Strömförsörjningsskyddskretsar. Kortslutningsskydd på fälteffekttransistor. Tillför realism till säkerhetssystemet

Effekt Bra signal

När vi slår på når utgångsspänningarna inte omedelbart det önskade värdet, men efter ca 0,02 sekunder, och för att förhindra tillförsel av reducerad spänning till PC-komponenterna finns det speciell signal"power good", även ibland kallad "PWR_OK" eller helt enkelt "PG", som appliceras när spänningarna vid +12V, +5V och +3,3V utgångarna når rätt område. För att leverera denna signal är en speciell linje allokerad på ATX-strömkontakten som är ansluten till (nr 8, grå ledning).

En annan konsument av denna signal är underspänningsskyddskretsen (UVP) inuti strömförsörjningen, som kommer att diskuteras senare - om den är aktiv från det ögonblick den slås på på strömförsörjningen, kommer den helt enkelt inte att tillåta datorn att slå på , omedelbart stänga av strömförsörjningen, eftersom spänningarna uppenbarligen kommer att vara under nominellt. Därför slås denna krets på endast när Power Good-signalen appliceras.

Denna signal levereras av en övervakningskrets eller en PWM-kontroller (pulsbreddsmodulering används i alla moderna switchande strömförsörjningar, varför de fick sitt namn, den engelska förkortningen är PWM, bekant från moderna kylare - för att styra deras rotationshastighet som levereras till dem moduleras strömmen på liknande sätt.)

Effekt Bra signalleveransdiagram enligt ATX12V-specifikationen.
VAC är den inkommande växelspänningen, PS_ON# är "power on"-signalen, som sänds när strömknappen på systemenheten trycks in. "O/P" är en förkortning för "operating point", dvs. arbetsvärde. Och PWR_OK är Power Good-signalen. T1 är mindre än 500 ms, T2 är mellan 0,1 ms och 20 ms, T3 är mellan 100 ms och 500 ms, T4 är mindre än eller lika med 10 ms, T5 är större än eller lika med 16 ms och T6 är större än eller lika med 1 ms.

Underspännings- och överspänningsskydd (UVP/OVP)

Skydd i båda fallen implementeras med samma krets som övervakar utspänningarna +12V, +5V och 3,3V och stänger av strömförsörjningen om en av dem är högre (OVP - Överspänningsskydd) eller lägre (UVP - Underspänningsskydd ) ett visst värde, som också kallas "triggerpunkten". Dessa är huvudtyperna av skydd som för närvarande finns i praktiskt taget alla enheter, dessutom kräver ATX12V-standarden OVP.

Lite av ett problem är att både OVP och UVP vanligtvis är konfigurerade med triggerpunkter för långt från det nominella spänningsvärdet och i fallet med OVP är detta en direkt matchning till ATX12V-standarden:

De där. du kan göra en strömförsörjning med en OVP-triggerpunkt på +12V vid 15,6V, eller +5V vid 7V och den kommer fortfarande att vara kompatibel med ATX12V-standarden.

Detta kommer att producera, säg, 15V istället för 12V under lång tid utan att utlösa skyddet, vilket kan leda till fel på PC-komponenter.

Å andra sidan föreskriver ATX12V-standarden tydligt att utspänningarna inte bör avvika mer än 5% från det nominella värdet, men OVP kan konfigureras av nätaggregatstillverkaren att fungera med en avvikelse på 30% längs +12V och + 3,3V-ledningar och 40% - längs +5V-linjen.

Tillverkare väljer värdena för triggerpunkterna med ett eller annat övervakningschip eller PWM-kontroller, eftersom värdena för dessa punkter är strikt definierade av specifikationerna för ett visst chip.

Som ett exempel, låt oss ta det populära PS223-övervakningschippet, som används i vissa som fortfarande finns på marknaden. Detta chip har följande triggerpunkter för OVP- och UVP-lägen:

Andra marker ger en annan uppsättning triggerpunkter.

Och återigen påminner vi dig om hur långt från normala spänningsvärden OVP och UVP vanligtvis är konfigurerade. För att de ska fungera måste strömförsörjningen vara i en mycket svår situation. I praktiken misslyckas billiga nätaggregat som inte har andra typer av skydd förutom OVP/UVP innan OVP/UVP utlöses.

Överströmsskydd (OCP)

När det gäller denna teknik (den engelska förkortningen OCP är Överström Skydd) finns det en fråga som bör övervägas mer i detalj. Enligt den internationella standarden IEC 60950-1 får ingen enskild ledare i datorutrustning bära mer än 240 volt-ampere, vilket är fallet med DC ger 240 watt. ATX12V-specifikationen inkluderar ett krav på överströmsskydd på alla kretsar. När det gäller den mest belastade 12V-kretsen får vi en maximalt tillåten ström på 20Ampere. Naturligtvis tillåter inte en sådan begränsning produktion av en strömförsörjning med en effekt på mer än 300 watt, och för att komma runt den började +12V-utgångskretsen delas upp i två eller flera linjer, som var och en hade sin egen överströmsskyddskrets. Följaktligen är alla strömförsörjningsstift som har +12V-kontakter indelade i flera grupper efter antalet linjer, i vissa fall är de till och med färgkodade för att adekvat fördela belastningen över linjerna.

Men i många billiga nätaggregat med angivna två +12V-ledningar används i praktiken endast en strömskyddskrets, och alla +12V-ledningar inuti ansluts till en utgång. För att implementera adekvat drift av en sådan krets utlöses strömbelastningsskyddet inte vid 20A, utan vid till exempel 40A, och begränsningen av den maximala strömmen på en tråd uppnås genom det faktum att i ett verkligt system +12V belastning fördelas alltid på flera konsumenter och ännu fler ledningar.

Dessutom kan du ibland ta reda på om en viss strömförsörjningsenhet använder separat strömskydd för varje +12V-ledning endast genom att ta isär den och titta på antalet och anslutningen av shuntar som används för att mäta strömmen (i vissa fall kan antalet shuntar överstiga antalet linjer, eftersom flera shuntar kan användas för att mäta ström på en linje).

En annan intressant punkt är att, i motsats till över-/underspänningsskydd, regleras den tillåtna strömnivån av strömförsörjningstillverkaren av lödmotstånd av ett eller annat värde till styrmikrokretsens utgångar. Och på billiga strömförsörjningar, trots kraven i ATX12V-standarden, kan detta skydd endast installeras på +3,3V och +5V-linjerna, eller saknas helt.

Övertemperaturskydd (OTP)

Som namnet antyder (OTP - Over Temperature Protection), stänger överhettningsskyddet av strömförsörjningen om temperaturen inuti dess fodral når ett visst värde. Inte alla nätaggregat är utrustade med det.

I nätaggregat kan du se en termistor som är ansluten till kylflänsen (även om den i vissa nätaggregat kan vara fastlödd direkt på kretskortet). Denna termistor är ansluten till fläkthastighetskontrollkretsen och används inte för överhettningsskydd. I nätaggregat utrustade med överhettningsskydd används vanligtvis två termistorer - en för att styra fläkten, den andra för att faktiskt skydda mot överhettning.

Kortslutningsskydd (SCP)

Short Circuit Protection (SCP) är förmodligen den äldsta av dessa teknologier eftersom det är mycket enkelt att implementera med ett par transistorer, utan att använda ett övervakningschip. Detta skydd är nödvändigtvis närvarande i alla strömförsörjningar och stänger av det i händelse av en kortslutning i någon av utgångskretsarna, för att undvika en eventuell brand.

Integrerad krets (IC) KR142EN12A är justerbar stabilisator spänningskompensationstyp i KT-28-2-höljet, vilket gör att du kan driva enheter med en ström på upp till 1,5 A i spänningsområdet 1,2...37 V. Denna integrerade stabilisator har termiskt stabilt strömskydd och utgående kortslutningsskydd .

Baserat på KR142EN12A IC kan du bygga justerbart block strömförsörjning, vars krets (utan transformator och diodbrygga) visas i Fig.2. Den likriktade inspänningen tillförs från diodbryggan till kondensatorn Cl. Transistor VT2 och chip DA1 bör placeras på kylaren.

Kylfläns DA1 är elektriskt ansluten till stift 2, så om DAT och transistor VD2 är placerade på samma kylfläns måste de isoleras från varandra.

I författarens version är DA1 installerad på en separat liten radiator, som inte är galvaniskt ansluten till radiatorn och transistorn VT2. Effekten som avges av ett chip med kylfläns bör inte överstiga 10 W. Motstånd R3 och R5 bildar en spänningsdelare som ingår i stabilisatorns mätelement. En stabiliserad negativ spänning på -5 V tillförs kondensator C2 och motstånd R2 (används för att välja den termiskt stabila punkten VD1) I originalversionen tillförs spänningen från diodbryggan KTs407A och 79L05-stabilisatorn, som drivs från en separat lindning av krafttransformatorn.

För vakt från att stänga stabilisatorns utgångskrets räcker det att ansluta en elektrolytisk kondensator med en kapacitet på minst 10 μF parallellt med motståndet R3 och shuntmotståndet R5 med en KD521A-diod. Placeringen av delarna är inte kritisk, men för god temperaturstabilitet är det nödvändigt att använda lämpliga typer av motstånd. De bör placeras så långt som möjligt från värmekällor. Den totala stabiliteten för utspänningen består av många faktorer och överstiger vanligtvis inte 0,25 % efter uppvärmning.

Efter att ha slagits på och värma upp enheten, den lägsta utspänningen på 0 V ställs in med motståndet Rao6. Motstånd R2 ( Fig.2) och motstånd Rno6 ( Fig.3) måste vara flervarvstrimmer från SP5-serien.

Möjligheter strömmen för mikrokretsen KR142EN12A är begränsad till 1,5 A. För närvarande finns det mikrokretsar till försäljning med liknande parametrar, men utformade för en högre ström i belastningen, till exempel LM350 - för en ström på 3 A, LM338 - för en ström på 5 A. Nyligen till försäljning dök upp importerade mikrokretsar från LOW DROP-serien (SD, DV, LT1083/1084/1085). Dessa mikrokretsar kan arbeta med en reducerad spänning mellan ingång och utgång (upp till 1...1,3 V) och ge en stabiliserad utspänning i området 1,25...30 V vid en belastningsström på 7,5/5/3 A, respektive. Närmast i parametrar inhemsk analog typ KR142EN22 har en maximal stabiliseringsström på 7,5 A. Vid maximal utström garanteras stabiliseringsläget av tillverkaren vid en in-/utgångsspänning på minst 1,5 V. Mikrokretsarna har även inbyggt skydd mot överström i belastning av det tillåtna värdet och termiskt skydd mot överhettning av höljet. Dessa stabilisatorer ger utspänningsinstabilitet på 0,05%/V, utspänningsinstabilitet när utströmmen ändras från 10 mA till ett maximalt värde på inte sämre än 0,1%/V. På Fig.4 visar en strömförsörjningskrets för ett hemlaboratorium, som låter dig klara dig utan transistorerna VT1 och VT2, som visas i Fig.2.

Istället för DA1 KR142EN12A mikrokretsen användes mikrokretsen KR142EN22A. Detta är en justerbar stabilisator med lågt spänningsfall, vilket gör att du kan få en ström på upp till 7,5 A i lasten. Till exempel är ingångsspänningen som tillförs mikrokretsen Uin = 39 V, utspänning vid lasten Uout = 30 V, ström vid belastningsluckan = 5 A, då är den maximala effekten som avges av mikrokretsen vid belastningen 45 W. Elektrolytisk kondensator C7 används för att minska utgångsimpedansen vid höga frekvenser, och minskar även brusspänningen och förbättrar rippelutjämningen. Om denna kondensator är tantal, måste dess nominella kapacitet vara minst 22 μF, om aluminium - minst 150 μF. Vid behov kan kapacitansen hos kondensatorn C7 ökas. Om elektrolytkondensatorn C7 är placerad på ett avstånd av mer än 155 mm och är ansluten till strömförsörjningen med en tråd med ett tvärsnitt på mindre än 1 mm, är en extra elektrolytisk kondensator med en kapacitet på minst 10 μF installerad på kortet parallellt med kondensatorn C7, närmare själva mikrokretsen. Kapacitansen för filterkondensatorn C1 kan bestämmas ungefär med hastigheten 2000 μF per 1 A utström (vid en spänning på minst 50 V). För att reducera temperaturdriften hos utspänningen måste motståndet R8 vara antingen trådlindat eller metallfolie med ett fel som inte är värre än 1 %. Motstånd R7 är samma typ som R8. Om KS113A zenerdioden inte är tillgänglig kan du använda enheten som visas i Fig.3. Författaren är ganska nöjd med skyddskretslösningen som ges i, eftersom den fungerar felfritt och har testats i praktiken. Du kan använda alla lösningar för strömförsörjningsskydd, till exempel de som föreslås i. I författarens version, när reläet K1 utlöses, stänger kontakterna K 1.1, kortslutningsmotståndet R7, och spänningen på strömförsörjningens utgång blir 0 V. Tryckt kretskort Strömförsörjningsenheten och platsen för elementen visas i fig. 5, utseende BP - på Fig. 6.

Många hemmagjorda enheter har nackdelen att de saknar skydd mot omvänd polaritet. Även en erfaren person kan oavsiktligt förvirra strömförsörjningens polaritet. Och det är stor sannolikhet att efter detta Laddare kommer att förfalla.

Denna artikel kommer att diskutera 3 alternativ för omvänd polaritetsskydd, som fungerar felfritt och inte kräver någon justering.

Alternativ 1

Detta skydd är det enklaste och skiljer sig från liknande genom att det inte använder några transistorer eller mikrokretsar. Reläer, diodisolering - det är alla dess komponenter.

Schemat fungerar enligt följande. Minus i kretsen är vanligt, så den positiva kretsen kommer att beaktas.

Om det inte finns något batteri anslutet till ingången är reläet i öppet läge. När batteriet är anslutet tillförs plus via dioden VD2 till relälindningen, vilket resulterar i att reläkontakten sluter och huvudladdningsströmmen flyter till batteriet.

Samtidigt lyser den gröna LED-indikatorn, vilket indikerar att anslutningen är korrekt.

Och om du nu tar bort batteriet, kommer det att finnas spänning vid utgången av kretsen, eftersom strömmen från laddaren kommer att fortsätta att flyta genom VD2-dioden till relälindningen.

Om anslutningens polaritet är omvänd, kommer VD2-dioden att låsas och ingen ström tillförs relälindningen. Reläet fungerar inte.

I detta fall kommer den röda lysdioden att tändas, som avsiktligt är felaktigt ansluten. Det kommer att indikera att polariteten på batterianslutningen är felaktig.

Diod VD1 skyddar kretsen från självinduktion som uppstår när reläet stängs av.

Om sådant skydd införs i , det är värt att ta ett 12 V relä. Reläets tillåtna ström beror bara på effekten . I genomsnitt är det värt att använda ett 15-20 A relä.

Detta schema har fortfarande inga analoger i många avseenden. Den skyddar samtidigt mot effektomkastning och kortslutning.

Funktionsprincipen för detta schema är följande. Under normal drift öppnar pluset från strömkällan genom lysdioden och motståndet R9 fälteffekttransistorn, och minus genom den öppna korsningen av "fältomkopplaren" går till kretsens utgång till batteriet.

När en polaritetsomkastning eller kortslutning inträffar ökar strömmen i kretsen kraftigt, vilket resulterar i ett spänningsfall över "fältomkopplaren" och över shunten. Detta spänningsfall är tillräckligt för att trigga lågeffekttransistorn VT2. När den öppnas, stänger den senare fälteffekttransistorn och stänger porten till jord. Samtidigt lyser LED-lampan, eftersom ström för den tillhandahålls av den öppna korsningen av transistor VT2.

På grund av sin höga svarshastighet är denna krets garanterat skyddad för eventuella problem vid utgången.

Kretsen är mycket tillförlitlig i drift och kan förbli i skyddat tillstånd på obestämd tid.

Det här är speciellt enkel krets, som knappast ens kan kallas en krets, eftersom den bara använder 2 komponenter. Detta är en kraftfull diod och säkring. Detta alternativ är ganska lönsamt och används till och med i industriell skala.

Ström från laddaren tillförs batteriet genom säkringen. Säkringen väljs utifrån den maximala laddningsströmmen. Till exempel, om strömmen är 10 A, så behövs en 12-15 A säkring.

Dioden är parallellkopplad och stängd när normal drift. Men om polariteten vänds öppnas dioden och en kortslutning uppstår.

Och säkringen är den svaga länken i denna krets, som kommer att brinna ut i samma ögonblick. Efter detta måste du ändra det.

Dioden bör väljas enligt databladet baserat på det faktum att dess maximala kortvarig ström var flera gånger större än säkringens förbränningsström.

Detta schema ger inte 100% skydd, eftersom det har funnits fall då laddaren brändes ut snabbare än säkringen.

Slutsats

Ur effektivitetssynpunkt är det första systemet bättre än de andra. Men ur synvinkeln av mångsidighet och svarshastighet är det bästa alternativet schema 2. Tja, det tredje alternativet används ofta i industriell skala. Den här typen av skydd kan till exempel ses på vilken bilradio som helst.

Alla kretsar, utom den sista, har en självläkande funktion, det vill säga att driften återställs så snart kortslutningen avlägsnas eller batterianslutningens polaritet ändras.

Bifogade filer:

Hur man gör en enkel Power Bank med dina egna händer: diagram över en hemmagjord powerbank

Moderna kraftomkopplingstransistorer har mycket låga drain-source-resistanser när de är på, vilket säkerställer lågt spänningsfall när stora strömmar passerar genom denna struktur. Denna omständighet tillåter användning av sådana transistorer i elektroniska säkringar.

Till exempel har IRL2505-transistorn ett drain-source-resistans, med en source-gate-spänning på 10V, endast 0,008 Ohm. Vid en ström på 10A kommer effekten P=I²R att frigöras på kristallen hos en sådan transistor; P = 10 10 0,008 = 0,8 W. Detta tyder på att transistorn vid en given ström kan installeras utan att använda en radiator. Fast jag försöker alltid installera åtminstone små kylflänsar. I många fall låter detta dig skydda transistorn från termiskt sammanbrott i nödsituationer. Denna transistor används i skyddskretsen som beskrivs i artikeln "". Om det behövs kan du använda ytmonterade radioelement och göra enheten i form av en liten modul. Enhetsdiagrammet visas i figur 1. Det beräknades för en ström på upp till 4A.

Elektroniskt säkringsdiagram

I denna krets används en fälteffekttransistor med en p-kanal IRF4905 som nyckel, med en öppen resistans på 0,02 Ohm, med en grindspänning = 10V.

I princip begränsar detta värde även den lägsta matningsspänningen för denna krets. Med en dräneringsström på 10A kommer den att generera en effekt på 2 W, vilket kommer att medföra behovet av att installera en liten kylfläns. Den maximala gate-source-spänningen för denna transistor är 20V, därför, för att förhindra sammanbrott av gate-source-strukturen, införs en zenerdiod VD1 i kretsen, som kan användas som vilken zenerdiod som helst med en stabiliseringsspänning på 12 volt. Om spänningen vid kretsens ingång är mindre än 20V, kan zenerdioden tas bort från kretsen. Om du installerar en zenerdiod kan du behöva justera värdet på motståndet R8. R8 = (Upit - Ust)/Ist; Där Upit är spänningen vid kretsens ingång, Ust är stabiliseringsspänningen för zenerdioden, Ist är zenerdiodens ström. Till exempel, Upit = 35V, Ust = 12V, Ist = 0,005A. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ohm.

Ström-spänningsomvandlare

Motstånd R2 används som en strömsensor i kretsen för att minska effekten som frigörs av detta motstånd, dess värde väljs till endast en hundradels ohm. Vid användning av SMD-element kan den bestå av 10 motstånd på 0,1 Ohm, storlek 1206, med en effekt på 0,25 W. Användningen av en strömsensor med så lågt motstånd innebar användning av en signalförstärkare från denna sensor. OP-förstärkaren DA1.1 i mikrokretsen LM358N används som förstärkare.

Förstärkningen för denna förstärkare är (R3 + R4)/R1 = 100. Således, med en strömsensor som har ett motstånd på 0,01 Ohm, är omvandlingskoefficienten för denna ström-spänningsomvandlare lika med ett, dvs. En ampere belastningsström är lika med en spänning på 1V vid utgång 7 DA1.1. Du kan justera Kus med motstånd R3. Med de indikerade värdena för motstånden R5 och R6 kan den maximala skyddsströmmen ställas in inom ... Nu ska vi räkna. R5 + R6 = 1 + 10 = 11kOhm. Låt oss hitta strömmen som flyter genom denna delare: I = U/R = 5A/11000Ohm = 0,00045A. Följaktligen kommer den maximala spänningen som kan ställas in på stift 2 på DA1 att vara lika med U = I x R = 0,00045A x 10000 Ohm = 4,5 V. Den maximala skyddsströmmen blir alltså ungefär 4,5A.

Spänningsjämförare

En spänningskomparator är monterad på den andra op-amp, som är en del av denna MS. Den inverterande ingången på denna komparator matas med en referensspänning som regleras av motståndet R6 från stabilisatorn DA2. Icke-inverterande ingång 3 på DA1.2 matas med förstärkt spänning från strömgivaren. Komparatorbelastningen är seriekrets, optokopplar-LED och dämpningsjusteringsmotstånd R7. Motstånd R7 ställer in strömmen som passerar genom denna krets, cirka 15 mA.

Kretsdrift

Schemat fungerar enligt följande. Till exempel, med en belastningsström på 3A, kommer en spänning på 0,01 x 3 = 0,03V att frigöras vid strömsensorn. Utgången från förstärkaren DA1.1 kommer att ha en spänning lika med 0,03V x 100 = 3V. Om det i detta fall finns en referensspänning som ställs in av motståndet R6 på ingång 2 på DA1.2, mindre än tre volt, så kommer en spänning vid utgången av komparator 1 att visas nära matningsspänningen för op-ampen, dvs. fem volt. Som ett resultat kommer optokopplarens LED att tändas. Optokopplartyristorn kommer att öppna och överbrygga grinden till fälteffekttransistorn med dess källa. Transistorn stängs av och stänger av belastningen. Återgå diagrammet till initialtillståndet Du kan använda SB1-knappen eller stänga av strömförsörjningen och slå på den igen.