Захист джерела живлення та його навантаження

Для захисту джерела живлення та його навантаження від несправностей один одного потрібні такі компоненти та функції, як запобіжник, блокування під напругою, ломи та затискачі.

Захист електроенергії - це як страхування: ви платите за це, але сподіваєтесь, що він вам не потрібен. Але це не проста "покупка". Перше питання захисту: "Що я хочу захистити і від якої події (подій)?" Відповідь двояка: подача та її компоненти потребують захисту від несправностей навантаження, тоді як навантаження потребує захисту від несправностей подачі.

Друге питання: "Які види несправностей?" Це можуть бути надмірні струм або напруга, починаючи від короткого замикання та пов'язаних з ним сильних струмів, до перехідних процесів та стрибків напруги, спричинених електростатичним розрядом (ESD) або навіть блискавкою. Деякі несправності спричинені несправністю компонента, де інші можуть бути пов’язані з помилкою проводки. Нарешті, в деяких випадках режим несправності може бути навіть занадто низькою напругою живлення.

Компоненти, які повинні бути додані до схеми або системи для забезпечення захисту ланцюга, отримують невелику оцінку. Вони не покращують функціональність, а також не додають гламуру, привабливості або продуктивності продукту. Вони займають простір, додають витрат, ускладнюють специфікацію матеріалів (BOM) і зазвичай сидять спокійно, нічого не роблячи. Така ситуація до тих пір, поки вони не знадобляться, коли від них очікується швидка реакція та захист інших компонентів схеми від несправності або навіть руйнування.

Захист від будь-яких можливих проблем із електроенергією є складним, дорогим і взагалі непотрібним. Роль інженера-проектувальника оцінити, чи потрібен захист від несправностей; врешті-решт, є мало причин захищати смартфон від стрибків електропередач, спричинених блискавкою.

На вибір є багато компонентів та технік, пов’язаних із захистом. Більшість - пасивні, але деякі активні. Ця стаття буде зосереджена лише на пасивних або переважно пасивних типах.

Як і у більшості питань дизайну, думки, що перекриваються, існують щодо однієї і тієї ж основної теми. Що стосується захисту живлення, ви можете розглянути його спочатку з точки зору можливих станів несправності, а потім варіантів боротьби з ними, або з точки зору різних компонентів захисту, а потім несправностей, для яких вони використовуються. Схема або система може використовувати один або кілька рівнів і типів захисту. Багато з цих функцій захисту вбудовані в джерело живлення, будь то мікросхема перетворювача постійного струму або більший блок змінного струму. В інших випадках, наприклад, коли інженер проектує запас з окремих компонентів, можливо, доведеться додати деякі з них.

Починається з перенапруги та запобіжників

Чи є наслідком короткого замикання, яке є зовнішнім для джерела живлення, або всередині нього, надмірний струм є основною проблемою. Це може ініціювати каскад додаткових збоїв, поставити користувачів під загрозу і навіть розвести вогонь. Найдавніше рішення - запобіжник (також званий плавким зв’язком) (Рис. 1) з очевидно простою роботою: коли струм струму перевищує поріг струму запобіжника, струм призводить до перегріву спеціального дроту всередині запобіжника (нагрівання I 2 R), розплавлення та розімкнення, таким чином зменшуючи струм до нуля.

1. Для запобіжника існує багато символів на схемі. це кілька з них. (Джерело: Slideplayer.com)

Як тільки запобіжник перегорить, поточний потік повністю відключається, і його можна відновити, лише замінивши сам запобіжник, що є або перевагою, або мінусом, залежно від застосування. Більш складний автоматичний вимикач є альтернативою запобіжнику, який не потребує заміни після активації. Деякі вимикачі термічно активовані, деякі - магнітно; в будь-якому випадку, як і запобіжник, вимикач є струмовим пристроєм.

Хоча запобіжник «старовинний», він недорогий, надійний, простий у проектуванні та ефективний. Основні запобіжники доступні з номіналами від 1 А до сотень ампер (Рис. 2). Хоча запобіжники мають номінальну напругу, це в першу чергу для номіналу контакту та фізичного інтервалу, оскільки сам запобіжник спрацьовує лише через струм, що проходить через нього, а не напруга.

2. Запобіжники мають широкий діапазон форм-факторів та номіналів струму/напруги (не в масштабі): більші запобіжники (50 А і вище) часто розміщуються в циліндрах, які називаються картриджами (a); слабкострумові запобіжники “3AG” на приблизно 250 В змінного струму (b); лопатеві запобіжники 15- і 20-А, що зазвичай використовуються для автомобільних ланцюгів (12 В постійного струму) (c); і старомодні запобіжні запобіжники типу «S» і «T», розраховані на 20 і 30 А, що використовуються в лініях електропередачі змінного струму 120 В) (d). (Джерела зображення: Sunstore/Великобританія; Джерело: Електрична гуртова торгівля/Ірландія; RONA Langdon Hardware Ltd/Канада; та reviseOmatic.org)

Для деяких пристроїв запобіжник не є хорошим вибором (згадайте внутрішні схеми живлення смартфона з обмеженою енергією), тоді як він є найкращим вибором для інших і часто використовується разом з іншими методами захисту. Запобіжник часто додають, щоб допомогти виробу відповідати нормативним вимогам безпеки через пряму функціональність.

Зверніть увагу, що, незважаючи на їх простий принцип, вони пропонуються у багатьох варіантах та тонкощах, наприклад, скільки часу потрібно, щоб він зреагував та розімкнув ланцюг (що є функцією як поточного, так і минулого часу). В таблицях даних запобіжників є багато діаграм, що показують ефективність роботи в різних умовах, а спеціальні запобіжники доступні для унікальних ситуацій.

Блокування низької напруги (UVLO)

UVLO гарантує, що перетворювач джерела живлення (або постійного струму) не намагається працювати, коли його власна вхідна напруга занадто низька (Рис.3). Це робиться з двох причин. По-перше, схеми всередині джерела живлення або перетворювача можуть вийти з ладу або діяти невизначено, якщо вхідна напруга постійного струму занадто низька, а деякі компоненти більшої потужності насправді можуть бути пошкоджені. По-друге, це заважає джерелу живлення/перетворювача використовувати основне живлення, якщо він не може виробляти дійсну вихідну потужність.

3. Блок живлення не "миттєво" виходить на повну потужність, а натомість має перехідні діапазони ввімкнення та вимкнення та час. UVLO гарантує, що джерело живлення не намагається забезпечити повний вихід, коли його вхідна напруга нижче мінімуму, необхідного для належної роботи. (Джерело: Texas Instruments)

Для реалізації UVLO невелика схема порівняння з низькою потужністю всередині джерела живлення/перетворювача порівнює вхідну напругу з заданим порогом і переводить пристрій в режим спокою, поки поріг не буде перетнуто. Щоб UVLO не «базікав» навколо порога, додається невелика кількість гістерезису.

Захист від перенапруги (OVP)

Незважаючи на те, що перетворювач джерела живлення або живлення призначений для нормального вироблення постійної напруги на виході постійного струму, внутрішня несправність джерела живлення може спричинити зростання цієї напруги та, можливо, пошкодити навантаження, до якої підключено джерело живлення. OVP - це функція, яка контролює вихід подачі/перетворювача проти внутрішнього опорного сигналу та коротких замикань, які виходять, якщо напруга піднімається вище порога. OVP повинен виконати кілька дій:

Очевидно, запобігайте появі надмірної напруги на захищених компонентах.
Не заважайте нормальній роботі, але замість цього будьте «невидимими» для джерела живлення.
Розрізняють нормальні перехідні коливання напруги та надмірну перенапругу.
Будьте швидкими і реагуйте до того, як навантаження пошкодиться, коли справді виникне ситуація перенапруги.
Не мати помилкових спрацьовувань (помилкових спрацьовувань), які становлять неприємність, і не реагувати на реальні умови перенапруги.

Лом

Однією з широко використовуваних функцій OVP є "лом", нібито названий так, оскільки він має такий самий ефект, як розміщення металевого лома через вихід і, таким чином, замикання вихідної напруги. Існує два типи ломів: один, коли лом, коли він спрацює, буде скинутий, лише якщо живлення вимкнено; і той, де він самостійно скинеться після усунення несправності. Другий корисний, коли стан, що спрацював лом, зумовлений якимось перехідним процесом, а не сильним відмовою в подачі. Хоча більшість поставок зараз постачаються із вбудованим ломом, багато постачальників пропонують невеликий, окремий ланцюг лому, який при необхідності можна додати до існуючого запасу.

Лом - це зазвичай ланцюг з високим імпедансом на всьому вихідному джерелі живлення (або на вході навантаження, що захищається) (Рис.4). Він перетворюється на ланцюг з низьким імпедансом, коли виникає ситуація перенапруги, і запускає її, і він залишається в режимі низького імпедансу, поки струм не зменшиться нижче “струму утримання”. Згодом він повертається до високоомного, нормального режиму роботи. Лом повинен мати можливість справлятися зі струмом, що протікає через нього, протягом часу, коли подача знаходиться в стані перенапруги.

4. Цей ланцюг лома працює від джерела напруги 8 В. Стабілітрон встановлює надмірний захист на рівні 9,1 В при цій напрузі; діод починає проводити, викликаючи тригерний сигнал на включення тиристора Q1 (зверніть увагу, що запобіжник призначений для захисту від надмірного струму).

Інші поширені ломи засновані на тиристорних захисних перенапругах (TSP). Це пристрої PNPN на основі кремнію з напругою пробою, які може точно встановити їх виробник. TSP пропонуються в багатьох типах упаковок і можуть розсіювати різний рівень стрибків напруги.

Існує також газорозрядна трубка (GDT), яка являє собою мініатюрний іскровий проміжок, який зазвичай розміщений у керамічному корпусі та сумісний з друкованими платами. При спрацьовуванні високої напруги іскровий зазор проводить, і весь струм відводиться. Іскрові зазори можуть бути виготовлені таким чином, щоб вони захищали від помірних напруг (близько 100 В) до тисяч вольт. Коли ситуація перенапруги зникає, TSP або GDT повертаються до нормального режиму високого імпедансу.

Доповненням до лома є затискач, який запобігає перевищенню напруги на заданому рівні. Затискачі часто називають пригнічувачами перехідної напруги (TVS), оскільки вони можуть захищати від перехідних або індуктивних перехідних процесів, а не від фактичної несправності (Рис. 5). Для більшості затискачів функція затискача відпускається, коли стан перенапруги зникає.

5. Простий у застосуванні телевізор розміщений між джерелом напруги та навантаженням без будь-яких заважаючих компонентів, які можуть вплинути на його роботу або перешкодити поточному шляху. (Джерело: Схеми підключення ентузіастів/http: //rasalibre.co/)

Затискач проводить достатньо струму, щоб підтримувати напругу на ньому на безпечному, бажаному значенні, коли перехідний процес перевищує напругу провідності затискача. Він повинен оцінюватися за потужністю, яку йому доведеться розсіяти протягом певного часу, як правило, відносно короткої перехідної події. Затискач TVS - кремній-біполярний перехідний пристрій, схожий на базовий випрямний діод, але призначений для виживання ситуацій зворотної пробивної напруги - доступний з напругою пробою від 4 до 500 В і в різних номіналах потужності для забезпечення різних можливостей захисту від перенапруги. TVS - це біполярний пристрій переходу.

Порівняно із затискачем, низька утримуюча напруга лома дозволяє йому нести більший струм несправності, не розсіюючи велику потужність, завдяки чому він може обробляти більш високі струми і робити це протягом більш тривалого періоду (Рис. 6). Також простіше налаштувати схему таким чином, щоб лом також спричинив перегорання запобіжника (і, таким чином, повністю зупинив потік струму), якщо це бажано.

6. Основна реакція лома і затискача на короткочасний стрибок напруги показує, як лом переходить до короткого замикання, тоді як затиск обмежується збільшенням напруги. (Джерело: Bourns)

Затискач також може бути побудований за допомогою металево-оксидного варістора (MOV), двонаправленого напівпровідникового перехідного пристрою, що перехідний напругу. Він проводить (тобто перемикається) напругу, що залежить від розміру та кількості спеціальних зерен між його виводами. Напруги пробою MOV коливаються приблизно від 14 В до понад 1000 В, причому більші призначені для обробки декількох кіловольт-підсилювачів (кВА), наприклад, від удару блискавки.

MOV є недорогими, швидкодіючими, простими у використанні та пропонуються в багатьох номіналах напруги, а їх власний режим відмови - коротке замикання (що є кращим у більшості конструкцій, що захищають від відмов). Однак вони можуть розсіювати лише невеликі обсяги енергії, тому вони підходять лише для короткочасних та тимчасових ситуацій ОВП

Загалом ломи краще підходять для довготривалих несправностей, тоді як затискачі найкраще підходять для перехідних подій, а не відвертих відмов у постачанні. У багатьох комерційних джерелах живлення є лом і затискач. Якщо проблема стосується прямої несправності та пов'язаного з цим сильного струму, який незабаром перевершить коефіцієнт розсіювання лома або затиску, конструкція також повинна включати запобіжник або автоматичний вимикач. Запобіжник/вимикач згодом перегорить від перенапруги, пов’язаної із надмірною напругою, і таким чином забезпечить багатофакторний захист.

Не забувайте про тепловий захист

Нарешті, є питання захисту від перевантаження від тепла. За своєю природою будь-яке джерело живлення генерує тепло, оскільки воно менш ніж на 100% ефективно, і навіть ефективне живлення генерує потенційно неприємні обсяги. Наприклад, джерело живлення на 100 Вт, яке ефективно на 90%, все одно розсіює 10 Вт, що дуже добре може прогріти невеликий герметичний корпус. З цієї причини подача повинна бути спроектована з достатнім активним охолодженням (наприклад, за допомогою вентилятора) або пасивним охолодженням (досягається конвекційним потоком повітря та провідними шляхами охолодження).

Але що відбувається, коли вентилятор виходить з ладу, шлях повітряного потоку перекритий або в корпус вводиться інше джерело тепла? Постачання може перевищувати температурний показник, що скорочує термін його служби і навіть може спричинити негайну несправність. Рішенням є датчик всередині джерела живлення (як дискретний пристрій або вбудований в ІС), який визначає температуру навколишнього середовища та переводить джерело живлення в режим спокою, якщо вона перевищує заданий ліміт. Деякі реалізації дозволяють подачі енергії відновити роботу, якщо температура падає, а інші - ні.

Захист джерела живлення, як не дивно, є тонкою темою. Існують проблеми з обробкою струму, напруги та потужності, розсіюванням ланцюгом захисту або компонентами та тривалістю несправності, а також розміщенням компонентів захисту, вартістю та відбитком. Але захист - це також хороша інженерна практика, яка часто передбачена нормативними стандартами. Знову ж, це як страхування: воно буває у багатьох формах і охоплює багато видів поганих подій. Ви сподіваєтесь, що вам це не потрібно, але є шанс, що вам це знадобиться з різних можливих причин.

Гурсімран Сінгх Чаула, Інженерна школа Чамелі Деві, “Запобіжники та їх тип в енергосистемі”