Схеми захисту блоків живлення. Захист від КЗ на польовому транзисторі. Додаємо реалізм у систему захисту

Сигнал Power Good

Коли ми включаємо напруги на виході не відразу досягають потрібного значення, а приблизно через 0.02 секунди, і щоб виключити подачу зниженої напруги на компоненти ПК, існує спеціальний сигнал"power good", також іноді званий "PWR_OK" або просто "PG", який подається, коли напруги на виходах +12В, +5В і +3.3В досягають діапазону коректних значень. Для подачі цього сигналу виділено спеціальну лінію на ATX роз'єм живлення, що підключається до (№8, сірий провід).

Ще одним споживачем цього сигналу є схема захисту від подачі зниженої напруги (UVP) всередині БП, про яку ще йтиметься – якщо вона буде активна з моменту включення на БП, то вона просто не дасть комп'ютеру включитися, відразу відключаючи БП, оскільки напруги будуть свідомо нижче від номінальних. Тому ця схема включається лише з подачею сигналу Power Good.

Цей сигнал подається схемою моніторингу або ШІМ-контролером (широтно-імпульсна модуляція, що застосовується у всіх сучасних імпульсних БП, через що вони і отримали свою назву, англійська абревіатура - PWM, знайома за сучасними кулерами - для управління їх частотою обертання струм модулюється таким чином.)

Діаграма подачі сигналу Power Good відповідно до специфікації ATX12V.
VAC - вхідна змінна напруга, PS_ON# - сигнал "power on", який подається при натисканні кнопки включення на системному блоці. "O/P" - скорочення для "operating point", тобто. робоче значення. І PWR_OK – це і є сигнал Power Good. T1 менше ніж 500 мс, T2 знаходиться між 0.1 мс і 20 мс, T3 знаходиться між 100 мс і 500 мс, T4 менше або дорівнює 10 мс, T5 більше або дорівнює 16 мс і T6 більше або дорівнює 1 мс.

Захист від подачі зниженої та підвищеної напруги (UVP/OVP)

Захист в обох випадках реалізований за допомогою однієї і тієї ж схеми, що моніторить вихідні напруги +12В, +5В і 3.3В і відключає БП у разі якщо одне з них виявиться вище (OVP - Over Voltage Protection) або нижче (UVP - Under Voltage Protection ) певного значення, яке також називають "точкою спрацьовування". Це основні типи захисту, які в даний час присутні фактично у всіх, більш того стандарт ATX12V вимагає наявності OVP.

Деяку проблему становить те, що і OVP, і UVP зазвичай налаштовані так, що точки спрацьовування знаходяться надто далеко від номінального значення напруги і у випадку з OVP це є прямою відповідністю стандарту ATX12V:

Тобто. можна зробити БП з точкою спрацьовування OVP +12В на 15.6В, або +5В на 7В і він все ще буде сумісний зі стандартом ATX12V.

Такий буде тривалий час видавати, скажімо, 15В замість 12В без спрацьовування захисту, що може призвести до виходу з ладу компонентів ПК.

З іншого боку, стандарт ATX12V чітко обумовлює, що вихідна напруга не повинна відхилятися більш ніж на 5% від номінального значення, але при цьому OVP може бути конфігурована виробником БП на спрацьовування при відхиленні в 30% по лініях +12В і +3.3В 40% – по лінії +5В.

Виробники вибирають значення точок спрацьовування використовуючи ту чи іншу мікросхему моніторингу або ШІМ-контролера, тому що значення цих точок жорстко задані специфікаціями тієї чи іншої конкретної мікросхеми.

Як приклад візьмемо популярну мікросхему моніторингу PS223, яка використовується в деяких, які досі присутні на ринку. Ця мікросхема має такі точки спрацьовування для режимів OVP та UVP:

Інші мікросхеми надають інший набір точок спрацьовування.

І ще раз нагадуємо вам, наскільки далеко від нормальних значень напруги зазвичай налаштовані OVP та UVP. Для того, щоб вони спрацювали, блок живлення повинен опинитися у складній ситуації. Насправді, дешеві БП, які мають крім OVP/UVP інших типів захисту, виходять із ладу раніше, ніж спрацьовує OVP/UVP.

Захист від перевантаження струмом (OCP)

У випадку з цією технологією (англомовна абревіатура OCP - Over Current Protection) є одне питання, яке слід розглянути більш докладно. За міжнародним стандартом IEC 60950-1 у комп'ютерному обладнанні за жодним провідником не повинно передаватися більше 240 Вольт-ампер, що у випадку з постійним струмомдає 240 Ватт. Специфікація ATX12V включає вимогу про захист від перевищення струму у всіх ланцюгах. У разі найбільш навантаженої ланцюгом 12Вольт ми отримуємо максимально допустимий струм в 20Ампер. Звичайно, таке обмеження не дозволяє виготовити БП потужністю більше 300Ват, і для того, щоб його обійти, вихідний ланцюг +12В стали розбивати на дві або більше ліній, кожна з яких мала власну схему захисту від перевантаження струмом. Відповідно, всі висновки БП, що мають +12В контакти, розбиваються на кілька груп за кількістю ліній, у деяких випадках на них навіть наноситься кольорове маркування, щоб адекватно розподіляти навантаження лініями.

Однак у багатьох дешевих БП із заявленими двома лініями +12В на практиці використовується тільки одна схема захисту струму, а всі +12В проводи всередині підключаються до одного виходу. Для того, щоб реалізувати адекватну роботу такої схеми, захист від навантаження по струму спрацьовує не при 20А, а при, наприклад, 40А, і обмеження максимального струму по одному дроту досягається тим, що в реальній системі навантаження +12В завжди розподілена по кількох споживачам та ще більшій кількості проводів.

Більше того, іноді розібратися, чи використовується в даному конкретному БП окремий захист струму для кожної лінії +12В можна, тільки розібравши його і подивившись на кількість і підключення шунтів, що використовуються для вимірювання сили струму (у деяких випадках кількість шунтів може перевищувати кількість ліній, оскільки для вимірювання сили струму однієї лінії можуть використовуватися кілька шунтів).

Ще одним цікавим моментом є те, що на відміну від захисту від підвищеної/зниженої напруги допустимий рівень струму регулюється виробником БП шляхом підпаювання резисторів того чи іншого номіналу до виходів керуючої мікросхеми. А на дешевих БП, незважаючи на вимоги стандарту ATX12V, цей захист може бути встановлений тільки на лінії +3.3В і +5В, або зовсім відсутні.

Захист від перегріву (OTP)

Як випливає з її назви (OTP - Over Temperature Protection), захист від перегріву вимикає блок живлення, якщо температура всередині корпусу досягає певного значення. Їй оснащені далеко не всі блоки живлення.

У блоках живлення можна побачити термістор, прикріплений до радіатора (хоча в деяких БП він може бути припаяний прямо до друкованої плати). Цей термістор з'єднаний із ланцюгом керування швидкістю обертання вентилятора, він не використовується для захисту від перегріву. У БП, обладнаних захистом від перегріву, зазвичай використовується два термістори - один для управління вентилятором, інший, власне для захисту від перегріву.

Захист від короткого замикання (SCP)

Захист від короткого замикання (SCP - Short Circuit Protection) - ймовірно, найстаріша з подібних технологій, тому що її дуже легко реалізувати за допомогою пари транзисторів, не використовуючи мікросхему моніторингу. Цей захист обов'язково присутній у будь-якому БП і відключає його у разі короткого замикання в будь-якому з вихідних ланцюгів, щоб уникнути можливої ​​пожежі.

Інтегральна мікросхема (ІМС) КР142ЕН12А є регульований стабілізаторнапруги компенсаційного типу в корпусі КТ-28-2, який дозволяє живити пристрої струмом до 1,5 А в діапазоні напруги 1,2...37 В. Цей інтегральний стабілізатор має термостабільний захист струму і захист виходу від короткого замикання.

На основі ІМС КР142ЕН12А можна побудувати регульований блокживлення, схема якого (без трансформатора та діодного мосту) показана на рис.2. Випрямлена вхідна напруга подається з діодного моста на конденсатор С1. Транзистор VT2 та мікросхема DA1 повинні розташовуватися на радіаторі.

Тепловідвідний фланець DA1 електрично з'єднаний з висновком 2, тому якщо DAT і транзистор VD2 розташовані одному радіаторі, їх потрібно ізолювати друг від друга.

В авторському варіанті DA1 встановлена ​​на окремому невеликому радіаторі, який гальванічно не пов'язаний з радіатором і транзистором VT2. Потужність, що розсіюється мікросхемою з тепловідведенням, не повинна перевищувати 10 Вт. Резистори R3 і R5 утворюють дільник напруги, що входить до вимірювального елемента стабілізатора. На конденсатор С2 і резистор R2 (служить для підбору термостабільної точки VD1) подається стабілізована негативна напруга -5 В. В авторському варіанті напруга подається від діодного моста КЦ407А і стабілізатора 79L05, що живляться від окремої обмотки силового трансформатора.

Для захистувід замикання вихідного ланцюга стабілізатора достатньо підключити паралельно резистори R3 електролітичний конденсатор ємністю не менше 10 мкФ, а резистор R5 зашунтувати діодом КД521А. Розташування деталей некритично, але хорошої температурної стабільності необхідно застосувати відповідні типи резисторів. Їх треба розташовувати якнайдалі від джерел тепла. Загальна стабільність вихідної напруги складається з багатьох факторів і, зазвичай, не перевищує 0,25% після прогріву.

Після включенняі прогрівання пристрою мінімальна вихідна напруга 0 Встановлюють резистором Rao6. Резистори R2 ( рис.2) та резистор Rno6 ( рис.3) повинні бути багатооборотними підстроювальними із серії СП5.

Можливостіпо струму у мікросхеми КР142ЕН12А обмежені 1,5 А. В даний час у продажу є мікросхеми з аналогічними параметрами, але розраховані на більший струм у навантаженні, наприклад LM350 - на струм 3 A, LM338 - на струм 5 А. Останнім часом у продажу з'явилися імпортні мікросхеми із серії LOW DROP (SD, DV, LT1083/1084/1085). Ці мікросхеми можуть працювати при зниженій напрузі між входом і виходом (до 1... 1,3 В) і забезпечують на виході стабілізовану напругу в діапазоні 1,25...30 при струмі в навантаженні7,5/5/3 А відповідно . Найближчий за параметрами вітчизняний аналогтипу КР142ЕН22 має максимальний струм стабілізації 7,5 А. При максимальному вихідному струмі режим стабілізації гарантується виробником при напрузі вхід-вихід не менше 1,5 В. Мікросхеми також мають вбудований захист від перевищення струму в навантаженні допустимої величини та тепловий захист від перегріву корпусу . Дані стабілізатори забезпечують нестабільність вихідної напруги 0,05%/В, нестабільність вихідної напруги при зміні вихідного струму від 10 мА до максимального значення не гірше 0,1%/В. на рис.4показано схему БП для домашньої лабораторії, що дозволяє обійтися без транзисторів VT1 і VT2, показаних на рис.2.

Замість мікросхеми DA1 КР142ЕН12А застосовано мікросхему КР142ЕН22А. Це регульований стабілізатор з малим падінням напруги, що дозволяє отримати в навантаженні струм до 7,5 А. Наприклад, вхідна напруга, що подається на мікросхему, Uin=39, вихідна напруга на навантаженні Uout=30, струм на навантаженні louf=5 А, тоді максимальна потужність, що розсіюється мікросхемою, на навантаженні становить 45 Вт. Електролітичний конденсатор С7 застосовується для зниження вихідного імпедансу на високих частотах, а також знижує рівень напруги шумів та покращує згладжування пульсацій. Якщо цей танталовий конденсатор, то його номінальна ємність повинна бути не менше 22 мкФ, якщо алюмінієвий - не менше 150 мкФ. За потреби ємність конденсатора С7 можна збільшити. Якщо електролітичний конденсатор С7 розташований на відстані більше 155 мм і з'єднаний з БП проводом перетином менше 1 мм, тоді на платі паралельно конденсатору С7, близько до самої мікросхеми, встановлюють додатковий електролітичний конденсатор ємністю не менше 10мкФ. Ємність конденсатора фільтра С1 можна визначити приблизно з розрахунку 2000 мкФ на 1 А вихідного струму (при напрузі не менше 50 В). Для зниження температурного дрейфу вихідної напруги резистор R8 повинен бути або дротяний або металофольгований з похибкою не гірше 1%. Резистор R7 того самого типу, що і R8. Якщо стабілітрона КС113А в наявності немає, можна застосувати вузол, показаний на рис.3.Схемне рішення захисту, наведене в , автора цілком влаштовує, оскільки працює безвідмовно та перевірено на практиці. Можна використовувати будь-які схемні рішення захисту БП, наприклад, запропоновані в . В авторському варіанті при спрацьовуванні реле К1 замикаються контакти К 1.1, закорочуючи резистор R7, і напруга на виході БП стає 0. Друкована платаБП та розташування елементів показані на рис.5, зовнішній виглядБП - на рис.6.

Багато саморобних блоків мають такий недолік, як відсутність захисту від переполюсування живлення. Навіть досвідчена людина може через неуважність переплутати полярність харчування. І є велика ймовірність, що після цього зарядний пристрійприйде в непридатність.

У цій статті буде розглянуто 3 варіанти захисту від переполюсування, які працюють безвідмовно та не вимагають жодної налагодження.

Варіант 1

Цей захист найбільш простий і відрізняється від аналогічних тим, що в ньому не використовуються жодні транзистори або мікросхеми. Реле, діодна розв'язка – і всі її компоненти.

Працює схема в такий спосіб. Мінус у схемі загальний, тому буде розглянуто плюсовий ланцюг.

Якщо акумулятор не підключений, реле знаходиться в розімкнутому стані. При підключенні акумулятора плюс надходить через діод VD2 на обмотку реле, внаслідок чого контакт реле замикається і основний струм заряду протікає на акумулятор.

Одночасно спалахує зелений світлодіодний індикатор, що свідчить про те, що підключення правильне.

І якщо тепер прибрати акумулятор, то на виході схеми буде напруга, оскільки струм від зарядного пристрою буде надходити через діод VD2 на обмотку реле.

Якщо переплутати полярність підключення, діод VD2 виявиться замкнений і на обмотку реле не надійде живлення. Реле не спрацює.

У цьому випадку спалахне червоний світлодіод, який навмисне підключений неправильним чином. Він свідчитиме про те, що порушена полярність підключення акумулятора.

Діод VD1 захищає ланцюг від самоіндукції, що виникає при відключенні реле.

У разі впровадження такого захисту , варто взяти реле на 12 В. Допустимий струм реле залежить тільки від потужності . У середньому варто використовувати реле на 15-20 А.

Ця схема досі не має аналогів за багатьма параметрами. Вона одночасно захищає і від переполюсування живлення, і від короткого замикання.

Принцип роботи цієї схеми є наступним. При нормальному режимі роботи плюс джерела живлення через світлодіод і резистор R9 відкриває польовий транзистор, і мінус через відкритий перехід «польовика» надходить на вихід схеми до акумулятора.

При переполюсуванні або короткому замиканні струм у ланцюзі різко зростає, внаслідок чого утворюється падіння напруги на «польовику» та на шунті. Таке падіння напруга достатньо спрацьовування малопотужного транзистора VT2. Відкриваючись, останній замикає польовий транзистор, замикаючи затвор із масою. Одночасно спалахує світлодіод, оскільки живлення для нього забезпечується відкритим переходом транзистора VT2.

Через високу швидкість реагування ця схема гарантовано захистить за будь-якої проблеми на виході.

Схема дуже надійна у роботі і здатна залишатися у стані захисту нескінченно довгий час.

Це особливо проста схема, Яку навіть схемою важко назвати, оскільки в ній використано всього 2 компоненти. Це потужний діод та запобіжник. Цей варіант цілком життєздатний і навіть застосовується у промислових масштабах.

Живлення із зарядного пристрою через запобіжник надходить на акумулятор. Запобіжник підбирається, виходячи з максимального струму зарядки. Наприклад, якщо струм 10 А, запобіжник потрібен на 12-15 А.

Діод підключений паралельно і закритий при нормальній роботі. Але якщо переплутати полярність, діод відкриється і станеться коротке замикання.

А запобіжник – це слабка ланка в цій схемі, яка згорить у ту саму мить. Його після цього доведеться міняти.

Діод слід підбирати за даташитом виходячи з того, що його максимальний короткочасний струмбув у кілька разів більше струму згоряння запобіжника.

Така схема не забезпечує стовідсотковий захист, оскільки траплялися випадки, коли зарядний пристрій згоряло швидше запобіжника.

Підсумок

З погляду ККД, перша схема краща за інші. Але з погляду універсальності та швидкості реагування, найкращий варіант – це схема 2. Ну а третій варіант часто застосовується у промислових масштабах. Такий варіант захисту можна побачити, наприклад, на будь-якому автомагнітолі.

Усі схеми, крім останньої, мають функцію самовідновлення, тобто робота відновиться, як тільки буде прибрано коротке замикання або зміниться полярність підключення акумулятора.

Прикріплені файли:

Як зробити простий Повір Банк своїми руками: схема саморобного power bank

Сучасні потужні перемикальні транзистори мають дуже маленькі опори сток-витік у відкритому стані, це забезпечує мале падіння напруги при проходженні через цю структуру великих струмів. Ця обставина дозволяє використовувати такі транзистори в електронних запобіжниках.

Наприклад, транзистор IRL2505 має опір стік-витік, при напрузі витік-затвор 10В, всього 0,008 Ом. При струмі 10А кристалі такого транзистора буде виділятися потужність P=I² R; P = 1010 0,008 = 0,8Вт. Це говорить про те, що при даному струмі можна встановлювати транзистор без застосування радіатора. Хоча я завжди намагаюся ставити бодай невеликі тепловідведення. Це часто дозволяє захистити транзистор від теплового пробою при позаштатних ситуаціях. Цей транзистор застосований у схемі захисту, описаної у статті « ». При необхідності можна застосувати радіоелементи для поверхневого монтажу і зробити пристрій у вигляді невеликого модуля. Схема пристрою представлена ​​малюнку 1. Вона розраховувалася струм до 4А.

Схема електронного запобіжника

У даній схемі як ключ використаний польовий транзистор з р каналом IRF4905, що має опір у відкритому стані 0,02 Ом, при напрузі на затворі = 10В.

У принципі, цією величиною обмежується і мінімальна напруга живлення даної схеми. При струмі стоку, що дорівнює 10А, на ньому виділятиметься потужність 2 Вт, що спричинить необхідність встановлення невеликого тепловідведення. Максимальна напруга затвор-витік у цього транзистора дорівнює 20В, тому для запобігання пробою структури затвор-витік, в схему введений стабілітрон VD1, в якості якого можна застосувати будь-який стабілітрон з напругою стабілізації 12 вольт. Якщо напруга на вході схеми буде менше 20В то стабілітрон зі схеми можна видалити. У разі встановлення стабілітрону, можливо, знадобиться корекція величини резистора R8. R8 = (Uпіт - Uст) / Iст; Де Uпіт – напруга на вході схеми, Uст – напруга стабілізації стабілітрона, Iст – струм стабілітрона. Наприклад, Uпіт = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12) / 0,005 = 4600 Ом.

Перетворювач струм - напруги

Як датчик струму в схемі застосований резистор R2, щоб зменшити потужність, що виділяється на цьому резисторі, його номінал обраний всього в одну соту Ома. При використанні SMD елементів можна скласти з 10 резисторів по 0,1 Ом типорозміру 1206, що мають потужність 0,25Вт. Застосування датчика струму з таким малим опір спричинило застосування підсилювача сигналу з цього датчика. Як підсилювач застосований ОУ DA1.1 мікросхеми LM358N.

Коефіцієнт посилення цього підсилювача дорівнює (R3 + R4)/R1 = 100. Таким чином, з датчиком струму, що має опір 0,01 Ом, коефіцієнт перетворення даного перетворювача струм - напруги дорівнює одиниці, тобто. одному амперу струму навантаження дорівнює напруга величиною 1В на виході 7DA1.1. Коригувати Кус можна резистором R3. При зазначених номіналах резисторів R5 та R6, максимальний струм захисту можна встановити в межах… . Зараз порахуємо. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Знайдемо струм, що протікає через цей дільник: I = U/R = 5А/11000 Ом = 0,00045А. Звідси, максимальна напруга, яку можна виставити на виводі 2 DA1, дорівнюватиме U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B. Таким чином, максимальний струм захисту дорівнюватиме приблизно 4,5А.

Компаратор напруги

На другому ОУ, що входить до складу цієї МС, зібраний компаратор напруги. На інвертуючий вхід цього компаратора подана регульована резистором R6 опорна напруга зі стабілізатора DA2. На неінвертуючий вхід 3 DA1.2 подається посилена напруга датчика струму. Навантаження компаратора служить послідовний ланцюг, світлодіод оптрона і регулювальний резистор R7, що гасить. Резистором R7 виставляють струм, що проходить через цей ланцюг, близько 15 мА.

Робота схеми

Працює схема в такий спосіб. Наприклад, при струмі навантаження 3А, на датчику струму виділиться напруга 0,01 х 3 = 0,03В. На виході підсилювача DA1.1 буде напруга, що дорівнює 0,03 х 100 = 3в. Якщо в даному випадку на вході 2 DA1.2 присутня опорна напруга виставлена ​​резистором R6 менше трьох вольт, то на виході компаратора 1 з'явиться напруга близька до напруги живлення ОУ, тобто. п'ять вольт. В результаті засвітяться світлодіод оптрону. Відкриється тиристор оптрона і зашунтує затвор польового транзистора з його початком. Транзистор закриється та відключить навантаження. Повернути схему до вихідний станможна кнопкою SB1 або вимкненням та повторним включенням БП.