узлов защиты
• Предусмотреть индикацию срабатывания защиты
• Обеспечить возможность настройки порогов срабатывания
• Тщательно экранировать чувствительные цепи
• Использовать качественные компоненты с запасом по параметрам

Соблюдение этих рекомендаций позволит создать надежную систему защиты, обеспечивающую безопасную эксплуатацию импульсного источника питания.

Заключение

Применение эффективных схем защиты является важнейшим условием надежной и безопасной работы импульсных источников питания. Правильно спроектированные цепи защиты от перегрузки по току, перенапряжения, перегрева и других аварийных ситуаций позволяют:

• Предотвратить выход из строя дорогостоящих компонентов
• Обеспечить бесперебойное питание нагрузки
• Повысить общую надежность и долговечность устройства
• Защитить персонал и оборудование от поражения электрическим током

При разработке схем защиты необходимо учитывать особенности конкретного источника питания, требования по быстродействию, условия эксплуатации и другие факторы. Комплексный подход к проектированию систем защиты позволяет создавать современные импульсные источники питания, отвечающие самым высоким требованиям по надежности и безопасности.

Блок питания с защитой от КЗ « схемопедия

Этот блок питания прост для повторения, надежно защищен от случайных коротких замыканий, имеет плавную регулировку выходного напряжения от “нуля”, коллекторы транзисторов крепятся непосредственно к радиатору или корпусу (массе шасси).

Блок состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя, сравнивающего устройства на операционном усилителе, который своим током потребления управляет составным транзистором и, узле защиты (рис. 1).

Рис. 1.

Понижающий трансформатор следует проверить на отдаваемую им мощность. Для этого первичную обмотку включают через предохранитель в сеть 220 вольт, предварительно заизолировав все открытые участки проводки. Переменное напряжение на вторичной обмотке не должно превышать 20 вольт, иначе после выпрямителя постоянное напряжение на электролитическом конденсаторе превысит 30 вольт, предельное для микросхемы операционного усилителя. Параллельно к выводам вторичной обмотки трансформатора подключают вольтметр и кратковременно накоротко замыкают мощным резистором сопротивлением 20 ом. Ток через резистор будет приблизительно 1 ампер. Обычно этого достаточно, но “дело вкуса”. Если показания вольтметра изменились незначительно и такая мощность устраивает, проверка закончена.

В выпрямителе лучше использовать микросборку КЦ-402 или КЦ-405 с любым буквенным индексом. Тогда постоянное напряжение на выходе будет более “красивым” благодаря одинаковым параметрам диодов моста. При потребности в больших токах блока выпрямительный мост собирается из отдельных мощных диодов.

Сравнивающее устройство (см. рис. 1) состоит из операционного усилителя DА1 и измерительного моста, образованного резисторами R5-R7 и стабилитроном VD2. Изменение напряжения на выходе блока питания приводит к разбалансу измерительного моста. Операционный усилитель усиливает напряжение разбаланса, изменяя напряжение на нагрузочном сопротивлении R4, но, так как эта нагрузка постоянна, то меняется ток, проходящий через микросхему. Этот ток, как нельзя лучше, подходит для управления регулирующим транзистором, так как транзистор, в общем, токовый элемент. Идея нестандартного включения операционного усилителя взята из [1]. В сравнивающем устройстве можно применить любой операционный усилитель, особенно, если блок будет использоваться как нерегулируемый стабилизатор напряжения в каком-либо устройстве. Напряжение на выходе блока будет равно удвоенному напряжению стабилизации применяемого стабилитрона (это соотношение можно изменять резисторами R5 и R6). Если понадобится стабилизировать напряжение более 30 вольт, то необходимо установить стабилитрон VD3 (показан пунктиром), который погасит избыточное напряжение на ОУ. При этом сопротивление резистора R7 должно быть рассчитано на номинальный рабочий ток стабилитрона VD2. Операционный усилитель без обратной связи может возбудиться и тогда потребуется ввести конденсатор С4.

Не все операционные усилители подходят для регулируемого варианта блока (см. рис. 2). Нужно проследить, чтобы при уменьшении выходного напряжения до “нуля” потенциометром R7 процесс стабилизации не срывался. Иначе на выходе блока появится полное напряжение от выпрямителя.

Рис. 2.

Узел защиты состоит из шунта и тринистора 2У107А. Ток, проходящий через шунт, создает на нем пропорциональное падение напряжения. Как только напряжение достигнет определенного уровня, тринистор откроется и разбалансирует уравновешивающий мост R5-R8 (рис. 2). Тогда составной транзистор VT1-VT2 закроется и ток через нагрузку блока прекратится. Для возврата защиты в исходное состояние служит кнопка SB1. Здесь не следует применять тумблер или выключатель: можно забыть включить защиту. При необходимости получения максимального тока можно просто удерживать кнопку нажатой. В качестве шунта использован отрезок манганинового провода. Сечение и длина провода подбираются экспериментально в зависимости от требуемого тока и порога срабатывания защиты. Тринистор 2У107А по чувствительности, быстроте и надежности срабатывания оказался наиболее удачным выбором. Другие тринисторы не дали нужного результата.

Составной транзистор может быть собран из любых транзисторов при соблюдении общих правил, например: VT1—КТ808А, VT2—КТ815А. Подстроечное сопротивление R3 (рис.1) служит для настройки составного транзистора на максимальную отдачу тока. Для этого следует нагрузочным сопротивлением (например, 12 ом) кратковременно замыкать выход блока питания и установить R3 по меньшему отклонению выходного напряжения.

На основе изложенного был собран двуполярный лабораторный блок питания (см. рис. 3 и фото 1-3). Верхний по схеме стабилизатор удобно использовать без защиты. Вместе с нижним стабилизатором можно получить напряжение до 25 вольт, плюс защита от перегрузки. Транзистор VT1 необходимо изолировать от радиатора слюдяной прокладкой.

Рис. 3.

Детали блока питания собраны на печатной плате размером 80х110 мм. Корпус блока сделан из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 235х100х160 мм. Детали корпуса скреплены между собой оловом. Верхняя крышка корпуса укреплена треугольными косынками. Передняя и задняя стенки скреплены с поддоном прямоугольниками. В них просверлены отверстия и изнутри припаяны гайки М3 для крепления крышки.

Рис. 4.

Фальшпанель крепится к передней панели с помощью винта и гайки через отверстие, просверленное посередине. На фальшпанель выведены светодиоды: красный — загорается при срабатывании защиты, зеленый — указывает о включенном состоянии блока в сеть. Для вольтметра и миллиамперметра вырезаны отверстия. Миллиамперметр отрегулирован шунтом на полное отклонение стрелки и срабатывание защиты при токе 300 миллиaмпер. Такая защита срабатывает мгновенно и спасла не одно устройство.

Рис. 5.

На задней панели находятся радиаторы с транзисторами VT1 и VT3, предохранитель, клеммы выходного напряжения, тумблер включения блока питания в сеть, тумблер переключения вольтметра, кнопка “Сброс защиты”.

Литература:

1. Журнал “Радио”, 1986 г., номер 9, стр. 48.

М. Файзуллин (UA9WNH/9), Тюменская обл., г. Нижневартовск

5 вещей, на которые следует обращать внимание при выборе блока питания

В магазинах имеется множество блоков питания – разных марок, с разными характеристиками и особенностями. Какие же из них лучше отвечают потребностям геймеров? При выборе подходящей модели следует обратить внимание на несколько факторов:

• Мощность
• Безопасность
• Конструкция шин питания и их характеристики
• Модульная конструкция кабелей и персонализация
• Сертификация энергоэффективности 80 Plus
• Поддержка видеокарт и процессоров

Мощность

Перед обсуждением прочих параметров следует объяснить самый базовый. Мощность, указанная в характеристиках блока питания, может отличаться от его действительной мощности. Для хорошего продукта это будет мощность при длительной работе, а для других – лишь пиковая выходная мощность, то есть выдавать ее постоянно они не смогут. На каждом блоке питания имеется этикетка с характеристиками. Также их можно прочитать на его упаковке. Из них вы сможете узнать, какую именно выходную мощность имеет та или иная модель. Далее мы рассмотрим оба типа мощности более детально.

Длительная мощность

Это максимальное значение выходной мощности, которую способен обеспечить блок питания при длительной работе, независимо от входного напряжения и температуры. Как правило, этикетка на задней панели блока питания оформляется в соответствии с правилами по электробезопасности, и на ней должна быть указана именно длительная мощность.

Пиковая мощность

Мощность блока питания, которую тот способен поддерживать в течение короткого времени (менее 10 мс) до активации защитных механизмов, называется пиковой. Как правило, она в 1,3 раза больше, чем длительная и чаще всего не указывается в таблицах характеристик и на этикетках продуктов. Например, пиковая мощность 850-ваттного блока питания будет составлять примерно 1105 Вт (850 Вт х 1,3 = 1105 Вт).

У некоторых блоков питания общая выходная мощность, написанная на этикетке, отличается от той, что указана в их названии или описании, поэтому обязательно перед покупкой изучите технические характеристики устройства, чтобы убедиться, что вы получите именно ту мощность, которая вам требуется.

Безопасность

Еще одним важным аспектом блока питания являются его защитные функции, которые предотвращают повреждение устройства при возникновении внештатных ситуаций. Ниже приведены краткие описания самых популярных из них.

Защита от перегрузок по напряжению (OVP)

При нестабильной работе системы питания могут случиться скачки выходного напряжения. Если оно выйдет за безопасные пределы, блок питания будет отключен, чтобы предотвратить повреждение компонентов компьютера. После устранения внештатной ситуации его можно будет включить снова.

Определение, данное в руководстве компании Intel по проектированию блоков:

Защита от перегрузок по току (OCP)

Если ток на выходных линиях превысит безопасный уровень, блок питания будет вовремя выключен, чтобы избежать повреждения компонентов компьютера. Его можно будет снова включить после устранения неисправности.

Защита от общей перегрузки (OPP)

Если общее энергопотребление компьютера превысит возможности блока питания, тот будет вовремя отключен, чтобы предотвратить поломку.

Защита от перегрева (OTP)

Если температура внутри блока питания превысит безопасный уровень, например из-за плохого отвода тепла или сломавшегося вентилятора, то он будет вовремя отключен, чтобы предотвратить его поломку. Блок питания можно будет включить вновь, когда температура опустится до приемлемой.

Защита от коротких замыканий (SCP)

При коротком замыкании выходных линий блок питания будет вовремя выключен, чтобы избежать повреждения. Его можно будет снова включить после устранения неисправности.

Конструкция шин питания и их характеристики

Блоки питания могут иметь одну или несколько выходных линий с напряжением +12 В. Оба варианта имеют свои плюсы и сферы применения. +12 В – это основное системное напряжение, которое используется и процессором, и видеокартой, и материнской платой, поэтому сила тока на такой линии будет довольно высокой. Понять, какой именно конструктивный вариант используется в том или ином блоке питания, как правило, можно из его технических характеристик.

Одиночная выходная линия

Как подразумевает название, при таком варианте имеется лишь одна выходная линия +12 В, по которой и поставляется весь ток, нужный системным компонентам. Его преимущество состоит в том, что сила тока такой линии может быть сравнительно высока. В таблице характеристик будет указана лишь одна линия +12 В с максимальной силой тока и мощностью, которые она поддерживает.

Несколько выходных линий

При таком варианте одна внутренняя шина +12 В разделяется на несколько выходных линий, причем на каждой линии имеется свое ограничение по силе тока с соответствующей защитой, и это повышает уровень электробезопасности. В характеристиках блока питания будет указано несколько выходных линий +12 В с максимальной силой тока и мощностью каждой из них.

Впрочем, независимо от их числа, общая мощность внутренней шины +12 В останется неизменной.

Различные варианты схемотехники и защитных механизмов будут влиять на максимальную мощность блока питания. Как правило, пиковая мощность больше номинальной в 1,3 раза. При превышении этого порога активируется защита: защита от перегрузки по току или общей перегрузки. Пороговые значения защиты устанавливаются каждым производителем самостоятельно, и для блоков питания с одной выходной линией +12 В их значения практически совпадают. Для устройств с несколькими выходными линиями +12 В защита от перегрузки по току обычно более важна.

Возьмем к примеру модель MPG A850GF. Для каждой выходной линии указана максимальная сила тока в амперах. Умножив это число на лимит перегрузки по току, мы получим максимальную пиковую мощность – столько энергии могут получить подключенный к ней процессор или видеокарта.

Видеокарты рекомендуется подключать к линиям с большим запасом по току – в нашем примере это VGA1 и VGA2.

Уровень защиты от перегрузки по току

+12VCPU: 25A x 1.3 x 12V = 390W
+12VVGA1: 40A x 1.3 x 12V = 624W
+12VVGA2: 40A x 1.3 x 12V = 624W

Защита от общей перегрузки устанавливается на уровне в 1,3 раза выше, чем номинальная мощность блока питания. Таким образом, кратковременно выходная мощность может доходить до 1105 Вт (850 Вт x 1,3 = 1105 Вт).

Чтобы сымитировать энергопотребление компьютера при игре в разрешениях 4K и FHD, мы воспользовались игровым бенчмарком. Кроме того, мы применили тест AIDA64 + 3DMark D12X, чтобы оценить потребности системы под максимально высокой нагрузкой.

Ниже представлены компоненты, которые мы использовали в наших тестах.

Тестовая система №1

• Материнская плата: MEG Z490 ACE
• Процессор: Intel i9-10900K (с включенной функцией Turbo Boost)
• Видеокарта: RTX 3090 Gaming X Trio
• Блок питания: MPG A850GF

Тестовая система №2

• Материнская плата: MEG X570 UNIFY
• Процессор: AMD Ryzen™ 9 5950X (с включенной функцией Game Boost)
• Видеокарта: RTX 3090 Gaming X Trio
• Блок питания: MPG A850GF

По итогам игровых и стресс-тестов мы можем заключить, что среднее энергопотребление не превышает 600 Вт, а пиковое находится в безопасных пределах (для модели MPG A850GF: 850 Вт x 1,3 = 1105 Вт).

Модульная конструкция кабелей и персонализация

Кабели блока питания могут быть фиксированными или отсоединяемыми, в последнем случае – все или некоторые из них. Преимуществами модульной конструкции (при которой все кабели можно отсоединить) является экономия места и удобство аккуратной прокладки кабелей. Кроме того, модульный блок питания можно персонализировать, заменив кабели другими.

Распиновка разъемов блоков питания MSI серии MPG.

Сертификация энергоэффективности 80 PLUS

80 Plus – это сертификация энергоэффективности (коэффициента полезного действия) блоков питания. В ней предусмотрено шесть уровней. Чем выше уровень, тем выше КПД и больше экономия энергии. Обычно для достижения лучшей энергоэффективности требуется применять более качественные материалы. Ниже указаны требования стандарта «80 Plus» разных уровней, которым должны отвечать соответствующие блоки питания.

Наши рекомендации выбора блоков питания для видеокарт и процессоров

В представленной ниже таблице показаны наши рекомендации по выбору блоков питания MSI для сборок с видеокартами NVIDIA и процессорами Intel/AMD. Данные по энергопотреблению готовящихся к выходу видеокарт AMD будут предоставлены позже.

Подробную информацию вы всегда можете найти на официальном сайте MSI.
MEG Ai1300P PCIE5 https://www.msi.com/Power-Supply/MEG-Ai1300P-PCIE5
MEG Ai1000P PCIE5 https://www.msi.com/Power-Supply/MEG-Ai1000P-PCIE5
MPG A1000G PCIE5 https://ru.msi.com/Power-Supply/MPG-A1000G-PCIE5
MPG A850G PCIE5 https://ru. msi.com/Power-Supply/MPG-A850G-PCIE5
MPG A750G PCIE5 https://ru.msi.com/Power-Supply/MPG-A750G-PCIE5
MPG A1000G https://ru.msi.com/Power-Supply/MPG-A1000G
MPG A850GF https://ru.msi.com/Power-Supply/MPG-A850GF
MPG A750GF https://ru.msi.com/Power-Supply/MPG-A750GF
MPG A650GF https://ru.msi.com/Power-Supply/MPG-A650GF
MAG A650BN https://ru.msi.com/Power-Supply/MAG-A650BN
MAG A550BN https://ru.msi.com/Power-Supply/MAG-A550BN

Как защитить цепь импульсного источника питания постоянного тока?

 

 

Защита цепи — часто обсуждаемая тема, и различные типы защиты цепи различаются из-за различных проблем в цепи.

Короткое замыкание, перегрузка, заземление и удары молнии являются наиболее распространенными неисправностями в системах электроснабжения. Для обеспечения безопасной и надежной работы системы электроснабжения должны быть установлены защитные устройства, обеспечивающие контроль за условиями работы системы электроснабжения, своевременное обнаружение неисправностей и отключение питания неисправного оборудования, не допуская распространения аварии. . Как правило, схема защиты состоит из различных реле, устройств индикации сигналов и других компонентов.

В этом блоге подробно обсуждаются некоторые средства защиты цепей. Ниже представлено ознакомительное видео о защите от короткого замыкания.

DIY Short Circuit (Overcurrent) Protection

 

---

Catalog

 

I Introduction to circuit protection

II Switching power principle and characteristics      2.1 Оперативный схема защиты

IV Вывод

Часто задаваемые вопросы

 

---

I Введение в защиту цепи

Работа электронного оборудования не может быть отделена от электричества, поэтому импульсный источник питания постоянного тока, который может управлять электричеством, играет все более и более важную роль. И он вошел в различные области электроники и электрооборудования: обмен SPC, связь, электропитание электронного испытательного оборудования и электропитание управляющего оборудования, которые широко используются для импульсного источника питания постоянного тока.

Между тем, с развитием многих высокотехнологичных технологий, включая технологию высокочастотного переключения, технологию мягкого переключения, технологию коррекции коэффициента мощности, технологию синхронного выпрямителя, интеллектуальную технологию, технологию поверхностной установки и т. д., технология импульсного источника питания постоянно внедрять инновации. Это обеспечивает широкий спектр возможностей для импульсных источников питания постоянного тока.

Диаграмма постоянного тока

 

Но схема сложна в управлении в импульсном блоке питания, транзистор и интегральное устройство имеют плохую устойчивость к электричеству и тепловому удару, что доставляет пользователю большие неудобства в процессе с использованием. Чтобы обеспечить безопасность самого импульсного источника питания и нагрузки, защита от перегрева, защита от перегрузки по току, защита от перенапряжения и схема защиты от плавного пуска разработаны в соответствии с принципом и характеристиками импульсного источника питания постоянного тока.

 

II Принцип и характеристики импульсной мощности

2.1 Принцип работы импульсной мощности

Импульсный источник питания постоянного тока состоит из входной части, части преобразования энергии, выходной части и части управления. Часть преобразования энергии является ядром импульсного источника питания. Он выполняет преобразование, необходимое для вывода на высокочастотный и нестабильный постоянный ток. Он в основном состоит из переключающего транзистора и высокочастотного трансформатора.

Рисунок 1. Принцип действия импульсного источника питания постоянного тока

На рисунке 1 показана принципиальная схема и эквивалентная блок-схема импульсного источника питания постоянного тока, состоящего из двухполупериодного выпрямителя, переключающей трубки V, сигнала возбуждения, маховикового диода. Vp, индуктивность накопления энергии и емкость фильтра C. Фактически, основной частью импульсного источника питания постоянного тока является трансформатор постоянного тока.

2.2 Характеристика мощности переключения

 

Для того, чтобы удовлетворить потребности пользователей, основные мировые производители импульсных источников питания взяли на себя обязательство одновременно разрабатывать новые высокоинтеллектуальные компоненты, особенно за счет снижения потерь во вторичном выпрямителе. Для улучшения магнитных свойств при высоких частотах и ​​высокой плотности магнитного потока были разработаны силовые ферритовые (Mn-Zn) материалы.

В то же время применение технологии поверхностного монтажа в области импульсных источников питания также значительно продвинулось вперед. Компоненты расположены с обеих сторон печатной платы, чтобы импульсный источник питания был легким, маленьким и тонким. Таким образом, высокая частота, высокая надежность, низкое энергопотребление, низкий уровень шума, защита от помех и модульность являются тенденциями развития импульсных источников питания постоянного тока.

Однако у импульсных источников питания постоянного тока есть и недостатки.

Импульсный источник питания постоянного тока имеет серьезные помехи, и его способность адаптироваться к суровым условиям и внезапным сбоям слаба. В развивающихся странах все еще существует определенный пробел в технологиях микроэлектроники. В частности, технология производства резисторов и конденсаторов и технология магнитных материалов сравниваются с технологиями некоторых технологически развитых стран. Поэтому изготовление импульсных источников питания постоянного тока очень сложно. В большинстве частей мира техническое обслуживание сложно и дорого.

III Защита импульсного источника питания постоянного тока

Основываясь на характеристиках импульсного источника постоянного тока и фактическом электрическом состоянии, чтобы обеспечить безопасную и надежную работу импульсного источника постоянного тока в неблагоприятных условиях и внезапных отказах, в этой статье разнообразие схем защиты в зависимости от различных условий.

3.1 Схема защиты от перегрузки по току

 

Рисунок 2. Схема защиты от перегрузки по току

В цепи импульсного источника питания постоянного тока, чтобы избежать короткого замыкания и повреждения переполнения для защиты трубки регулятора в цепи, основной метод заключается в том, что, когда выходной ток превышает определенное значение, трубка регулятора находится в обратном смещении. состоянии, таким образом, ток цепи автоматически отключается. Как показано на рис. 2, схема защиты от перегрузки по току состоит из транзистора BG2 и делительного резистора R4, R5. Когда схема работает нормально, потенциал базы BG2 ниже, чем потенциал эмиттера из-за взаимодействия частичного напряжения между R4 и R5, а эмиттерный переход несет обратное напряжение. Таким образом, BG2 находится в состоянии отсечки (эквивалентно разомкнутой цепи), которое используется для стабилизации напряжения. Но схема стабилизации напряжения не действует. Когда в цепи короткое замыкание, выходное напряжение равно нулю, а эмиттер BG2 эквивалентен заземлению, тогда BG2 находится в состоянии проводимости насыщения (эквивалентно короткому замыканию), так что база регулятора BG1 и эмиттер закрыты. к короткому замыканию, а в состоянии отключения ток цепи отключается для достижения цели защиты.

 

3.2 Схема защиты от перенапряжения

Защита от перенапряжения импульсного регулятора в импульсном источнике постоянного тока включает в себя защиту от перенапряжения на входе и защиту от перенапряжения на выходе. Если напряжение нестабилизированного источника питания постоянного тока (например, аккумуляторов и выпрямителей), используемого импульсным стабилизатором, слишком велико, это приведет к неправильной работе импульсного регулятора и даже к повреждению внутренних устройств. Поэтому в импульсном блоке питания необходимо использовать схему защиты от перенапряжения на входе. Рис. 3 представляет собой схему защиты, состоящую из транзисторов и реле, в которой напряжение входного источника питания постоянного тока выше, чем напряжение пробоя стабилитрона, в этом состоянии ток протекает через резистор R, делая диод Т проводящим. После этих электрических действий срабатывает реле и общий замкнутый контакт размыкается, вводя ток. Схема защиты от полярности входного источника питания может быть объединена с защитой от перенапряжения на входе для формирования схемы идентификации защиты от полярности и защиты от перенапряжения.

Рисунок 3. Схема защиты от перенапряжения на входе

3.3 Схема защиты от плавного пуска

Схема импульсного источника питания сложная, входной конец импульсного регулятора обычно соединен с малой индуктивностью и входным фильтром большой емкости. В момент запуска конденсатор фильтра пропускает большой импульсный ток, который может в несколько раз превышать нормальный входной ток. Такой большой импульсный ток плавит контакты обычного силового выключателя или реле и плавит входной предохранитель. Кроме того, импульсный ток также может повредить конденсаторы, сократить срок их службы, вызвать преждевременную поломку. Для этого в цепь следует включить токоограничивающее сопротивление, через это токоограничивающее сопротивление зарядить конденсатор. Чтобы не потреблять слишком много энергии на токоограничивающее сопротивление и не влиять на нормальную работу импульсного регулятора, поэтому используется реле для его автоматического подключения после завершения переходного процесса, что делает источник питания постоянного тока непосредственно к импульсный регулятор. Это называется схемой «мягкого пуска» импульсного источника питания постоянного тока.

Рис. 4. Схема защиты от плавного пуска

При включении питания конденсатор С заряжается входным напряжением через выпрямительный мост (D1 ~ D4) и токоограничивающее сопротивление R1 для ограничения импульсного тока. Инвертор работает нормально, когда конденсатор C заряжен примерно до 80% номинального напряжения. Сигнал срабатывания тиристора формируется вспомогательной обмоткой основного трансформатора, что приводит к включению тиристора и короткому замыканию токоограничивающего сопротивления R1, а импульсный источник питания находится в нормальном рабочем состоянии. Чтобы повысить точность времени задержки и предотвратить тряску и колебания работы реле. Схема задержки может заменить RC-цепь задержки схемой, показанной на рисунке 4(b).

3.4 Схема защиты от перегрева

Высокая степень интеграции и малый вес импульсного стабилизатора в импульсном источнике питания постоянного тока значительно увеличивают плотность мощности на единицу объема, поэтому, если внутренние компоненты источника питания не имеют соответствующего увеличения температуры его рабочей среды, это неизбежно приведет к повреждению характеристик схемы и преждевременному сокращению срока службы компонентов. Следовательно, схема защиты от перегрева должна быть установлена ​​в высокомощном импульсном источнике постоянного тока.

Рис. 5. Схема защиты от перегрева

В данной статье температурное реле используется для определения внутренней температуры блока питания. Когда внутренняя часть устройства источника питания перегревается, срабатывает реле температуры, которое переводит цепь сигнализации всей машины в состояние тревоги и реализует защиту от перегрева источника питания.

Как показано на рис. 5 (а), тепловой тиристор управляющего затвора Р-типа расположен рядом с транзистором силового ключа в схеме защиты. По характеристикам ТТ102 (температура включения прибора определяется значением Rr, чем больше Rr, тем ниже температура проводимости), при превышении температуры силовой трубки или температуры внутри прибора допустимое значение, тепловой тиристор включается и загорается светодиод, подавая сигнал тревоги. Если взаимодействовать с фотоэлектрическим соединителем, который может привести в действие цепь сигнализации всей машины, защищая источник питания переключателя.

Схема также может быть выполнена так, как показано на рис. 5 (б), для защиты силового транзистора от перегрева. Ток базы переключающего транзистора шунтируется термотиристором TT201 с управляющим затвором N-типа, и трубка переключателя отключается, также отключается ток коллектора и предотвращается перегрев.

IV Заключение

В этом блоге в основном обсуждаются различные методы защиты внутренних устройств в импульсном источнике питания постоянного тока, и вводятся некоторые конкретные схемы. Для данного импульсного источника питания постоянного тока очень важно для безопасности и надежности устройства источника питания, является ли схема защиты идеальной и обязательно настроенной на работу. Поскольку схема защиты и структура схемы импульсного источника питания разнообразны, для конкретных устройств питания следует выбирать разумную схему защиты и структуру схемы. В практическом применении обычно используется несколько методов защиты, чтобы сформировать идеальную систему защиты, обеспечивающую нормальную работу импульсного источника питания постоянного тока.

 

---

Часто задаваемые вопросы

 

1. Какова цель защиты цепи?

Основными целями защиты цепи являются: 1) локализация и изоляция состояния или неисправности и 2) предотвращение и минимизация любых ненужных потерь мощности. Существует несколько типов нештатных ситуаций, которые могут возникать в течение всего срока службы здания, и для исправления или преодоления которых должна быть спроектирована электрическая система.

 

2. Какие защитные устройства используются в цепях?

Предохранители, автоматические автоматические выключатели, УЗО и АВДТ — это устройства, используемые для защиты пользователей и оборудования от неисправностей в электрической цепи путем отключения электропитания.

 

Самым простым устройством является предохранитель, тип резистора с низким сопротивлением, который действует как жертвенное устройство для обеспечения защиты от перегрузки по току в цепи нагрузки или источника. Предохранитель защищает цепь, но как только он используется, ему приходит конец.

 

4. Какие два устройства защиты главной цепи?

В этой главе рассматриваются два типа устройств защиты цепи: предохранители и автоматические выключатели. Предохранитель — это простейшее устройство защиты цепи. Он получил свое название от латинского слова «fusus», что означает «таять». Предохранители использовались практически с самого начала использования электричества.

 

5. Что такое импульсный источник питания постоянного тока?

A Импульсный источник питания постоянного тока (также известный как импульсный источник питания) регулирует выходное напряжение с помощью процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Процесс ШИМ создает некоторый высокочастотный шум, но позволяет создавать импульсные источники питания с очень высокой энергоэффективностью и малым форм-фактором.

 

6. В чем разница между линейным источником питания постоянного тока и импульсным источником питания?

Линейные источники питания выдают постоянный ток, пропуская первичное переменное напряжение через трансформатор и затем фильтруя его для удаления составляющей переменного тока. Импульсные источники питания отличаются более высокой эффективностью, меньшим весом, более длительным временем удержания и способностью работать с более широкими диапазонами входного напряжения.

 

7. Можно ли использовать импульсный источник питания для привода двигателя постоянного тока?

Простой нестабилизированный аналоговый блок питания может быть проще и может обеспечить больший пусковой ток под нагрузкой, чем коммутационный. Двигатели постоянного тока не слишком требовательны к питанию и обычно довольно хорошо работают на нефильтрованном постоянном токе.

 

8. Нужен ли мне импульсный блок питания?

Импульсный источник питания обеспечивает более высокий КПД благодаря высокой частоте переключения, что позволяет использовать меньший по размеру и менее дорогой высокочастотный трансформатор, а также более легкие и недорогие компоненты фильтра. Импульсные источники питания содержат больше габаритных компонентов, поэтому обычно дороже.

 

9. Какие существуют 3 типа источника питания?

Существует три вида регулируемых источников питания: линейные, импульсные и аккумуляторные. Из трех основных конструкций регулируемых источников питания линейная является наименее сложной системой, но у импульсного источника питания и питания от батареи есть свои преимущества.

 

10. Для чего используется импульсный источник питания?

Импульсные источники питания используются для питания широкого спектра оборудования, такого как компьютеры, чувствительная электроника, устройства с батарейным питанием и другое оборудование, требующее высокой эффективности.

 

 

Защита источника питания и его нагрузки

Защита питания подобна страховке: вы платите за нее, но надеетесь, что она вам не понадобится. Но это не просто «покупка». Первый вопрос защиты: «Что я хочу защитить и от каких событий?» Ответ двоякий: источник питания и его компоненты нуждаются в защите от сбоев нагрузки, а нагрузка нуждается в защите от сбоев питания.

Второй вопрос: «Какие неисправности?» Это может быть чрезмерный ток или напряжение, от короткого замыкания и связанных с ним высоких токов до переходных процессов и скачков напряжения из-за электростатического разряда (электростатического разряда) или даже молнии. Некоторые неисправности возникают из-за отказа компонентов, тогда как другие могут быть вызваны ошибкой проводки. Наконец, в некоторых случаях причиной неисправности может быть даже слишком низкое напряжение питания.

Компоненты, которые должны быть добавлены в цепь или систему для обеспечения защиты цепи, мало ценятся. Они не улучшают функциональность и не добавляют гламура, привлекательности или производительности продукта. Они занимают место, увеличивают стоимость, усложняют спецификацию материалов (BOM) и обычно сидят тихо, ничего не делая. Так обстоит дело до тех пор, пока они не понадобятся, когда ожидается, что они будут быстро реагировать и защищать другие компоненты в цепи от неисправности или даже разрушения.

Защита от любых возможных проблем с питанием сложна, затратна и, как правило, не нужна. Задача инженера-проектировщика — оценить, нужна ли защита от сбоев; в конце концов, нет особых причин защищать смартфон от скачков напряжения, вызванных молнией.

Существует множество компонентов и технологий, связанных с защитой, на выбор. Большинство из них пассивны, но некоторые активны. В этой статье мы сосредоточимся только на пассивных или преимущественно пассивных типах.

Как и в случае с большинством вопросов дизайна, существуют пересекающиеся точки зрения на одну и ту же основную тему. Что касается защиты электропитания, вы можете сначала рассмотреть ее с точки зрения потенциальных условий неисправности, а затем вариантов их устранения, или с точки зрения различных компонентов защиты, а затем сбоев, для которых они используются. Цепь или система могут использовать один или несколько уровней и типов защиты. Многие из этих функций защиты встроены в источник питания, будь то ИС преобразователя постоянного тока или более крупный блок переменного тока в постоянный. В других случаях, например, когда инженер проектирует источник питания из отдельных компонентов, может потребоваться добавить некоторые из них.

Все начинается с перегрузки по току и предохранителей

Перегрузка по току является серьезной проблемой независимо от того, является ли она результатом короткого замыкания вне источника питания или внутри него. Это может инициировать каскад дополнительных сбоев, подвергнуть пользователей риску и даже вызвать пожар. Самым старым решением является предохранитель (также называемый плавкой вставкой) (рис. 1) с, по-видимому, простым принципом действия: когда протекающий ток превышает порог тока предохранителя, ток вызывает перегрев специального провода внутри предохранителя (I ² R нагрев), расплавить и открыть, отключив ток до нуля.

После срабатывания предохранителя подача тока полностью прекращается и может быть восстановлена ​​только заменой самого предохранителя, что является либо преимуществом, либо недостатком, в зависимости от применения. Более сложный автоматический выключатель является альтернативой предохранителю, который не требует замены после срабатывания. Некоторые выключатели активируются термически, некоторые активируются магнитом; в любом случае, как и предохранитель, выключатель является устройством, запускаемым током.

Хотя предохранитель «древний», он недорог, надежен, прост в разработке и эффективен. Доступны базовые предохранители номиналом от 1 А до сотен ампер (рис. 2) . В то время как предохранители имеют номинальное напряжение, это в первую очередь касается номинала контактов и физического расстояния, поскольку сам предохранитель срабатывает только от тока через него, а не от напряжения.

Для некоторых устройств предохранитель не является хорошим выбором (подумайте о внутренних цепях питания смартфона с ограниченным энергопотреблением), в то время как для других он является лучшим выбором и часто используется в сочетании с другими методами защиты. Предохранитель часто добавляется, чтобы помочь продукту соответствовать нормативным требованиям безопасности из-за непосредственности его функциональности.

Обратите внимание, что, несмотря на их простой принцип, они предлагаются во многих вариациях и тонкостях, таких как время, необходимое для реакции и размыкания цепи (что является функцией как текущего, так и прошедшего времени). В спецификациях на предохранители есть множество диаграмм, показывающих работу в различных условиях, а специальные предохранители доступны для уникальных ситуаций.

Блокировка при пониженном напряжении (UVLO)

UVLO гарантирует, что преобразователь источника питания (или постоянного тока) не будет пытаться работать, когда его собственное входное напряжение слишком низкое (рис. 3) . Это делается по двум причинам. Во-первых, схемы в источнике питания или преобразователе могут работать со сбоями или действовать неопределенным образом, если входное постоянное напряжение слишком низкое, а некоторые более мощные компоненты могут быть повреждены. Во-вторых, он не позволяет блоку питания/преобразователю потреблять первичную мощность, если он не может обеспечить допустимую выходную мощность.

Для реализации UVLO небольшая маломощная схема сравнения внутри блока питания/преобразователя сравнивает входное напряжение с заданным пороговым значением и переводит устройство в режим покоя до тех пор, пока пороговое значение не будет превышено. Чтобы гарантировать, что UVLO не «болтается» около порога, добавляется небольшой гистерезис.

Защита от перенапряжения (OVP)

Несмотря на то, что источник питания или силовой преобразователь обычно рассчитан на получение фиксированного выходного напряжения постоянного тока, внутренний сбой в источнике питания может привести к повышению этого напряжения и, возможно, повреждению нагрузки, на которую рассчитано напряжение. питание подключено. OVP — это функция, которая отслеживает выходной сигнал источника питания/преобразователя по сравнению с внутренним опорным сигналом и замыкает этот выход, если напряжение превышает пороговое значение. OVP должен сделать несколько вещей:

• Разумеется, не допускайте появления чрезмерного напряжения на защищаемых компонентах.
• Не мешать нормальной работе, а быть «невидимым» для источника питания.
• Различают нормальные переходные колебания напряжения и чрезмерное перенапряжение.
• Будьте быстры и реагируйте до того, как нагрузка будет повреждена, когда действительно возникает ситуация перенапряжения.
• Не иметь ложных срабатываний (ложных срабатываний), доставляющих неудобства, и не реагировать на реальные условия перенапряжения.

Лом

Одной из широко используемых функций OVP является «лом», предположительно названный так потому, что он имеет тот же эффект, что и металлический лом, наложенный на выход и, таким образом, замыкающий выходное напряжение. Есть два типа ломов: один, когда лом сработал, сбрасывается только при отключении питания; и тот, где он будет сброшен после устранения неисправности. Второй полезен, когда условие, при котором срабатывает лом, связано с каким-то переходным процессом, а не с серьезным сбоем в источнике питания. В то время как большинство расходных материалов в настоящее время поставляются со встроенным ломиком, многие поставщики предлагают небольшую отдельную схему ломика, которую при необходимости можно добавить к существующему источнику питания.

Лом представляет собой обычно высокоимпедансную цепь на выходе питания (или входе защищаемой нагрузки) (рис. 4) . Он преобразуется в цепь с низким импедансом, когда возникает ситуация перенапряжения и запускает его, и он остается в режиме с низким импедансом до тех пор, пока ток не упадет ниже «тока удержания». Впоследствии он возвращается в нормальное рабочее состояние с высоким импедансом. Лом должен выдерживать ток, протекающий через него, когда источник питания находится в состоянии перенапряжения.

Другие распространенные ломы основаны на тиристорных устройствах защиты от перенапряжений (TSP). Это устройства PNPN на основе кремния с напряжением пробоя, которое может быть точно установлено их производителем. TSP предлагаются во многих типах пакетов и могут рассеивать скачки напряжения разного уровня.

Также имеется газоразрядная трубка (GDT), которая представляет собой миниатюрный искровой разрядник, обычно размещаемый в керамическом корпусе и совместимый с печатными платами. При срабатывании высокого напряжения искровой разрядник проводит, и весь ток отклоняется. Искровые разрядники могут быть изготовлены так, чтобы они защищали от скромных напряжений (около 100 В) до тысяч вольт. Когда ситуация перенапряжения устраняется, TSP или GDT возвращаются в нормальный режим с высоким импедансом.

Зажим

Дополнением к лому является зажим, который не дает напряжению превысить заданный уровень. Зажимы часто называют ограничителями переходного напряжения (TVS), поскольку они могут защищать от переходного процесса запуска или индуктивного переходного процесса, а не от фактического отказа (рис. 5) . Для большинства клещей функция фиксации отключается, когда исчезает состояние перенапряжения.

Клещи проводят ток, достаточный для поддержания напряжения на нем на безопасном желаемом уровне, когда переходный процесс превышает напряжение проводимости клещей. Он должен быть рассчитан на мощность, которую он должен рассеять в течение определенного времени, обычно относительно короткого переходного процесса. Зажим TVS — кремниевое устройство с биполярным переходом, похожее на базовый выпрямительный диод, но предназначенное для работы в условиях обратного напряжения пробоя — доступно с напряжением пробоя от 4 до 500 В и с различной номинальной мощностью для обеспечения различных возможностей защиты от перенапряжений. TVS представляет собой устройство с биполярным соединением.

По сравнению с зажимом низкое удерживающее напряжение лома позволяет ему выдерживать более высокий ток короткого замыкания без рассеивания большой мощности, поэтому он может выдерживать более высокие токи и работать дольше (рис. 6) . Также проще настроить схему так, чтобы лом также вызывал перегорание предохранителя (и, таким образом, полностью останавливал ток), если это желательно.

Зажим также может быть изготовлен с использованием металлооксидного варистора (MOV), двунаправленного полупроводникового устройства подавления переходных процессов напряжения. Он проводит (то есть переключается) при напряжении, зависящем от размера и количества специальных зерен между его выводами. Напряжение пробоя MOV варьируется от примерно 14 В до более 1000 В, причем более крупные рассчитаны на несколько киловольт-ампер (кВА), например, от грозового перенапряжения.

MOV являются недорогими, быстродействующими, простыми в использовании и предлагаются во многих номинальных напряжениях, а их собственный режим отказа — короткое замыкание (что является предпочтительным в большинстве отказоустойчивых конструкций). Однако они могут рассеивать только небольшое количество энергии, поэтому они подходят только для краткосрочных и кратковременных ситуаций OVP

В общем, ломы лучше подходят для долгосрочных неисправностей, в то время как клещи лучше подходят для кратковременных событий, а не для прямых сбои снабжения. Многие коммерческие источники питания включают в себя как лом, так и зажим. Если проблема заключается в прямом отказе и связанном с ним протекании сильного тока, который вскоре превысит номинальную мощность рассеивания лома или зажима, в конструкцию также следует включить предохранитель или автоматический выключатель. Предохранитель/выключатель в конечном итоге перегорает из-за перегрузки по току, связанной с избыточным напряжением, и, таким образом, обеспечивает многофакторную защиту.

Не забывайте о тепловой защите

Наконец, есть проблема защиты от тепловой перегрузки. По своей природе любой источник питания выделяет тепло, потому что он менее чем на 100% эффективен, и даже эффективный источник генерирует потенциально проблемное количество. Например, блок питания мощностью 100 Вт с эффективностью 90 % по-прежнему рассеивает 10 Вт, чего вполне достаточно для нагрева небольшого герметичного корпуса. По этой причине система подачи должна быть спроектирована с достаточным активным охлаждением (например, с помощью вентилятора) или пассивным охлаждением (достигаемым за счет конвекционного воздушного потока и кондуктивных каналов охлаждения).

Но что происходит, когда выходит из строя вентилятор, перекрывается путь воздушного потока или в корпус попадает другой источник тепла? Источник питания может превысить номинальную температуру, что сократит срок его службы и даже может привести к немедленной неисправности. Решением является датчик в источнике питания (как отдельное устройство или встроенный в ИС), который измеряет температуру окружающей среды и переводит источник в режим покоя, если она превышает заданный предел. Некоторые реализации позволяют возобновить работу при падении температуры, а другие нет.

Защита блока питания, что неудивительно, является тонкой темой.