Circuiti di protezione dell'alimentazione. Protezione da cortocircuito sul transistor ad effetto di campo. Aggiungere realismo al sistema di sicurezza

Segnale di buona potenza

All'accensione, le tensioni in uscita non raggiungono immediatamente il valore desiderato, ma dopo circa 0,02 secondi, e per impedire l'erogazione di tensione ridotta ai componenti del PC, viene segnale speciale"power good", talvolta chiamato anche "PWR_OK" o semplicemente "PG", che viene applicato quando le tensioni sulle uscite +12V, +5V e +3,3V raggiungono l'intervallo corretto. Per fornire questo segnale, sul connettore di alimentazione ATX collegato a (n. 8, filo grigio) è allocata una linea speciale.

Un altro consumatore di questo segnale è il circuito di protezione da sottotensione (UVP) all'interno dell'alimentatore, di cui parleremo più avanti: se è attivo dal momento in cui viene acceso l'alimentatore, semplicemente non consentirà l'accensione del computer , spegnendo immediatamente l'alimentazione, poiché le tensioni saranno ovviamente inferiori a quelle nominali. Pertanto, questo circuito viene attivato solo quando viene applicato il segnale Power Good.

Questo segnale è fornito da un circuito di monitoraggio o da un controller PWM (modulazione di larghezza di impulso utilizzata in tutti i moderni alimentatori a commutazione, motivo per cui hanno preso il nome, l'abbreviazione inglese è PWM, familiare ai moderni dispositivi di raffreddamento - per controllare la velocità di rotazione fornita a in essi la corrente viene modulata in modo simile.)

Diagramma di consegna del segnale Power Good secondo la specifica ATX12V.
VAC è la tensione alternata in ingresso, PS_ON# è il segnale di "accensione" che viene inviato quando viene premuto il pulsante di accensione sull'unità di sistema. "O/P" è l'abbreviazione di "punto operativo", cioè valore lavorativo. E PWR_OK è il segnale Power Good. T1 è inferiore a 500 ms, T2 è compreso tra 0,1 ms e 20 ms, T3 è compreso tra 100 ms e 500 ms, T4 è inferiore o uguale a 10 ms, T5 è maggiore o uguale a 16 ms e T6 è maggiore o uguale a pari a 1ms.

Protezione da sottotensione e sovratensione (UVP/OVP)

La protezione in entrambi i casi è implementata utilizzando lo stesso circuito che monitora le tensioni di uscita +12V, +5V e 3,3V e spegne l'alimentazione se una di queste è superiore (OVP - Overvoltage Protection) o inferiore (UVP - Undervoltage Protection ) un certo valore, chiamato anche “punto di attivazione”. Questi sono i principali tipi di protezione attualmente presenti praticamente in tutti i dispositivi; inoltre lo standard ATX12V richiede OVP.

Un piccolo problema è che sia OVP che UVP sono tipicamente configurati con punti di attivazione troppo lontani dal valore di tensione nominale e nel caso di OVP questa è una corrispondenza diretta con lo standard ATX12V:

Quelli. puoi realizzare un alimentatore con un punto di trigger OVP di +12V a 15,6V, o +5V a 7V e sarà comunque compatibile con lo standard ATX12V.

Ciò produrrà, ad esempio, 15 V invece di 12 V per un lungo periodo senza attivare la protezione, il che può portare al guasto dei componenti del PC.

D'altra parte, lo standard ATX12V stabilisce chiaramente che le tensioni di uscita non dovrebbero discostarsi più del 5% dal valore nominale, ma l'OVP può essere configurato dal produttore dell'alimentatore per funzionare con una deviazione del 30% lungo i +12V e + Linee da 3,3 V e 40% - lungo la linea +5 V.

I produttori selezionano i valori dei punti di trigger utilizzando l'uno o l'altro chip di monitoraggio o controller PWM, poiché i valori di questi punti sono rigorosamente definiti dalle specifiche di un particolare chip.

Prendiamo ad esempio il popolare chip di monitoraggio PS223, utilizzato in alcuni dispositivi ancora sul mercato. Questo chip ha i seguenti punti di attivazione per le modalità OVP e UVP:

Altri chip forniscono una serie diversa di punti trigger.

E ancora una volta vi ricordiamo quanto sono solitamente configurati OVP e UVP dai normali valori di tensione. Affinché funzionino, l'alimentatore deve trovarsi in una situazione molto difficile. In pratica, gli alimentatori economici che non dispongono di altri tipi di protezione oltre a OVP/UVP si guastano prima che venga attivato OVP/UVP.

Protezione da sovracorrente (OCP)

Nel caso di questa tecnologia (la sigla inglese OCP è Sovracorrente Protezione) c'è una questione che dovrebbe essere considerata più in dettaglio. Secondo lo standard internazionale IEC 60950-1, nessun singolo conduttore nelle apparecchiature informatiche deve trasportare più di 240 Volt-A, come nel caso di DC dà 240 watt. La specifica ATX12V include un requisito di protezione da sovracorrente su tutti i circuiti. Nel caso del circuito da 12 V più carico, otteniamo una corrente massima consentita di 20 A. Naturalmente tale limitazione non consente di realizzare un alimentatore con potenza superiore a 300 Watt e per aggirare il problema si cominciò a dividere il circuito di uscita a +12V in due o più linee, ciascuna delle quali aveva il proprio circuito di protezione da sovracorrente. Di conseguenza, tutti i pin dell'alimentatore che hanno contatti +12V sono divisi in più gruppi in base al numero di linee, in alcuni casi sono addirittura codificati a colori per distribuire adeguatamente il carico sulle linee.

Tuttavia, in molti alimentatori economici con due linee +12V dichiarate, in pratica viene utilizzato solo un circuito di protezione della corrente e tutti i cavi +12V all'interno sono collegati ad un'uscita. Per realizzare un funzionamento adeguato di un tale circuito, la protezione del carico di corrente non viene attivata a 20 A, ma, ad esempio, a 40 A, e la limitazione della corrente massima su un filo si ottiene dal fatto che in un sistema reale Il carico +12V è sempre distribuito su più utenze e anche su più cavi.

Inoltre, a volte è possibile capire se un particolare alimentatore utilizza una protezione di corrente separata per ogni linea +12V solo smontandolo e osservando il numero e il collegamento degli shunt utilizzati per misurare la corrente (in alcuni casi il numero di shunt può superare il numero di linee, poiché è possibile utilizzare più shunt per misurare la corrente su una linea).

Un altro punto interessante è che, a differenza della protezione da sovra/sottotensione, il livello di corrente consentito viene regolato dal produttore dell'alimentatore saldando resistori di un valore o di un altro alle uscite del microcircuito di controllo. E sugli alimentatori economici, nonostante i requisiti dello standard ATX12V, questa protezione può essere installata solo sulle linee +3,3 V e +5 V, oppure assente del tutto.

Protezione da sovratemperatura (OTP)

Come suggerisce il nome (OTP - Over Temperature Protection), la protezione dal surriscaldamento interrompe l'alimentazione se la temperatura all'interno del case raggiunge un determinato valore. Non tutti gli alimentatori ne sono dotati.

Negli alimentatori, potresti vedere un termistore collegato al dissipatore di calore (anche se in alcuni alimentatori potrebbe essere saldato direttamente al circuito stampato). Questo termistore è collegato al circuito di controllo della velocità della ventola e non viene utilizzato per la protezione dal surriscaldamento. Negli alimentatori dotati di protezione dal surriscaldamento, vengono solitamente utilizzati due termistori: uno per controllare la ventola, l'altro per proteggere effettivamente dal surriscaldamento.

Protezione da cortocircuito (SCP)

La protezione da cortocircuito (SCP) è probabilmente la più antica di queste tecnologie perché è molto semplice da implementare con una coppia di transistor, senza utilizzare un chip di monitoraggio. Questa protezione è necessariamente presente in qualsiasi alimentatore e lo spegne in caso di cortocircuito in uno qualsiasi dei circuiti di uscita, per evitare un possibile incendio.

Il circuito integrato (IC) KR142EN12A è stabilizzatore regolabile tipo di compensazione della tensione nell'alloggiamento KT-28-2, che consente di alimentare dispositivi con una corrente fino a 1,5 A nell'intervallo di tensione 1,2...37 V. Questo stabilizzatore integrato è dotato di protezione di corrente termicamente stabile e protezione da cortocircuito in uscita .

Sulla base dell'IC KR142EN12A, puoi costruire blocco regolabile alimentatore, il cui circuito (senza trasformatore e ponte a diodi) è mostrato in Fig.2. La tensione di ingresso raddrizzata viene fornita dal ponte a diodi al condensatore C1. Il transistor VT2 e il chip DA1 dovrebbero essere posizionati sul radiatore.

Flangia del dissipatore di calore DA1 è collegato elettricamente al pin 2, quindi se DAT e il transistor VD2 si trovano sullo stesso dissipatore di calore, devono essere isolati l'uno dall'altro.

Nella versione dell'autore, DA1 è installato su un piccolo radiatore separato, che non è collegato galvanicamente al radiatore e al transistor VT2. La potenza dissipata da un chip dotato di dissipatore di calore non deve superare i 10 W. I resistori R3 e R5 formano un partitore di tensione incluso nell'elemento di misura dello stabilizzatore. Una tensione negativa stabilizzata di -5 V viene fornita al condensatore C2 e al resistore R2 (utilizzato per selezionare il punto termicamente stabile VD1). Nella versione originale, la tensione viene fornita dal ponte a diodi KTs407A e dallo stabilizzatore 79L05, alimentato da un separato avvolgimento del trasformatore di potenza.

Per guardia dalla chiusura del circuito di uscita dello stabilizzatore, è sufficiente collegare un condensatore elettrolitico con una capacità di almeno 10 μF in parallelo con il resistore R3 e il resistore di shunt R5 con un diodo KD521A. La posizione delle parti non è critica, ma per una buona stabilità della temperatura è necessario utilizzare i tipi appropriati di resistori. Dovrebbero essere posizionati il ​​più lontano possibile da fonti di calore. La stabilità complessiva della tensione di uscita dipende da molti fattori e solitamente non supera lo 0,25% dopo il riscaldamento.

Dopo l'accensione e riscaldando il dispositivo, la tensione di uscita minima di 0 V viene impostata con il resistore Rao6. Resistori R2 ( Fig.2) e resistenza Rno6 ( Fig.3) devono essere trimmer multigiro della serie SP5.

Possibilità la corrente del microcircuito KR142EN12A è limitata a 1,5 A. Attualmente sono in vendita microcircuiti con parametri simili, ma progettati per una corrente più elevata nel carico, ad esempio LM350 - per una corrente di 3 A, LM338 - per una corrente di 5 A. Recentemente sono comparsi in vendita microcircuiti importati della serie LOW DROP (SD, DV, LT1083/1084/1085). Questi microcircuiti possono funzionare con una tensione ridotta tra ingresso e uscita (fino a 1... 1,3 V) e fornire una tensione di uscita stabilizzata nell'intervallo 1,25...30 V con una corrente di carico di 7,5/5/3 A, rispettivamente. Il più vicino nei parametri analogo domestico il tipo KR142EN22 ha una corrente di stabilizzazione massima di 7,5 A. Alla corrente di uscita massima, la modalità di stabilizzazione è garantita dal produttore con una tensione di ingresso-uscita di almeno 1,5 V. I microcircuiti hanno anche una protezione integrata contro l'eccesso di corrente nel carico del valore consentito e protezione termica contro il surriscaldamento della custodia. Questi stabilizzatori forniscono un'instabilità della tensione di uscita di 0,05%/V, instabilità della tensione di uscita quando la corrente di uscita cambia da 10 mA a un valore massimo non peggiore di 0,1%/V. SU Fig.4 mostra un circuito di alimentazione per un laboratorio domestico, che consente di fare a meno dei transistor VT1 e VT2, mostrati in Fig.2.

Invece del microcircuito DA1 KR142EN12A, è stato utilizzato il microcircuito KR142EN22A. Si tratta di uno stabilizzatore regolabile con una bassa caduta di tensione, che consente di ottenere una corrente nel carico fino a 7,5 A. Ad esempio, la tensione di ingresso fornita al microcircuito è Uin = 39 V, tensione di uscita sul carico Uout = 30 V, corrente al carico louf = 5 A, quindi la potenza massima dissipata dal microcircuito al carico è 45 W. Il condensatore elettrolitico C7 viene utilizzato per ridurre l'impedenza di uscita alle alte frequenze, riduce anche la tensione di rumore e migliora il livellamento dell'ondulazione. Se questo condensatore è al tantalio, la sua capacità nominale deve essere di almeno 22 μF, se in alluminio - almeno 150 μF. Se necessario, la capacità del condensatore C7 può essere aumentata. Se il condensatore elettrolitico C7 si trova ad una distanza superiore a 155 mm ed è collegato all'alimentazione con un filo con una sezione trasversale inferiore a 1 mm, viene installato un condensatore elettrolitico aggiuntivo con una capacità di almeno 10 μF installato sulla scheda parallelamente al condensatore C7, più vicino al microcircuito stesso. La capacità del condensatore di filtro C1 può essere determinata approssimativamente alla velocità di 2000 μF per 1 A di corrente di uscita (a una tensione di almeno 50 V). Per ridurre la deriva termica della tensione di uscita, il resistore R8 deve essere a filo avvolto o a lamina metallica con un errore non inferiore all'1%. Il resistore R7 è dello stesso tipo di R8. Se il diodo zener KS113A non è disponibile, è possibile utilizzare l'unità mostrata in Fig.3. L'autore è abbastanza soddisfatto della soluzione del circuito di protezione fornita, poiché funziona perfettamente ed è stata testata nella pratica. È possibile utilizzare qualsiasi soluzione circuitale di protezione dell'alimentatore, ad esempio quelle proposte in. Nella versione dell'autore, quando viene attivato il relè K1, i contatti K 1.1 si chiudono, cortocircuitando la resistenza R7 e la tensione all'uscita dell'alimentatore diventa 0 V. Scheda a circuito stampato L'alimentatore e la posizione degli elementi sono mostrati in Fig. 5, aspetto BP - acceso Fig.6.

Molte unità autocostruite presentano lo svantaggio di non essere protette contro l'inversione di polarità dell'alimentazione. Anche una persona esperta può inavvertitamente confondere la polarità dell'alimentatore. E c'è un'alta probabilità che dopo questo Caricabatterie cadrà in rovina.

Questo articolo discuterà 3 opzioni per la protezione da inversione di polarità, che funzionano perfettamente e non necessitano di alcuna regolazione.

opzione 1

Questa protezione è la più semplice e differisce da quelle simili in quanto non utilizza transistor o microcircuiti. Relè, isolamento a diodi: questi sono tutti i suoi componenti.

Lo schema funziona come segue. Il meno nel circuito è comune, quindi verrà considerato il circuito positivo.

Se non è collegata alcuna batteria all'ingresso, il relè è nello stato aperto. Quando la batteria è collegata, il positivo viene fornito attraverso il diodo VD2 all'avvolgimento del relè, a seguito del quale il contatto del relè si chiude e la corrente di carica principale fluisce alla batteria.

Allo stesso tempo, l'indicatore LED verde si accende, indicando che la connessione è corretta.

E se ora rimuovi la batteria, ci sarà tensione all'uscita del circuito, poiché la corrente dal caricabatterie continuerà a fluire attraverso il diodo VD2 verso l'avvolgimento del relè.

Se la polarità del collegamento viene invertita, il diodo VD2 verrà bloccato e non verrà fornita alimentazione all'avvolgimento del relè. Il relè non funzionerà.

In questo caso si accenderà il LED rosso che è stato volutamente collegato in modo errato. Indicherà che la polarità del collegamento della batteria non è corretta.

Il diodo VD1 protegge il circuito dall'autoinduzione che si verifica quando il relè è spento.

Se tale protezione viene introdotta , vale la pena prendere un relè da 12 V. La corrente consentita del relè dipende solo dalla potenza . In media, vale la pena utilizzare un relè da 15-20 A.

Questo schema non ha ancora analoghi sotto molti aspetti. Protegge contemporaneamente contro l'inversione di potenza e il cortocircuito.

Il principio di funzionamento di questo schema è il seguente. Durante il normale funzionamento, il positivo dalla fonte di alimentazione attraverso il LED e il resistore R9 apre il transistor ad effetto di campo e il meno attraverso la giunzione aperta dell '"interruttore di campo" va all'uscita del circuito verso la batteria.

Quando si verifica un'inversione di polarità o un cortocircuito, la corrente nel circuito aumenta bruscamente, provocando una caduta di tensione attraverso l'“interruttore di campo” e attraverso lo shunt. Questa caduta di tensione è sufficiente per attivare il transistor a bassa potenza VT2. Aprendo, quest'ultimo chiude il transistor ad effetto di campo, chiudendo il gate a massa. Allo stesso tempo, il LED si accende, poiché l'alimentazione è fornita dalla giunzione aperta del transistor VT2.

Grazie alla sua elevata velocità di risposta, questo circuito garantisce protezione per qualsiasi problema in uscita.

Il circuito è molto affidabile nel funzionamento e può rimanere in uno stato protetto per un tempo indefinito.

Questo è speciale circuito semplice, che difficilmente può nemmeno essere definito un circuito, poiché utilizza solo 2 componenti. Questo è un potente diodo e fusibile. Questa opzione è abbastanza praticabile e viene utilizzata anche su scala industriale.

L'alimentazione dal caricabatterie viene fornita alla batteria tramite il fusibile. Il fusibile viene selezionato in base alla corrente di carica massima. Ad esempio, se la corrente è di 10 A, è necessario un fusibile da 12-15 A.

Il diodo è collegato in parallelo e chiuso quando operazione normale. Ma se la polarità viene invertita, il diodo si aprirà e si verificherà un cortocircuito.

E il fusibile è l'anello debole di questo circuito, che si brucerà nello stesso momento. Dopodiché dovrai cambiarlo.

Il diodo dovrebbe essere selezionato in base alla scheda tecnica in base al fatto che è massimo corrente a breve termine era parecchie volte maggiore della corrente di combustione del fusibile.

Questo schema non fornisce una protezione al 100%, poiché ci sono stati casi in cui il caricabatterie si è bruciato più velocemente del fusibile.

Linea di fondo

Dal punto di vista dell’efficienza il primo schema è migliore degli altri. Ma dal punto di vista della versatilità e della velocità di risposta, l'opzione migliore è lo schema 2. Ebbene, la terza opzione viene spesso utilizzata su scala industriale. Questo tipo di protezione può essere visto, ad esempio, su qualsiasi autoradio.

Tutti i circuiti, tranne l'ultimo, hanno una funzione di autoriparazione, ovvero il funzionamento verrà ripristinato non appena verrà rimosso il cortocircuito o verrà modificata la polarità del collegamento della batteria.

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Come realizzare un semplice Power Bank con le tue mani: schema di un Power Bank fatto in casa

I moderni transistor di commutazione di potenza hanno resistenze drain-source molto basse quando sono attivi, il che garantisce una bassa caduta di tensione quando grandi correnti passano attraverso questa struttura. Questa circostanza consente l'uso di tali transistor nei fusibili elettronici.

Ad esempio, il transistor IRL2505 ha una resistenza drain-source, con una tensione source-gate di 10 V, pari a soli 0,008 Ohm. Ad una corrente di 10A, sul cristallo di tale transistor verrà rilasciata la potenza P=I² R; P = 10 10 0,008 = 0,8 W. Ciò suggerisce che a una determinata corrente il transistor può essere installato senza utilizzare un radiatore. Anche se cerco sempre di installare almeno piccoli dissipatori di calore. In molti casi, ciò consente di proteggere il transistor dal guasto termico in situazioni di emergenza. Questo transistor è utilizzato nel circuito di protezione descritto nell'articolo “”. Se necessario, è possibile utilizzare elementi radio montati in superficie e realizzare il dispositivo sotto forma di un piccolo modulo. Lo schema del dispositivo è mostrato nella Figura 1. È stato calcolato per una corrente fino a 4 A.

Schema dei fusibili elettronici

In questo circuito viene utilizzato come chiave un transistor ad effetto di campo con canale p IRF4905, avente una resistenza aperta di 0,02 Ohm, con una tensione di gate = 10V.

In linea di principio questo valore limita anche la tensione minima di alimentazione di questo circuito. Con una corrente di drain di 10A genererà una potenza di 2 W, il che comporterà la necessità di installare un piccolo dissipatore di calore. La tensione gate-source massima di questo transistor è 20 V, pertanto, per evitare la rottura della struttura gate-source, nel circuito viene introdotto un diodo zener VD1, che può essere utilizzato come qualsiasi diodo zener con una tensione di stabilizzazione di 12 volt. Se la tensione all'ingresso del circuito è inferiore a 20 V, il diodo zener può essere rimosso dal circuito. Se installi un diodo zener, potrebbe essere necessario regolare il valore del resistore R8. R8 = (Upit - Ust)/Ist; Dove Upit è la tensione all'ingresso del circuito, Ust è la tensione di stabilizzazione del diodo zener, Ist è la corrente del diodo zener. Ad esempio Upit = 35 V, Ust = 12 V, Ist = 0,005 A. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ohm.

Convertitore corrente-tensione

Il resistore R2 viene utilizzato come sensore di corrente nel circuito, al fine di ridurre la potenza rilasciata da questo resistore; il suo valore viene scelto in modo che sia solo un centesimo di Ohm. Quando si utilizzano elementi SMD, può essere composto da 10 resistori da 0,1 Ohm, dimensione 1206, con una potenza di 0,25 W. L'uso di un sensore di corrente con una resistenza così bassa ha comportato l'uso di un amplificatore di segnale da questo sensore. L'amplificatore operazionale DA1.1 del microcircuito LM358N viene utilizzato come amplificatore.

Il guadagno di questo amplificatore è (R3 + R4)/R1 = 100. Pertanto, con un sensore di corrente con una resistenza di 0,01 Ohm, il coefficiente di conversione di questo convertitore corrente-tensione uguale a uno, cioè. Un ampere di corrente di carico equivale a una tensione di 1 V sull'uscita 7 DA1.1. Puoi regolare il Kus con il resistore R3. Con i valori indicati dei resistori R5 e R6, la corrente massima di protezione può essere impostata entro.... Ora contiamo. R5 + R6 = 1 + 10 = 11kOhm. Troviamo la corrente che scorre attraverso questo divisore: I = U/R = 5A/11000Ohm = 0,00045A. Pertanto la tensione massima impostabile al pin 2 di DA1 sarà pari a U = I x R = 0,00045A x 10000 Ohm = 4,5 V. Pertanto la corrente massima di protezione sarà di circa 4,5A.

Comparatore di tensione

Un comparatore di tensione è assemblato sul secondo amplificatore operazionale, che fa parte di questo MS. L'ingresso invertente di questo comparatore è alimentato con una tensione di riferimento regolata dal resistore R6 dallo stabilizzatore DA2. L'ingresso non invertente 3 di DA1.2 è alimentato con tensione amplificata dal sensore di corrente. Il carico del comparatore è circuiti in serie, LED fotoaccoppiatore e resistenza di regolazione dello smorzamento R7. Il resistore R7 imposta la corrente che passa attraverso questo circuito, circa 15 mA.

Funzionamento del circuito

Lo schema funziona come segue. Ad esempio, con una corrente di carico di 3 A, sul sensore di corrente verrà rilasciata una tensione di 0,01 x 3 = 0,03 V. L'uscita dell'amplificatore DA1.1 avrà una tensione pari a 0,03V x 100 = 3V. Se in questo caso, all'ingresso 2 di DA1.2 è presente una tensione di riferimento impostata dal resistore R6, inferiore a tre volt, all'uscita del comparatore 1 apparirà una tensione vicina alla tensione di alimentazione dell'amplificatore operazionale, ad es. cinque volt. Di conseguenza, il LED del fotoaccoppiatore si accenderà. Il tiristore optoaccoppiatore si aprirà e collegherà il gate del transistor ad effetto di campo con la sua sorgente. Il transistor si spegnerà e spegnerà il carico. Riporta il diagramma a lo stato inizialeÈ possibile utilizzare il pulsante SB1 oppure spegnere e riaccendere l'alimentazione.