Сегодня моя статья будет носить исключительно теоретический характер, вернее в ней не будет «железа» как в предыдущих статьях, но не расстраивайтесь - менее полезной она не стала. Дело в том, что проблема защиты электронных узлов напрямую влияет на надежность устройств, их ресурс, а значит и на ваше важное конкурентное преимущество - возможность давать длительную гарантию на продукцию . Реализация защиты касается не только моей излюбленной силовой электроники, но и любого устройства в принципе, поэтому даже если вы проектируете IoT-поделки и у вас скромные 100 мА - вам все равно нужно понимать как обеспечить безотказную работу своего устройства.
Защита по току или защита от короткого замыкания (КЗ) - наверное самый распространенный вид защиты потому, что пренебрежение в данном вопросе вызывает разрушительные последствия в прямом смысле. Для примера предлагаю посмотреть на стабилизатор напряжения, которому стало грустно от возникшего КЗ:
Диагноз тут простой - в стабилизаторе возникла ошибка и в цепи начали протекать сверхвысокие токи, по хорошему защита должна была отключить устройство, но что-то пошло не так. После ознакомления со статьей мне кажется вы и сами сможете предположить в чем могла быть проблема.
Что касается самой нагрузки… Если у вас электронное устройство размером со спичечный коробок, нет таких токов, то не думайте, что вам не может стать так же грустно, как стабилизатору. Наверняка вам не хочется сжигать пачками микросхемы по 10-1000$? Если так, то приглашаю к ознакомлению с принципами и методами борьбы с короткими замыканиями!
Цель статьи
Свою статью я ориентирую на людей для которых электроника это хобби и начинающих разработчиков, поэтому все будет рассказываться «на пальцах» для более осмысленного понимания происходящего. Для тех, кому хочется академичности - идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».Отдельно хотелось сказать о том, что все решения будут аппаратными, то есть без микроконтроллеров и прочих извращений. В последние годы стало совсем модно программировать там где надо и не надо. Часто наблюдаю «защиту» по току, которая реализуется банальным измерением напряжения АЦП какой-нибудь arduino или микроконтроллером, а потом устройства все равно выходят из строя. Я настоятельно не советую вам делать так же! Про эту проблему я еще дальше расскажу более подробно.
Немного о токах короткого замыкания
Для того, чтобы начать придумывать методы защиты, нужно сначала понять с чем мы вообще боремся. Что же такое «короткое замыкание»? Тут нам поможет любимый закон Ома, рассмотрим идеальный случай:
Просто? Собственно данная схема является эквивалентной схемой практически любого электронного устройства, то есть есть источник энергии, который отдает ее в нагрузку, а та греется и что-то еще делает или не делает.
Условимся, что мощность источника позволяет напряжению быть постоянным, то есть «не проседать» под любой нагрузкой. При нормальной работе ток, действующий в цепи, будет равен:
Теперь представим, что дядя Вася уронил гаечный ключ на провода идущие к лампочке и наша нагрузка уменьшилась в 100 раз, то есть вместо R она стала 0,01*R и с помощью нехитрых вычислений мы получаем ток в 100 раз больше. Если лампочка потребляла 5А, то теперь ток от нагрузки будет отбираться около 500А, чего вполне хватит чтобы расплавить ключ дяди Васи. Теперь небольшой вывод…
Короткое замыкание - значительное уменьшение сопротивления нагрузки, которое ведет к значительному увеличению тока в цепи.
Стоит понимать, что токи КЗ обычно в сотни и тысячи раз больше, чем ток номинальный и даже короткого промежутка времени хватает, чтобы устройство вышло из строя. Тут наверняка многие вспомнят о электромеханических устройствах защиты («автоматы» и прочие), но тут все весьма прозаично… Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А. Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А. Даже если произойдет КЗ, то автомат долго будет этого не замечать и отключит нагрузку, только когда все уже сгорит. Это скорее защита от пожара, а не защита техники.
Теперь давайте рассмотрим еще один, часто встречающийся случай - сквозной ток . Покажу я его на примере dc/dc преобразователя с топологией синхронный buck, все MPPT контроллеры, многие LED-драйвера и мощные DC/DC преобразователи на платах построены именно по ней. Смотрим на схему преобразователя:
На схеме обозначены два варианта превышения тока: зеленый путь для «классического» КЗ, когда произошло уменьшение сопротивления нагрузки («сопля» между дорог после пайки, например) и оранжевый путь . Когда ток может протекать по оранжевому пути? Я думаю многие знают, что сопротивление открытого канала полевого транзистора очень небольшое, у современных низковольтных транзисторов оно составляет 1-10 мОм. Теперь представим, что на ключи одновременно пришел ШИМ с высоким уровнем, то есть оба ключа открылись, для источника «VCCIN - GND» это равносильно подключению нагрузки сопротивлением около 2-20 мОм! Применим великий и могучий закон Ома и получим даже при питании 5В значение тока более 250А! Хотя не переживайте, такого тока не будет - компоненты и проводники на печатной плате сгорят раньше и разорвут цепь.
Данная ошибка очень часто возникает в системе питания и особенно в силовой электронике. Она может возникать по разным причинам, например, из-за ошибки управления или длительных переходных процессах. В последнем случае не спасет даже «мертвое время» (deadtime) в вашем преобразователе.
Думаю проблема понятна и многим из вас знакома, теперь понятно с чем нужно бороться и осталось лишь придумать КАК. Об этом и пойдет дальнейший рассказ.
Принцип работы защиты по току
Тут необходимо применить обычную логику и увидеть причинно-следственную связь:1) Основная проблема - большое значения тока в цепи;
2) Как понять какое значение тока? -> Измерить его;
3) Измерили и получили значение -> Сравниваем его с заданным допустимым значением;
4) Если превысили значение -> Отключаем нагрузку от источника тока.
Измерить ток -> Узнать превысили ли допустимый ток -> Отключить нагрузкуАбсолютно любая защита, не только по току, строится именно так. В зависимости от физической величины по которой строится защита, будут возникать на пути реализации разные технические проблемы и методы их решения, но суть неизменна.
Теперь предлагаю по порядку пройти по всей цепочки построения защиты и решить все возникающие технические проблемы. Хорошая защита - это защита, которую предусмотрели заранее и она работает. Значит без моделирования нам не обойтись, я буду использовать популярный и бесплатный MultiSIM Blue , который активно продвигается Mouser-ом. Скачать его можно там же - ссылка . Также заранее скажу, что в рамках данной статьи я не буду углубляться в схемотехнические изыски и забивать вам голову лишними на данном этапе вещами, просто знайте, что все немного сложнее в реальном железе будет.
Измерение тока
Это первый пункт в нашей цепочке и наверное самый простой для понимания. Измерить ток в цепи можно несколькими способами и у каждого есть свои достоинства и недостатки, какой из них применить конкретно в вашей задаче - решать только вам. Я же расскажу, опираясь на свой опыт, о этих самых достоинствах и недостатках. Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.1) Токовый шунт . Основа основ, «работает» все на том же великом и могучем законе Ома. Самый простой, самый дешевый, самый быстрый и вообще самый самый способ, но с рядом недостатков:
А) Отсутствие гальванической развязки . Ее вам придется реализовывать отдельно, например, с помощью быстродействующего оптрона. Реализовать это не сложно, но требует дополнительного места на плате, развязанного dc/dc и прочие компоненты, которые стоят денег и добавляют габаритных размеров. Хотя гальваническая развязка нужна далеко не всегда разумеется.
Б) На больших токах ускоряет глобально потепление . Как я ранее писал, «работает» это все на законе Ома, а значит греется и греет атмосферу. Это приводит к уменьшению КПД и необходимости охлаждать шунт. Есть способ минимизировать этот недостаток - уменьшить сопротивления шунта. К сожалению бесконечно уменьшать его нельзя и вообще я бы не рекомендовал уменьшать его менее 1 мОм , если у вас пока еще мало опыта, ибо возникает необходимость борьбы с помехами и повышаются требования к этапу конструирования печатной платы.
В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E:
Измерение тока происходит путем измерения падения напряжения на шунте, например, при протекании тока 30А на шунте будет падение:
То есть, когда мы получим на шунте падение 60 мВ - это будет означать, что мы достигли предела и если падение увеличится еще, то нужно будет отключать наше устройство или нагрузку. Теперь давайте посчитаем сколько тепла выделится на нашем шунте:
Не мало, правда? Этот момент надо учитывать, т.к. предельная мощность моего шунта составляет 2 Вт и превышать ее нельзя, так же не стоит припаивать шунты легкоплавким припоем - отпаяться может, видел и такое.
- Используйте шунты, когда у вас большое напряжение и не сильно большие токи
- Следите за количеством выделяемого на шунте тепла
- Используйте шунты там, где нужно максимальное быстродействие
- Используйте шунты только из специальным материалов: константана, манганина и подобных
А) Дешевые , например, ACS712 и подобные. Из плюсов могу отметить простоту использования и наличия гальванической развязки, на этом плюсы кончаются. Основным недостатком является крайне нестабильное поведение под воздействием ВЧ помех. Любой dc/dc или мощная реактивная нагрузка - это помехи, то есть в 90% случаев данные датчики бесполезны, ибо «сходят с ума» и показывают скорее погоду на Марсе. Но не зря же их делают?
Они имеют гальваническую развязку и могут измерять большие токи? Да. Не любят помехи? Тоже да. Куда же их поставить? Правильно, в систему мониторинга с низкой ответственностью и для измерения тока потребления с аккумуляторов. У меня они стоят в инверторах для СЭС и ВЭС для качественной оценки тока потребления с АКБ, что позволяет продлить жизненный цикл аккумуляторов. Выглядят данные датчики вот так:
Б) Дорогие
. Имеют все плюсы дешевых, но не имеют их минусов. Пример такого датчика LEM LTS 15-NP : 
Что мы имеем в итоге:
1) Высокое быстродействие;
2) Гальваническую развязку;
3) Удобство использования;
4) Большие измеряемые токи независимо от напряжения;
5) Высокая точность измерения;
6) Даже «злые» ЭМИ не мешают работе и не; влияют на точность.
Но в чем тогда минус? Те, кто открывали ссылку выше однозначно его увидели - это цена. 18$, Карл! И даже на серии 1000+ штук цена не упадет ниже 10$, а реальная закупка будет по 12-13$. В БП за пару баксов такое не поставить, а как хотелось бы… Подведем итог:
А) Это лучшее решение в принципе для измерения тока, но дорогое;
б) Применяйте данные датчики в тяжелых условиях эксплуатации;
в) Применяете эти датчики в ответственных узлах;
г) Применяйте их если ваше устройство стоит очень много денег, например, ИБП на 5-10 кВт, там он себя однозначно оправдает, ведь цена устройства будет несколько тысяч $.
3) Трансформатор тока . Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два - не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики. Плюсы - дешево, надежно и можно измерять просто огромнейшие токи. Именно на трансформаторах тока построены системы автоматики и защиты в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на предприятиях, а там тысячи ампер вполне себе нормальное явление.
Честно говоря, я стараюсь их не использовать, ибо не люблю, но в различных шкафах управления и прочих системах на переменном токе все таки ставлю, т.к. стоят они пару $ и дают гальваническую развязку, а не 15-20$ как LEM-ы и свою задачу в сети 50 Гц отлично выполняют. Выглядят обычно вот так, но бывают и на всяких EFD сердечниках:
Пожалуй с методами измерения тока можно закончить. Я рассказал об основных, но разумеется не обо всех. Для расширения собственного кругозора и знаний, советую дополнительно хотя бы погуглить да посмотреть различные датчики на том же digikey.
Усиление измеренного падения напряжения
Дальнейшее построение системы защиты пойдет на базе шунта в роли датчика тока. Давайте строить систему с ранее озвученным значением тока в 30А. На шунте мы получаем падение 60 мВ и тут возникают 2 технические проблемы:А) Измерять и сравнивать сигнал с амплитудой 60 мВ неудобно. АЦП имеют обычно диапазон измерений 3.3В, то есть при 12 битах разрядности мы получаем шаг квантования:
Это означает, что на диапазон 0-60 мВ, который соответствует 0-30А мы получим небольшое количество шагов:
Получаем, что разрядность измерения будет всего лишь:
Стоит понимать, что это идеализированная цифра и в реальности они будет в разы хуже, т.к. АЦП сам по себе имеет погрешность, особенно в районе нуля. Конечно АЦП для защиты мы использовать не будем, но измерять ток с этого же шунта для построения системы управления придется. Тут задача была наглядно объяснить, но это так же актуально и для компараторов, которые в районе потенциала земли (0В обычно) работают весьма нестабильно, даже rail-to-rail.
Б) Если мы захотим протащить по плате сигнал с амплитудой 60 мВ, то через 5-10 см от него ничего не останется из-за помех, а в момент КЗ рассчитывать на него точно не придется, т.к. ЭМИ дополнительно возрастут. Конечно можно схему защиты повесить прямо на ногу шунта, но от первой проблемы мы не избавимся.
Для решения данных проблем нам понадобится операционный усилитель (ОУ). Рассказывать о том, как он работает не буду - тема отлично гуглится, а вот о критичных параметрах и выборе ОУ мы поговорим. Для начала давайте определимся со схемой. Я говорил, что особых изяществ тут не будет, поэтому охватим ОУ отрицательной обратной связью (ООС) и получим усилитель с известным коэффициентов усиления. Данное действия я смоделирую в MultiSIM (картинка кликабельна):
Скачать файл для симуляции у себя можно - .
Источник напряжения V2 выполняет роль нашего шунта, вернее он симулирует падение напряжения на нем. Для наглядности я выбрал значение падения равное 100 мВ, теперь нам нужно усилить сигнал так, чтобы перенести его в более удобное напряжение, обычно между 1/2 и 2/3 V ref . Это позволит получить большое количество шагов квантования в диапазон токов + оставить запас на измерения, чтобы оценить насколько все плохо и посчитать время нарастания тока, это важно в сложных системах управления реактивной нагрузкой. Коэффициент усиления в данном случае равен:
Таким образом мы имеем возможность усилить сигнал наш сигнал до требуемого уровня. Теперь рассмотрим на какие параметры стоит обратить внимание:
- ОУ должен быть rail-to-rail, чтобы адекватно работать с сигналами около потенциала земли (GND)
- Стоит выбирать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного сигнала. У моего любимого OPA376 этот параметр равен 2В/мкс, что позволяет достигать максимальное выходное значение ОУ равное VCC 3.3В всего за 2 мкс. Этого быстродействия вполне достаточно, чтобы спасти любой преобразователь или нагрузку с частотами до 200 кГц. Данные параметры стоит понимать и включать голову при выборе ОУ, иначе есть шанс поставить ОУ за 10$ там, где хватило бы и усилителя за 1$
- Полоса пропускания, выбираемого ОУ, должна быть как минимум в 10 раз больше, чем максимальная частота коммутации нагрузки. Опять же ищите «золотую середину» в соотношение «цена/ТТХ», все хорошо в меру
Добавляем реализм в систему защиты
Давайте теперь в симуляторе добавим шунт, нагрузку, источник питания и прочие атрибуты, которые приблизят нашу модель к реальности. Полученный результат выглядит следующим образом (картинка кликабельная):
Скачать файл симуляции для MultiSIM можно - .
Тут уже мы видим наш шунт R1 с сопротивлением все те же 2 мОм, источник питания я выбрал 310В (выпрямленная сеть) и нагрузкой для него является резистор 10.2 Ом, что опять по закону Ома дает нам ток:
На шунте как видите падают, ранее посчитанные, 60 мВ и их мы усиливаем с коэффициентом усиления:
На выходе мы получаем усиленный сигнал с амплитудой 3.1В. Согласитесь, его уже и на АЦП можно подать, и на компаратор и протащить по плате 20-40 мм без каких либо опасений и ухудшения стабильности работы. С этим сигналом мы и будем далее работать.
Сравнение сигналов с помощью компаратора
Компаратор - это схема, которая принимает на вход 2 сигнала и в случае если амплитуда сигнала на прямом входе (+) больше, чем на инверсном (-), то на выходе появляется лог. 1 (VCC). В противном случае лог. 0 (GND).
Формально любой ОУ можно включить как компаратор, но такое решение по ТТХ будет уступать компаратору по быстродействию и соотношению «цена/результат». В нашем случае, чем выше быстродействие, тем выше вероятность, что защита успеет отработать и спасти устройство. Я люблю применять компаратор, опять же от Texas Instrumets - LMV7271 . На что стоит обратить внимание:
- Задержка срабатывания, по факту это основной ограничитель быстродействия. У указанного выше компаратора это время около 880 нс, что достаточно быстро и во многих задачах несколько избыточно по цене в 2$ и вы можете подобрать более оптимальный компаратор
- Опять же - советую использовать rail-to-rail компаратор, иначе на выходе у вас будет не 5В, а меньше. Убедиться в этом вам поможет симулятор, выберите что-то не rail-to-rail и поэкспериментируйте. Сигнал с компаратора обычно подается на вход аварии драйверов (SD) и хорошо бы иметь там устойчивый TTL сигнал
- Выбирайте компаратор с выходом push-pull, а не open-drain и другие. Это удобно и имеем прогнозируемые ТТХ по выходу
Скачать файл для симуляции в MultiSIM можно - .
Что нам нужно… Нужно в случае превышения тока более 30А, чтобы на выходе компаратора был лог. 0 (GND), этот сигнал будет подавать на вход SD или EN драйвера и выключать его. В нормальном состоянии на выходе должна быть лог. 1 (5В TTL) и включать работу драйвера силового ключа (например, «народный» IR2110 и менее древние).
Возвращаемся к нашей логике:
1) Измерили ток на шунте и получили 56.4 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 2.88В;
3) На прямой вход компаратора подаем опорный сигнал с которым будем сравнивать. Его задаем с помощью делителя на R2 и выставляет 3.1В - это соответствует току примерно в 30А. Данным резистором регулируется порог срабатывания защиты!
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В > 2.88В. На прямом входу (+) напряжение выше, чем на инверсном входе (-), значит ток не превышен и на выходе лог. 1 - драйвера работают, а наш светодиод LED1 не горит.
Теперь увеличиваем ток до значения >30А (крутим R8 и уменьшаем сопротивление) и смотрим на результат (кликабельная картинка):
Давайте пересмотри пункты из нашей «логики»:
1) Измерили ток на шунте и получили 68.9 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 3.4В;
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В < 3.4В. На прямом входу (+) напряжение НИЖЕ, чем на инверсном входе (-), значит ток превышен и на выходе лог. 0 - драйвера НЕ работают, а наш светодиод LED1 горит.
Почему аппаратная?
Ответ на этот вопрос простой - любое программируемое решение на МК, с внешним АЦП и прочее, могут попросту «зависнуть» и даже если вы достаточно грамотный софтописатель и включили сторожевой таймер и прочие защиты от зависания - пока оно все обработается ваше устройство сгорит.Аппаратная защита позволяет реализовать систему с быстродействием в пределах нескольких микросекунд, а если бюджет позволяет, то в пределах 100-200 нс, чего достаточно вообще для любой задачи. Также аппаратная защита не сможет «зависнуть» и спасет устройство, даже если по каким-то причинам ваш управляющий микроконтроллер или DSP «зависли». Защита отключит драйвер, ваша управляющая схема спокойно перезапустится, протестирует аппаратную часть и либо подаст ошибку, например, в Modbus или запустится если все хорошо.
Тут стоит отметить, что в специализированных контроллерах для построения силовых преобразователей есть специальные входы, которые позволяют аппаратно отключить генерацию ШИМ сигнала. Например, у всеми любимого STM32 для этого есть вход BKIN.
Отдельно стоит сказать еще про такую вещь как CPLD. По сути это набор высокоскоростной логики и по надежности оно сопоставимо с аппаратным решением. Вполне здравым смыслом будет поставить на плату мелкую CPLD и реализовать в ней и аппаратные защиты, и deadtime и прочие прелести, если мы говорим о dc/dc или каких-то шкафах управления. CPLD позволяет сделать такое решение очень гибким и удобным.
Эпилог
На этом пожалуй и все. Надеюсь вам было интересно читать данную статью и она даст вам какие-то новые знания или освежит старые. Всегда старайтесь заранее думать какие модули в вашем устройстве стоит реализовать аппаратно, а какие программно. Часто реализация аппаратная на порядки проще реализации программной, а это ведет с экономии времени на разработке и соответственно ее стоимости.Формат статьи без «железа» для меня новый и попрошу высказать ваше мнение в опросе.
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. , пожалуйста.
Аварийные «экстратоки» и «экстранапряжения» не идут на пользу ни одному электронному устройству. Необходимо вводить защитные цепи с автоматическим ограничением, снижением, отключением питания или, в крайнем случае, с визуальной/звуковой индикацией аварийного состояния.
Простейшим элементом защиты служит плавкий предохранитель. При его выборе надо ориентироваться на стандартные номинальные токи срабатывания:
SМD-предохранители - 62; 125; 250; 375; 500; 750 мА, 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0; 3.5; 4.0; 5.0 А;
Обычные «стеклянные» предохранители — 50; 60; 80; 100; 160; 200; 250; 315; 500; 630; 800 мА, 1.0; 1.25; 1.6; 2.0; 3.15; 3.5; 4.0 А.
Время срабатывания предохранителя зависит от величины протекающего тока. Судя по Табл. 6.9, ориентироваться на номинальный ток ПЛАВ нельзя, необходимо его многократное превышение, например, 4/ПЛАВ. На практике считается, что плавкая вставка с надписью «1А» гарантированно «сгорает» при токе 2.5 А.
Радиолюбители за неимением времени иногда изготавливают кустарные проволочные предохранители, называемые в обиходе «жучками». Если используется медный провод, то можно взять данные из Табл. 6.10. Разумеется, «жучки» после проведения эксперимента надо заменить нормальными предохранителями.
Следует отличать плавкие предохранители (fuse) от предохранительных резисторов (fusible resistor). Последние по конструкции напоминают обычные резисторы, но при перегорании не оставляют вокруг себя чёрного пятна металлизированной сажи, которая может закоротить другие цепи на печатной плате.
Ещё один важный элемент защиты — это варисторы (Табл. 6.11). В отличие от предохранителей, они устанавливаются не последовательно, а параллельно, т.е. защита осуществляется по напряжению, а не по току.
Если напряжение меньше порогового, то сопротивление варистора большое, и он практически не оказывают влияние на защищаемую цепь. Если порог достигнут, то сопротивление варистора быстро снижается. Это позволяет эффективно защищать аппаратуру от кратковременных импульсных помех.
На Рис. 6.20, а...к показаны схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий.
Рис. 6.20. Схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий (начало):
а) защита от повышенного входного напряжения с порогом, определяемым стабилитроном VD1. Оптореле VU1 имеет нормально замкнутые контакты с током нагрузки не более 250 мА;
б) электронное отключение питания при пробое мощного регулирующего транзистора, находящегося внутри стабилизатора напряжения А1. Быстродействие определяется параметрами оптотиристора VU1. Излучатель HL1 красным цветом индицирует аварийное состояние. Резистор R3 устанавливает напряжение перехода транзистора VT1 в закрытое состояние;
в) «параллельная» защита цепи +5 В. При всплесках напряжения открывается тиристор VS1 и перегорает плавкая вставка FU1 (или самовосстанавливающийся предохранитель). Конденсатор C1устраняет ложные срабатывания тиристора. Мощный проволочный резистор R3защищает тиристор VS1 от «экстратоков». Пороговое напряжение стабилитрона VDI имеет разброс 3.1...3.5 В, поэтому его точное значение устанавливается подстройкой резистора R1.
г) аналогично Рис. 6.20, в, но с заменой тиристорного ключа мощным параллельным стабилизатором напряжения на элементах VDI, VTI, R1...R3 и дополнительной защитой по входу при помощи варистора RV1. Порог срабатывания устанавливается резистором R1 на уровне примерно на 0.2...0.4 В выше, чем напряжение питания +3...+5 В;
Рис. 6.20. Схемы защиты питания от всплесков напряжения и коротких замыканий (окончание):
д) HL1 — это индикатор снижения напряжения питания с +5 до +4 В, что может свидетельствовать о предаварийном состоянии. Точный порог устанавливается резистором R3. Схема служит только для индикации неполадок. Устранение аварии производится оператором вручную;
е) защита от помех и перенапряжений в бортовой сети автомобиля (элементы R1, C1). Мигающий светодиод HL1 служит индикатором неверной полярности подачи питания;
ж) красный цвет светодиода HL1 индицирует обрыв предохранителя FU1, зелёный — нормальную работу. При оранжевом или жёлтом цвете следует выбрать другой тип диода VD1
з) защита от превышения тока в «минусовом» проводе. Резистором R3 добиваются триггер-ного режима работы. Резистором R1 устанавливают ток защиты в пределах 10...600 мА. Для ориентира, если R2= 10 Ом, то ток срабатывания равен 85... 111 мА;
и) варисторная защита устройств, подключённых к телефонной линии. При большой амплитуде или случайной подаче сетевого напряжения 220 В перегорает плавкая вставка FU1;
к) стабилитрон VD2 защищает от всплесков входного напряжения. Ток ограничивается резистором R1, короткие импульсные помехи сглаживаются конденсатором C1.
Представлена конструкция защиты для блока питания любого типа. Данная схема защиты может совместно работать с любыми блоками питания - сетевыми, импульсными и аккумуляторами постоянного тока. Схематическая развязка такого блока защиты относительна проста и состоит из нескольких компонентов.
Схема защиты блока питания
Силовая часть - мощный полевой транзистор - в ходе работы не перегревается, следовательно в теплоотводе тоже не нуждается. Схема одновременно является защитой от переплюсовки питания, перегруза и КЗ на выходе, ток срабатывания защиты можно подобрать подбором сопротивления резистора шунта, в моем случае ток составляет 8 Ампер, использовано 6 резисторов 5 ватт 0,1 Ом параллельно подключенных. Шунт можно сделать также из резисторов с мощностью 1-3 ватт.
Более точно защиту можно настроить путем подбора сопротивления подстроечного резистора. Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока
~~~При КЗ и перегрузе выхода блока, защита мгновенно сработает, отключив источник питания. О срабатывании защиты осведомит светодиодный индикатор. Даже при КЗ выхода на пару десятков секунд, полевой транзистор остается холодным
~~~Полевой транзистор не критичен, подойдут любые ключи с током 15-20 и выше Ампер и с рабочим напряжением 20-60 Вольт. Отлично подходят ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или более мощные - IRF3205, IRL3705, IRL2505 и им подобные.
~~~Данная схема также отлично подходит в качестве защиты зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов, если вдруг перепутали полярность подключения, то с зарядным устройством ничего страшного не произойдет, защита спасет устройство в таких ситуациях.
~~~Благодаря быстрой работе защиты, ее можно с успехом применить для импульсных схем, при КЗ защита сработает быстрее, чем успеют сгореть силовые ключи импульсного блока питания. Схематика подойдет также для импульсных инверторов, в качестве защиты по току. При перегрузе или кз во вторичной цепи инвертора, мигом вылетают силовые транзисторы инвертора, а такая защита не даст этому произойти.
Комментарии
Защита от короткого замыкания
, переплюсовки полярноси и перегруза собрана на отдельной плате. Силовой транзистор использован серии IRFZ44, но при желании можно заменить на более мощный IRF3205 или на любой другой силовой ключ, который имеет близкие параметры. Можно использовать ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 и другие ключи с током более 20 Ампер. В ходе работы полевой транзистор остается ледяным,. поэтому в теплоотводе не нуждается.
Второй транзистор тоже не критичен, в моем случае использован высоковольтный биполярный транзистор серии MJE13003, но выбор большой. Ток защиты подбирается исходя из сопротивления шунта — в моем случае 6 резисторов по 0,1Ом параллельно, защита срабатывает при нагрузке 6-7 Ампер. Более точно можно настроить вращением переменного резистора, таким образом я настроил ток срабатывания в районе 5 Ампер.
Мощность блока питания довольно приличная, выходной ток доходит до 6-7 Ампер, что вполне достаточно для зарядки автомобильного аккумулятора.
Резисторы шунта выбрал с мощностью 5 ватт, но можно и на 2-3 ватт.
Если все сделано правильно, то блок начинает работать сразу, замыкайте выход, должен загореться светодиодный индикатор защиты, который будет гореть до тех пор, пока выходные провода находятся в режиме КЗ.
Если все работает как нужно, то приступаем дальше. Собираем схему индикатора.
Схема срисована из зарядника аккумуляторной отвертки.
Красный индикатор свидетельствует о том, что имеется выходное напряжение на выходе БП, зеленый индикатор показывает процесс заряда. С таким раскладом компонентов, зеленый индикатор будет постепенно потухат и окончательно потухнет, когда напряжение на аккумуляторе будет 12,2-12,4 Вольт, когда аккумулятор отключен, индикатор гореть не будет.
Самое основное для любой конструкции корпус. Тут мне повезло досать нерабочий БП ATX от компьютера, куда и будет помещён будущий блок питания.
Разъёмы сзади для сети 220В оставил, а на место кулера прикрутил обычную розетку, так как их постоянно не хватает для массы моих электронных устройств. Короче лишней она не будет.
Печатная плата блока питания простейшая и изготовить её будет легко даже начинающим. В крайнем случае можно вырезать дорожки резаком, а не травить. Для защиты по максимальному току - а это обязательно должно быть в радиолюбительском блоке питания, выбрал схему электронного предохранителя с индикацией перегрузки на светодиоде.
Передняя панель блока питания изготавливается из пластика, текстолита или даже фанеры - кто на что богат. На ней будут крепиться стрелочные индикаторы - вольтметр и амперметр (как впоследствии стало понятно, что это намного лучше и удобней цифровой индикации), регулятор напряжения и кнопки включения и переключения режимов защиты. Я выбрал 0,1 и 1А, но можно расчитать резистор токовой защиты на любое значение.
Ещё на передней панели блока питания будут две клеммы для подключения проводов выхода БП.
Получается вот что-то уже похожее на блок питания. Трансформатор выбираем такой, чтоб он поместился в корпус. Так что если вы идёте его покупать на радиобазаре - сначала замеряйте габариты коробки.
Корпус обклеиваем самоклеющейся плёнкой или красим лаком.
Зелёный светодиод будет светиться при включении БП в сеть, а красный сигнализирует о срабатывании защиты от токовой перегрузки.
Здесь написано как рассчитать шунт для стрелочных индикаторов. А чтоб нанести на шкалу новые значения вольт и ампер, придётся раскрыть их корпуса и аккуратно наклеить бумажки с новыми значениями поверх старых.
Устройства высокоскоростной защиты производства компании Bourns – базовый элемент защиты радиоэлектроники (в первую очередь – телекоммуникационных линий и интерфейсов) от бросков тока и напряжения, вызванных грозовыми разрядами, короткими замыканиями, помехами коммутации. Их преимущества – высокое быстродействие, автономность, прецизионность характеристик, широкая полоса пропускания.
Устройства TBU производства компании Bourns предназначены для высокоскоростной защиты радиоэлектронной аппаратуры от грозовых разрядов, коротких замыканий и воздействия сетевого напряжения на шины передачи данных. TBU построены с использованием MOSFET-полупроводниковой технологии и устанавливаются на входе по последовательной схеме. Защита реагирует на перегрузку как по току, так и по напряжению. При этом главным образом контролируется ток, протекающий через линию. Если входящий ток нарастает до уровня ограничения с последующим его превышением – TBU отключает напряжение от нагрузки, обеспечивая эффективный барьер для разрушающих воздействий, вплоть до их исчезновения. Когда уровень входящего тока достигает значения тока отсечки, TBU срабатывает за время, приблизительно равное 1 мкс, и ограничивает ток на линии до уровня менее 1 мА. При падении напряжения на TBU до уровня сброса Vreset или ниже устройство автоматически восстанавливает нормальное функционирование. Характер работы TBU можно рассмотреть на вольтамперной характеристике (рисунок 1).
На сегодняшний день доступны следующие семейства TBU: TBU-CA, TBU-DT, TBU-PL, P40 и P-G (P500-G, P850-G).
Таблица 1. Основные характеристики семейств TBU
| Наимен. | Описание | Максимальное импульсное напряжение (Vimp), В | Максимальное СКЗ напряжения (Vrms), В | Напряжение восстановления (Vreset), В | Ток срабатывания (Itrig), мА | Время срабаты-вания (tblock), мкс | Габаритные размеры, мм | Рабочая температура (Tраб), °С |
| Одиночный двунаправленный | 250, 400, 500, 650, 850 | 100, 200, 250, 300, 425 | 12…20 | 50, 100, 200, 300, 500 | 1 | 6,5×4 | -55…125 | |
| Двойной однонаправленный | 650, 850 | 300, 425 | 10…18 | 100, 200, 300, 500 | 1 | 5×5 | -40…125 | |
| Двойной двунаправленный | 500, 600, 750, 850 | 300, 350, 400, 425 | 12…20 | 100, 200 | 1 | 6,5×4 | -55…125 | |
| 40 | 28 | 7 | 240 | 0,2 | 4×4 | -40…85 | ||
| P-G | 500, 850 | 300, 425 | 22 | 100, 200 | 1 | 6×4 |
К их основным характеристикам, рассмотренным в таблице 1, относятся:
- Vimp – максимальное напряжение отключения при броске напряжения длительностью ≥1 мкс;
- Vrms – максимальное напряжение отключения при воздействии переменного напряжения;
- Vreset – номинальное напряжение восстановления работоспособности;
- Itrig – ток срабатывания;
- tblock – максимальное время перехода из рабочего режима в режим блокировки;
- Tраб – рабочая температура.
Отдельно можно отметить серию как самую быстродействующую, но она значительно проигрывает по уровню входящих напряжений всем остальным. К основным отличиям между сериями TBU также относятся направленность передачи сигналов, комбинация максимальных напряжений и токов блокировки, температурные режимы работы. Двухканальные исполнения актуальны для экономии пространства на плате и удобства монтажа, однако в случае серьезной аварии и при необратимом повреждении одного из каналов замены потребует весь элемент. Поэтому двухканальные исполнения не пользуются широкой популярностью, чего не скажешь про одноканальную двунаправленную серию . Широкий номенклатурный ряд по току и напряжению, низкое сопротивление и промышленный температурный диапазон делают это семейство наиболее популярным в России и в мире. В большинстве типовых схем защиты с применением TBU, рекомендуемых Bourns, используется именно .
Критерии выбора
Несмотря на то, что все семейства TBU преследуют одну и ту же цель – защиту от бросков тока и напряжения, немаловажным является вопрос правильного подбора устройства защиты, так как в современной высокоточной электронике даже незначительное превышение рабочих параметров может привести к разрушительным последствиям.
Алгоритм подбора можно разделить на следующие этапы :
- Определение пикового значения рабочего тока и максимальной рабочей температуры окружающей среды. На этом этапе необходимо обратиться к графику зависимости тока срабатывания от температуры, который имеется в документации на изделие, чтобы определить значение снижения параметров TBU в конкретных условиях эксплуатации.
- Определение уровня рабочего напряжения устройства. Выбор TBU следует делать таким образом, чтобы его заявленное напряжение пробоя было самым маленьким среди доступных в семействе, но при этом превышающим нормальное напряжение системы и его допустимые пульсации. Выбранное устройство также должно удовлетворять требования и по нагрузочным характеристикам.
- Выбор конкретного артикула TBU с максимальным импульсным напряжением (Vimp), большим, чем импульсное напряжение пробоя используемого ограничителя напряжения первой ступени (например газоразрядника). Выбранное TBU-устройство также должно иметь минимальный ток отключения Itrigger выше максимального пикового тока защищаемой системы с учетом компенсации влияния температуры окружающей среды.
В большинстве случаев защищаемые цепи располагают достаточным током для срабатывания TBU. Но если защищаемая цепь имеет высокий импеданс, для гарантированного срабатывания защиты после TBU стоит разместить небольшой лавинный диод, подключенный на землю. Такой подход обеспечивает выполнение устройством TBU своих защитных функций.
Области и примеры применения
Высокое быстродействие позволяет использовать TBU для защиты дорогостоящих чувствительных компонентов электронных схем, а низкое значение емкости и широкий частотный диапазон (до 3 ГГц ) открывают путь в высокоскоростные приложения. TBU широко используются в телекоммуникационном оборудовании, без них не обходятся платы xDSL, комбинированные платы POTS и xDSL, звуковые/VDSL-платы, оборудование для доступа в сеть, оборудование для линий T1/E1 и T3/E3, защита Ethernet-портов, широкополосные модемы и сетевые шлюзы, защитные модули и программаторы, промышленные устройства для управления и контроля, контрольно-измерительное оборудование. При разработке подобных устройств обязательным требованием остается правильный выбор максимального номинального напряжения TBU, которое не должно превышать максимальных рабочих параметров защищаемого устройства. Оптимальная защита сочетает в себе защитное устройство TBU совместно с варистором или газоразрядником. Также нередко после TBU устанавливаются TVS-супрессоры. Говоря о защите телекоммуникационного оборудования, в качестве основного поражающего фактора всегда рассматривают прямые или наведенные разряды молний. Огромная роль здесь отводится первичным средствам гашения: контуру заземления, различным силовым автоматам, камерам искрогашения и прочим компонентам. Но, как правило, остаточные разряды все еще высокой энергии проникают дальше, непосредственно в схемы устройств. Использование многоступенчатой вторичной защиты, в том числе и применение TBU производства компании Bourns, снижает риск серьезного повреждения оборудования многократно или вовсе предотвращает аварии. Защита в подобных ситуациях нужна для всех входящих/выходящих линий: коаксиальных и сетевых разъемов, линий управления и так далее. Даже один незащищенный порт может привести к обширному повреждению всего оборудования.
Также высокой уязвимостью, ввиду своего широкого распространения, отличаются порты RS-232, RS-485 и порты с оптическим входом . Для комплексной защиты RS-232 Bourns предлагает следующую схему на основе TBU-P850 (рисунок 2) или на базе (рисунок 3).
|
|
|
RS-485 является более современным стандартом передачи данных. Несколько терминалов RS-485 могут совместно работать на одной шине. Двойной диод, показанный на схемах ниже, предназначен для обеспечения общего режима работы в диапазоне -7…12 В. Предлагается две топологии защиты, также с использованием TBU-P850 и (рисунки 4 и 5).
|
|
|
Развитие измерительно-контрольных средств автомобильной электроники сделало популярной шину CAN, для защиты которой также есть схема с использованием TBU (рисунок 6).
Весьма популярным способом связи двух устройств с защитой по входу и выходу остается схема с использованием оптической изоляции. Рекомендации по защите с применением TBU показаны на рисунке 7.
Конкурентные преимущества TBU. Соответствие предъявляемым требованиям и международным стандартам
К преимуществам TBU можно отнести:
- простую и надежную схему защиты;
- защиту от превышения напряжения и тока в одном корпусе;
- высокое быстродействие;
- прецизионное ограничение выходного тока и напряжения;
- самовосстановление;
- широкую полосу пропускания без внесения помех в полезный сигнал (до 3 ГГц);
- малые габаритные размеры в корпусе DFN;
- соответствие RoHS.
Поскольку, основной сферой использования TBU является защита телекоммуникационных линий, к которым в наше время предъявляются высокие требования по качеству, скорости, уровню вносимых искажений, то и устройства защиты также должны соответствовать целому ряду требований и международных стандартов. Наиболее известными и авторитетными на сегодняшний день являются ITU (International Telecommunications Union) и Telcordia. Bourns участвует в разработке данных стандартов и производит компоненты, целиком и полностью совместимые с опубликованными нормативными требованиями. К слову, устройства TBU превышают требования Telcordia GR-1089 и ITU-T K.20, K.21, K.45 , что дает им запас прочности для будущего роста технологических требований.
Заключение
Всегда стоит помнить о том, что защита цепей – комплексное мероприятие и полагаться на какой-то один тип защиты опасно. TBU производства компании Bourns – «командный игрок» и полностью раскрыть свой потенциал может только при совместном использовании с дополнительными средствами защиты: варисторами, газоразрядниками, TVS-диодами, которые, в свою очередь, также должны быть верно подобраны для правильной координации защиты в целом.
Наиболее популярные исполнения и номиналы TBU всегда можно найти на складах официального дистрибьютора Bourns – компании КОМПЭЛ. Помимо складского запаса, КОМПЭЛ предлагает заказные поставки, бесплатные образцы, спец. цены, техподдержку и проектные поставки для вашего производства.
Литература
- https://www.bourns.com/data/global/pdfs/bourns_tbu_short_form.pdf
- https://www.bourns.com/ProductLine.aspx?name=tbu
- https://www.bourns.com/data/global/pdfs/CP_cell_base_station_appnote.pdf.
Bourns выпускает новые модели высоковольтных PTVS-диодов серий S3, S6 и S10
PTVS (Power TVS) – высокоточные двунаправленные супрессоры для защиты устройств на мощных AC- и DC-линиях от воздействия электростатических разрядов, электромагнитных импульсов, помех коммутации, наведенных ударов молнии и прочего. И если стандартные серии SMAJ и SMBJ представлены на рынке широко, то силовые TVS-решения предлагают немногие. Новые модели PTVS обеспечивают двустороннюю защиту на напряжениях 170…470 В. Нормированы на воздействие стандартных импульсов 8/20 мкс в соответствии с требованиями IEC 61000-4-5. Технология с использованием силикона позволяет добиться низких напряжений фиксации по сравнению с металооксидными варисторами и гарантировать стабильность характеристик с ростом температуры. Основное преимущество PTVS перед варистором проявляется именно на высоких токах — напряжение фиксации на варисторе существенно возрастает вслед за броском тока, в то время как на PTVS-диоде после очень короткого всплеска спадает до паспортного значения и остается фиксированным. Для аналогичных по рабочим характеристикам варистора и PTVS эта разница может отличаться вдвое в пользу PTVS (напомним, что речь идет о сотнях вольт). PTVS серий S3, S6 и S10 выпускаются в корпусах для сквозного монтажа и отвечают требованиям RoHS.
PTVS-диоды – это отличное решение для источников питания телекоммуникационного оборудования и других приложений, чувствительных к мощным помехам и наводкам. Выпуск новых моделей для серий S3, S6 и S10 значительно расширяет область применения PTVS производства Bourns.
