Circuitos de protección de la fuente de alimentación. Protección contra cortocircuitos en transistores de efecto de campo. Añadiendo realismo al sistema de seguridad

Buena señal de alimentación

Cuando encendemos, los voltajes de salida no alcanzan inmediatamente el valor deseado, sino después de unos 0,02 segundos, y para evitar el suministro de voltaje reducido a los componentes del PC, hay señal especial"buena potencia", también llamado a veces "PWR_OK" o simplemente "PG", que se aplica cuando los voltajes en las salidas +12V, +5V y +3.3V alcanzan el rango correcto. Para suministrar esta señal, se asigna una línea especial en el conector de alimentación ATX conectado al (No. 8, cable gris).

Otro consumidor de esta señal es el circuito de protección contra subtensión (UVP) dentro de la fuente de alimentación, del que se hablará más adelante: si está activo desde el momento en que se enciende la fuente de alimentación, simplemente no permitirá que la computadora se encienda. , cortando inmediatamente el suministro eléctrico, ya que las tensiones obviamente estarán por debajo del nominal. Por lo tanto, este circuito se enciende solo cuando se aplica la señal Power Good.

Esta señal es suministrada por un circuito de monitoreo o un controlador PWM (modulación de ancho de pulso utilizada en todas las fuentes de alimentación conmutadas modernas, de ahí su nombre, la abreviatura en inglés PWM, familiar de los refrigeradores modernos, para controlar su velocidad de rotación suministrada a En ellos, la corriente se modula de manera similar).

Diagrama de entrega de señal de Power Good según especificación ATX12V.
VAC es el voltaje alterno entrante, PS_ON# es la señal de "encendido", que se envía cuando se presiona el botón de encendido en la unidad del sistema. "O/P" es una abreviatura de "punto de operación", es decir. valor de trabajo. Y PWR_OK es la señal de Power Good. T1 es menor que 500 ms, T2 es entre 0,1 ms y 20 ms, T3 es entre 100 ms y 500 ms, T4 es menor o igual a 10 ms, T5 es mayor o igual a 16 ms y T6 es mayor o igual igual a 1ms.

Protección contra subtensión y sobretensión (UVP/OVP)

La protección en ambos casos se implementa utilizando el mismo circuito que monitorea los voltajes de salida +12V, +5V y 3.3V y corta la fuente de alimentación si uno de ellos es mayor (OVP - Over Voltage Protection) o menor (UVP - Under Voltage Protection). ) un valor determinado, que también se denomina “punto de activación”. Estos son los principales tipos de protección que actualmente están presentes en prácticamente todos los dispositivos, además, el estándar ATX12V requiere OVP.

Un pequeño problema es que tanto OVP como UVP generalmente se configuran con puntos de activación demasiado alejados del valor de voltaje nominal y, en el caso de OVP, esto coincide directamente con el estándar ATX12V:

Aquellos. puede crear una fuente de alimentación con un punto de activación OVP de +12 V a 15,6 V o +5 V a 7 V y seguirá siendo compatible con el estándar ATX12V.

Esto producirá, digamos, 15 V en lugar de 12 V durante mucho tiempo sin activar la protección, lo que puede provocar fallos en los componentes del PC.

Por otro lado, el estándar ATX12V estipula claramente que los voltajes de salida no deben desviarse más del 5% del valor nominal, pero el fabricante de la fuente de alimentación puede configurar el OVP para operar con una desviación del 30% a lo largo de los +12V y + Líneas de 3,3 V y 40% a lo largo de la línea de +5 V.

Los fabricantes seleccionan los valores de los puntos de activación utilizando uno u otro chip de monitoreo o controlador PWM, porque los valores de estos puntos están estrictamente definidos por las especificaciones de un chip en particular.

Como ejemplo, tomemos el popular chip de monitorización PS223, que se utiliza en algunos que todavía están en el mercado. Este chip tiene los siguientes puntos de activación para los modos OVP y UVP:

Otros chips proporcionan un conjunto diferente de puntos de activación.

Y una vez más te recordamos qué tan lejos de los valores normales de voltaje suelen configurarse OVP y UVP. Para que funcionen, la fuente de alimentación debe estar en una situación muy difícil. En la práctica, las fuentes de alimentación baratas que no tienen otros tipos de protección además de OVP/UVP fallan antes de que se active OVP/UVP.

Protección contra sobrecorriente (OCP)

En el caso de esta tecnología (la abreviatura inglesa OCP es Sobrecorriente Protección) hay una cuestión que debería considerarse con más detalle. Según la norma internacional IEC 60950-1, ningún conductor en un equipo informático debe transportar más de 240 voltios-amperios, como es el caso de corriente continua Da 240 vatios. La especificación ATX12V incluye un requisito de protección contra sobrecorriente en todos los circuitos. En el caso del circuito de 12V más cargado, obtenemos una corriente máxima permitida de 20Amps. Naturalmente, tal limitación no permite producir una fuente de alimentación con una potencia de más de 300 vatios, y para sortearla, el circuito de salida de +12V comenzó a dividirse en dos o más líneas, cada una de las cuales tenía su propio circuito de protección contra sobrecorriente. En consecuencia, todos los pines de alimentación que tienen contactos de +12V se dividen en varios grupos según el número de líneas, en algunos casos incluso están codificados por colores para distribuir adecuadamente la carga entre las líneas.

Sin embargo, en muchas fuentes de alimentación económicas con dos líneas de +12 V indicadas, en la práctica solo se utiliza un circuito de protección de corriente y todos los cables de +12 V del interior están conectados a una salida. Para implementar el funcionamiento adecuado de dicho circuito, la protección de carga actual no se activa a 20 A, sino, por ejemplo, a 40 A, y la limitación de la corriente máxima en un cable se logra por el hecho de que en un sistema real el La carga de +12 V siempre se distribuye entre varios consumidores e incluso más cables.

Además, a veces es posible determinar si una unidad de fuente de alimentación en particular utiliza protección de corriente independiente para cada línea de +12 V simplemente desmontándola y observando el número y la conexión de derivaciones utilizadas para medir la corriente (en algunos casos, la cantidad de derivaciones puede exceder el número de líneas, ya que se pueden usar múltiples derivaciones para medir la corriente en una línea).

Otro punto interesante es que, a diferencia de la protección contra sobretensión/subtensión, el nivel de corriente permitido lo regula el fabricante de la fuente de alimentación soldando resistencias de uno u otro valor a las salidas del microcircuito de control. Y en fuentes de alimentación baratas, a pesar de los requisitos del estándar ATX12V, esta protección solo se puede instalar en las líneas de +3,3V y +5V, o puede estar ausente por completo.

Protección contra sobretemperatura (OTP)

Como sugiere su nombre (OTP - Over Temperature Protection), la protección contra sobrecalentamiento apaga la fuente de alimentación si la temperatura dentro de su carcasa alcanza un cierto valor. No todas las fuentes de alimentación están equipadas con él.

En las fuentes de alimentación, es posible que vea un termistor conectado al disipador de calor (aunque en algunas fuentes de alimentación puede estar soldado directamente a la placa de circuito impreso). Este termistor está conectado al circuito de control de velocidad del ventilador y no se utiliza para protección contra sobrecalentamiento. En las fuentes de alimentación equipadas con protección contra sobrecalentamiento, generalmente se usan dos termistores: uno para controlar el ventilador y el otro para proteger contra el sobrecalentamiento.

Protección contra cortocircuitos (SCP)

La protección contra cortocircuitos (SCP) es probablemente la más antigua de estas tecnologías porque es muy fácil de implementar con un par de transistores, sin utilizar un chip de monitoreo. Esta protección está necesariamente presente en cualquier fuente de alimentación y la apaga en caso de cortocircuito en cualquiera de los circuitos de salida, para evitar un posible incendio.

El circuito integrado (IC) KR142EN12A es estabilizador ajustable tipo de compensación de voltaje en la carcasa KT-28-2, que le permite alimentar dispositivos con una corriente de hasta 1,5 A en el rango de voltaje de 1,2...37 V. Este estabilizador integrado tiene protección de corriente térmicamente estable y protección contra cortocircuitos de salida. .

Basado en el IC KR142EN12A, puede construir bloque ajustable fuente de alimentación, cuyo circuito (sin transformador ni puente de diodos) se muestra en Figura 2. El voltaje de entrada rectificado se suministra desde el puente de diodos al condensador C1. El transistor VT2 y el chip DA1 deben ubicarse en el radiador.

Brida del disipador de calor DA1 está conectado eléctricamente al pin 2, por lo que si DAT y el transistor VD2 están ubicados en el mismo disipador de calor, entonces deben estar aislados entre sí.

En la versión del autor, DA1 se instala en un pequeño radiador separado, que no está conectado galvánicamente al radiador y al transistor VT2. La potencia disipada por un chip con disipador de calor no debe exceder los 10 W. Las resistencias R3 y R5 forman un divisor de voltaje incluido en el elemento de medición del estabilizador. Se suministra un voltaje negativo estabilizado de -5 V al condensador C2 y a la resistencia R2 (que se utiliza para seleccionar el punto térmicamente estable VD1). En la versión original, el voltaje se suministra desde el puente de diodos KTs407A y el estabilizador 79L05, alimentado desde un separador. Devanado del transformador de potencia.

para guardia Para cerrar el circuito de salida del estabilizador, basta con conectar un condensador electrolítico con una capacidad de al menos 10 μF en paralelo con la resistencia R3 y la resistencia en derivación R5 con un diodo KD521A. La ubicación de las piezas no es crítica, pero para una buena estabilidad de la temperatura es necesario utilizar los tipos de resistencias adecuados. Deben ubicarse lo más lejos posible de fuentes de calor. La estabilidad general de la tensión de salida consta de muchos factores y normalmente no supera el 0,25% después del calentamiento.

Después de encender y calentando el dispositivo, el voltaje de salida mínimo de 0 V se establece con la resistencia Rao6. Resistencias R2 ( Figura 2) y la resistencia Rno6 ( Fig. 3) deben ser recortadoras multivueltas de la serie SP5.

Posibilidades la corriente del microcircuito KR142EN12A está limitada a 1,5 A. Actualmente, hay microcircuitos a la venta con parámetros similares, pero diseñados para una corriente más alta en la carga, por ejemplo LM350 - para una corriente de 3 A, LM338 - para una corriente de 5 A. Recientemente aparecieron a la venta microcircuitos importados de la serie LOW DROP (SD, DV, LT1083/1084/1085). Estos microcircuitos pueden funcionar con un voltaje reducido entre entrada y salida (hasta 1... 1,3 V) y proporcionar un voltaje de salida estabilizado en el rango de 1,25...30 V con una corriente de carga de 7,5/5/3 A. respectivamente. Más cercano en parámetros análogo doméstico el tipo KR142EN22 tiene una corriente de estabilización máxima de 7,5 A. A la corriente de salida máxima, el fabricante garantiza el modo de estabilización a un voltaje de entrada-salida de al menos 1,5 V. Los microcircuitos también tienen protección incorporada contra el exceso de corriente en el carga del valor permitido y protección térmica contra el sobrecalentamiento de la carcasa. Estos estabilizadores proporcionan una inestabilidad del voltaje de salida de 0,05%/V, inestabilidad del voltaje de salida cuando la corriente de salida cambia de 10 mA a un valor máximo no peor que 0,1%/V. En Fig.4 muestra un circuito de alimentación para un laboratorio doméstico, que le permite prescindir de los transistores VT1 y VT2, que se muestra en Figura 2.

En lugar del microcircuito DA1 KR142EN12A, se utilizó el microcircuito KR142EN22A. Este es un estabilizador ajustable con una baja caída de voltaje, que le permite obtener una corriente en la carga de hasta 7,5 A. Por ejemplo, el voltaje de entrada suministrado al microcircuito es Uin = 39 V, voltaje de salida en la carga Uout = 30 V, corriente en la carga = 5 A, entonces la potencia máxima disipada por el microcircuito en la carga es 45 W. El condensador electrolítico C7 se utiliza para reducir la impedancia de salida a altas frecuencias y también reduce el voltaje de ruido y mejora el suavizado de ondulaciones. Si este condensador es de tantalio, entonces su capacidad nominal debe ser de al menos 22 μF, si es de aluminio, de al menos 150 μF. Si es necesario, se puede aumentar la capacitancia del condensador C7. Si el condensador electrolítico C7 está ubicado a una distancia de más de 155 mm y está conectado a la fuente de alimentación con un cable con una sección transversal de menos de 1 mm, entonces se necesita un condensador electrolítico adicional con una capacidad de al menos 10 μF. instalado en la placa paralelo al condensador C7, más cerca del microcircuito. La capacitancia del condensador de filtro C1 se puede determinar aproximadamente a razón de 2000 μF por 1 A de corriente de salida (a un voltaje de al menos 50 V). Para reducir la variación de temperatura del voltaje de salida, la resistencia R8 debe ser de alambre bobinado o de lámina metálica con un error no peor que 1%. La resistencia R7 es del mismo tipo que R8. Si el diodo zener KS113A no está disponible, puede utilizar la unidad que se muestra en Fig. 3. El autor está bastante satisfecho con la solución del circuito de protección proporcionada, ya que funciona perfectamente y ha sido probada en la práctica. Puede utilizar cualquier solución de circuito de protección de la fuente de alimentación, por ejemplo las propuestas en. En la versión del autor, cuando se activa el relé K1, los contactos K 1.1 se cierran, cortocircuitan la resistencia R7 y el voltaje en la salida de la fuente de alimentación se vuelve 0 V. placa de circuito impreso La fuente de alimentación y la ubicación de los elementos se muestran en la Fig. 5, apariencia presión arterial - encendido Fig.6.

Muchas unidades caseras tienen la desventaja de carecer de protección contra la polaridad inversa. Incluso una persona experimentada puede confundir sin darse cuenta la polaridad de la fuente de alimentación. Y existe una alta probabilidad de que después de esto Cargador caerá en mal estado.

Este artículo discutirá 3 opciones para protección contra polaridad inversa, que funcionan perfectamente y no requieren ningún ajuste.

Opción 1

Esta protección es la más sencilla y se diferencia de otras similares en que no utiliza transistores ni microcircuitos. Relés, aislamiento de diodos: esos son todos sus componentes.

El esquema funciona de la siguiente manera. El menos en el circuito es común, por lo que se considerará el circuito positivo.

Si no hay ninguna batería conectada a la entrada, el relé está en estado abierto. Cuando se conecta la batería, el plus se suministra a través del diodo VD2 al devanado del relé, como resultado de lo cual el contacto del relé se cierra y la corriente de carga principal fluye hacia la batería.

Al mismo tiempo, el indicador LED verde se enciende indicando que la conexión es correcta.

Y si ahora quita la batería, habrá voltaje en la salida del circuito, ya que la corriente del cargador continuará fluyendo a través del diodo VD2 hasta el devanado del relé.

Si se invierte la polaridad de la conexión, el diodo VD2 se bloqueará y no se suministrará energía al devanado del relé. El relé no funcionará.

En este caso, se encenderá el LED rojo, que está mal conectado intencionalmente. Indicará que la polaridad de la conexión de la batería es incorrecta.

El diodo VD1 protege el circuito de la autoinducción que se produce cuando se apaga el relé.

Si dicha protección se introduce en , vale la pena llevar un relé de 12 V. La corriente permitida del relé depende únicamente de la potencia. . En promedio, vale la pena utilizar un relé de 15-20 A.

Este esquema todavía no tiene análogos en muchos aspectos. Protege simultáneamente contra inversión de energía y cortocircuito.

El principio de funcionamiento de este esquema es el siguiente. Durante el funcionamiento normal, el positivo de la fuente de alimentación a través del LED y la resistencia R9 abre el transistor de efecto de campo, y el negativo, a través de la unión abierta del "interruptor de campo", va a la salida del circuito a la batería.

Cuando ocurre una inversión de polaridad o un cortocircuito, la corriente en el circuito aumenta bruscamente, lo que resulta en una caída de voltaje a través del "interruptor de campo" y a través de la derivación. Esta caída de voltaje es suficiente para activar el transistor de baja potencia VT2. Al abrirse, este último cierra el transistor de efecto de campo, cerrando la puerta a tierra. Al mismo tiempo, el LED se enciende, ya que la alimentación la proporciona la unión abierta del transistor VT2.

Debido a su alta velocidad de respuesta, este circuito garantiza la protección para cualquier problema en la salida.

El circuito tiene un funcionamiento muy fiable y puede permanecer en estado protegido indefinidamente.

esto es especial circuito simple, que difícilmente se puede llamar circuito, ya que solo utiliza 2 componentes. Este es un potente diodo y fusible. Esta opción es bastante viable e incluso se utiliza a escala industrial.

La energía del cargador se suministra a la batería a través del fusible. El fusible se selecciona en función de la corriente de carga máxima. Por ejemplo, si la corriente es de 10 A, entonces se necesita un fusible de 12 a 15 A.

El diodo está conectado en paralelo y cerrado cuando operación normal. Pero si se invierte la polaridad, el diodo se abrirá y se producirá un cortocircuito.

Y el fusible es el eslabón débil de este circuito, que se quemará en el mismo momento. Después de esto tendrás que cambiarlo.

El diodo debe seleccionarse de acuerdo con la hoja de datos basándose en el hecho de que su máximo corriente de corto plazo era varias veces mayor que la corriente de combustión del fusible.

Este esquema no proporciona una protección del 100%, ya que ha habido casos en que el cargador se quemó más rápido que el fusible.

Línea de fondo

Desde el punto de vista de la eficiencia, el primer esquema es mejor que los demás. Pero desde el punto de vista de versatilidad y velocidad de respuesta, la mejor opción es el esquema 2. Bueno, la tercera opción se suele utilizar a escala industrial. Este tipo de protección se puede ver, por ejemplo, en la radio de cualquier coche.

Todos los circuitos, excepto el último, tienen función de autorreparación, es decir, el funcionamiento se restablecerá en cuanto se elimine el cortocircuito o se cambie la polaridad de la conexión de la batería.

Archivos adjuntos:

Cómo hacer un Power Bank simple con tus propias manos: diagrama de un power bank casero

Los transistores de conmutación de potencia modernos tienen resistencias de fuente de drenaje muy bajas cuando están encendidos, lo que garantiza una baja caída de voltaje cuando grandes corrientes pasan a través de esta estructura. Esta circunstancia permite el uso de tales transistores en fusibles electrónicos.

Por ejemplo, el transistor IRL2505 tiene una resistencia drenaje-fuente, con un voltaje fuente-compuerta de 10 V, solo 0,008 ohmios. Con una corriente de 10 A, la potencia P=I² R se liberará en el cristal de dicho transistor; P = 10 10 0,008 = 0,8 W. Esto sugiere que a una corriente determinada el transistor se puede instalar sin utilizar un radiador. Aunque siempre intento instalar al menos disipadores de calor pequeños. En muchos casos, esto permite proteger el transistor de una rotura térmica en situaciones de emergencia. Este transistor se utiliza en el circuito de protección descrito en el artículo “”. Si es necesario, puede utilizar radioelementos montados en la superficie y hacer el dispositivo en forma de un pequeño módulo. El diagrama del dispositivo se muestra en la Figura 1. Se calculó para una corriente de hasta 4A.

Diagrama de fusibles electrónicos.

En este circuito, se utiliza como clave un transistor de efecto de campo con un canal p IRF4905, que tiene una resistencia abierta de 0,02 ohmios, con un voltaje de puerta = 10 V.

En principio, este valor también limita la tensión de alimentación mínima de este circuito. Con una corriente de drenaje de 10A generará una potencia de 2 W, lo que conllevará la necesidad de instalar un pequeño disipador de calor. El voltaje máximo de puerta-fuente de este transistor es de 20 V, por lo tanto, para evitar la rotura de la estructura de puerta-fuente, se introduce en el circuito un diodo zener VD1, que se puede utilizar como cualquier diodo zener con un voltaje de estabilización de 12 voltios. Si el voltaje en la entrada del circuito es inferior a 20 V, entonces el diodo zener se puede quitar del circuito. Si instala un diodo zener, es posible que necesite ajustar el valor de la resistencia R8. R8 = (Arriba - Ust)/Ist; Donde Upit es el voltaje en la entrada del circuito, Ust es el voltaje de estabilización del diodo zener, Ist es la corriente del diodo zener. Por ejemplo, Upit = 35 V, Ust = 12 V, Ist = 0,005 A. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 ohmios.

Convertidor de corriente-voltaje

La resistencia R2 se utiliza como sensor de corriente en el circuito, para reducir la potencia liberada por esta resistencia; su valor se elige para que sea solo una centésima de ohmio. Al utilizar elementos SMD, puede estar compuesto por 10 resistencias de 0,1 Ohm, tamaño 1206, con una potencia de 0,25 W. El uso de un sensor de corriente con una resistencia tan baja implicó el uso de un amplificador de señal de este sensor. El amplificador operacional DA1.1 del microcircuito LM358N se utiliza como amplificador.

La ganancia de este amplificador es (R3 + R4)/R1 = 100. Por lo tanto, con un sensor de corriente que tiene una resistencia de 0,01 ohmios, el coeficiente de conversión de este convertidor de corriente-voltaje igual a uno, es decir. Un amperio de corriente de carga equivale a un voltaje de 1 V en la salida 7 DA1.1. Puedes ajustar el Kus con la resistencia R3. Con los valores indicados de las resistencias R5 y R6 se puede configurar la corriente máxima de protección dentro de.... Ahora contemos. R5 + R6 = 1 + 10 = 11 kOhmios. Encontremos la corriente que fluye a través de este divisor: I = U/R = 5A/11000Ohm = 0,00045A. Por lo tanto, el voltaje máximo que se puede configurar en el pin 2 de DA1 será igual a U = I x R = 0.00045A x 10000 Ohm = 4.5 V. Por lo tanto, la corriente máxima de protección será de aproximadamente 4.5A.

Comparador de voltaje

Se ensambla un comparador de voltaje en el segundo amplificador operacional, que forma parte de este MS. La entrada inversora de este comparador se alimenta con una tensión de referencia regulada por la resistencia R6 del estabilizador DA2. La entrada no inversora 3 de DA1.2 recibe voltaje amplificado del sensor de corriente. La carga del comparador es circuito en serie, LED optoacoplador y resistencia de ajuste de amortiguación R7. La resistencia R7 establece la corriente que pasa por este circuito, aproximadamente 15 mA.

Operación del circuito

El esquema funciona de la siguiente manera. Por ejemplo, con una corriente de carga de 3A, se liberará un voltaje de 0,01 x 3 = 0,03V en el sensor de corriente. La salida del amplificador DA1.1 tendrá una tensión igual a 0,03V x 100 = 3V. Si en este caso, en la entrada 2 de DA1.2 hay un voltaje de referencia establecido por la resistencia R6, menos de tres voltios, entonces en la salida del comparador 1 aparecerá un voltaje cercano al voltaje de suministro del amplificador operacional, es decir cinco voltios. Como resultado, el LED del optoacoplador se iluminará. El tiristor del optoacoplador abrirá y unirá la puerta del transistor de efecto de campo con su fuente. El transistor se apagará y apagará la carga. Devuelve el diagrama a el estado inicial Puede utilizar el botón SB1 o apagar y volver a encender la fuente de alimentación.