Ochrana proti prepätiu pre napájacie zdroje

Ochrana proti prepätiu napájacieho zdroja je skutočne užitočná - niektoré poruchy PSU môžu spôsobiť poškodenie zariadenia s vysokým napätím. Ochrana proti prepätiu zabraňuje tomu, aby sa to stalo na lineárnych regulátoroch a spínaných zdrojoch napájania.

Hoci moderné napájacie zdroje sú teraz veľmi spoľahlivé, vždy existuje malá, ale reálna šanca, že môžu zlyhať.

Môžu zlyhať mnohými spôsobmi a obzvlášť znepokojujúcou možnosťou je, že sériový priepustný prvok, tj hlavný priepustný tranzistor alebo FET, môže zlyhať takým spôsobom, že dôjde ku skratu. Ak k tomu dôjde, na obvode, ktorý je napájaný, by sa mohlo objaviť veľmi veľké napätie, ktoré sa často označuje ako prepätie, čo môže spôsobiť katastrofálne poškodenie celého zariadenia.

Pridaním troch dodatočných ochranných obvodov vo forme ochrany proti prepätiu je možné chrániť sa pred touto nepravdepodobnou, ale katastrofickou možnosťou.

Väčšina napájacích zdrojov navrhnutých pre veľmi spoľahlivú prevádzku vysokohodnotných zariadení bude obsahovať určitú formu prepäťovej ochrany, aby sa zabezpečilo, že akékoľvek zlyhanie napájacieho zdroja nepovedie k poškodeniu napájaného zariadenia. To platí ako pre lineárne napájacie zdroje, tak aj pre spínané zdroje.

Niektoré napájacie zdroje nemusia obsahovať prepäťovú ochranu a nemali by sa používať na napájanie drahých zariadení - je možné urobiť malý návrh elektronického obvodu a vyvinúť malý obvod prepäťovej ochrany a pridať ho ako ďalšiu položku.

Základy ochrany proti prepätiu

Existuje mnoho spôsobov, ako môže napájací zdroj zlyhať. Aby sme však porozumeli trochu viac prepäťovej ochrane a problémom s obvodmi, je ľahké vziať si jednoduchý príklad lineárneho regulátora napätia pomocou veľmi jednoduchej Zenerovej diódy a sériového tranzistora.

Základný sériový regulátor využívajúci zenerovu diódu a emitorový sledovač

Aj keď komplikovanejšie zdroje poskytujú lepší výkon, spoliehajú sa tiež na sériový tranzistor, ktorý prechádza výstupným prúdom. Hlavným rozdielom je spôsob, akým je napätie regulátora privedené na bázu tranzistora.

Typicky je vstupné napätie také, že na prvku sériového regulátora napätia klesá niekoľko voltov. To umožňuje sériovému tranzistoru primerane regulovať výstupné napätie. Pokles napätia cez sériový tranzistor je často relatívne vysoký - pre 12 voltové napájanie môže byť vstup 18 voltov ešte viac, aby sa dosiahla požadovaná regulácia a potlačenie zvlnenia atď.

To znamená, že v prvku regulátora napätia môže byť značná úroveň rozptýleného tepla a v kombinácii s akýmikoľvek prechodnými špičkami, ktoré by sa mohli objaviť na vstupe, to znamená, že vždy existuje možnosť zlyhania.

Tranzistorové sériové zariadenie by zvyčajne zlyhalo v stave otvoreného obvodu, ale za určitých okolností môže tranzistor spôsobiť skrat medzi kolektorom a emitorom. Ak k tomu dôjde, potom sa na výstupe regulátora napätia objaví plné neregulované vstupné napätie.

Ak by sa na výstupe objavilo plné napätie, mohlo by to poškodiť mnohé integrované obvody, ktoré sú v napájanom obvode. V tomto prípade by okruh mohol byť mimo ekonomickej opravy.

Spôsob, akým fungujú spínacie regulátory, je veľmi odlišný, existujú však okolnosti, za ktorých by sa na výstupe napájacieho zdroja mohol objaviť plný výkon.

Pre lineárne regulované napájacie zdroje aj spínané napájacie zdroje sa vždy odporúča určitá forma ochrany proti prepätiu.

Typy prepäťovej ochrany

Ako pri mnohých elektronických technikách existuje niekoľko spôsobov implementácie konkrétnej schopnosti. To platí pre ochranu proti prepätiu.

Existuje niekoľko rôznych techník, ktoré možno použiť, pričom každá má svoje vlastné charakteristiky. Výkon, náklady, zložitosť a spôsob prevádzky, to všetko je potrebné zvážiť pri určovaní, ktorú metódu použiť vo fáze návrhu elektronického obvodu.

• SCR páčidlo: Ako už názov napovedá, obvod páčidla spôsobí skrat na výstupe napájacieho zdroja, ak dôjde k prepätiu. Typicky sa na to používajú tyristory, tj SCR, pretože môžu spínať veľké prúdy a zostať zapnuté, kým sa akýkoľvek náboj nerozptýli. Tyristor môže byť pripojený späť k poistke, ktorá prepáli a izoluje regulátor od akéhokoľvek ďalšieho napätia.

  Obvod prepäťovej ochrany tyristorového páčidla

  V tomto obvode je Zenerova dióda zvolená tak, aby jej napätie bolo nad normálnym prevádzkovým napätím výstupu, ale pod napätím, kde by došlo k poškodeniu. Pri tomto vedení nepreteká Zenerovou diódou prúd, pretože nebolo dosiahnuté jej prierazné napätie a do hradla tyristora netečie prúd a zostáva vypnutý. Napájací zdroj bude fungovať normálne.

  Ak zlyhá sériový tranzistor v napájacom zdroji, napätie začne stúpať - oddelenie v jednotke zabezpečí, že nestúpne okamžite. Keď stúpa, stúpne nad bod, kde sa Zenerova dióda začne viesť a prúd bude prúdiť do brány tyristora, čo spôsobí jej spustenie.

  Keď sa spustí tyristor, skratuje výstup napájacieho zdroja so zemou, čím sa zabráni poškodeniu obvodov, ktoré napája. Tento skrat je možné použiť aj na vypálenie poistky alebo iného prvku, odpojenie napájania regulátora napätia a izoláciu jednotky od ďalšieho poškodenia.

  Často je nejaké oddelenie vo forme malého kondenzátora umiestnené od brány tyristora k zemi, aby sa zabránilo ostrým prechodovým javom alebo vysokofrekvenčným prúdom z jednotky, ktorá je napájaná, aby sa dostali do spojenia brány a spôsobili falošnú spúšť. Toto by však nemalo byť príliš veľké, pretože to môže spomaliť spustenie obvodu v reálnom prípade zlyhania a ochrana môže byť na mieste príliš pomaly.

  Poznámka k prepäťovej ochrane tyristorového páčidla:

  Tyristor alebo SCR, kremíkový riadený usmerňovač sa môže použiť na ochranu proti prepätiu v napájacom obvode. Detegovaním vysokého napätia môže obvod spustiť tyristor a umiestniť skrat alebo páčidlo cez napäťovú koľajnicu, aby sa zabezpečilo, že napätie nestúpne na vysoké napätie.

  Prečítajte si viac o Obvod prepäťovej ochrany tyristorového páčidla.

• Napäťové svorkovanie: Ďalšia veľmi jednoduchá forma prepäťovej ochrany využíva prístup nazývaný napäťové svorkovanie. V najjednoduchšej forme ho možno zabezpečiť pomocou Zenerovej diódy umiestnenej na výstupe regulovaného napájacieho zdroja. Ak je napätie Zenerovej diódy zvolené tak, aby bolo mierne nad maximálnym napätím koľajnice, za normálnych podmienok nebude viesť. Ak napätie stúpne príliš vysoko, začne sa vodiť, čím sa napätie zníži na hodnotu mierne nad napätím koľajnice.

  Ak je potrebná vyššia prúdová schopnosť regulovaného napájania, potom je možné použiť Zenerovu diódu s tranzistorovou vyrovnávacou pamäťou. Tým sa zvýši prúdová kapacita v jednoduchom obvode Zenerovej diódy o faktor rovný prúdovému zosilneniu tranzistora. Keďže pre tento obvod je potrebný výkonový tranzistor, pravdepodobné úrovne zosilnenia prúdu budú nízke - možno 20 - 50.

  Prepäťová svorka Zenerovej diódy
  (a) - jednoduchá Zenerova dióda, (b) - vyšší prúd s tranzistorovou vyrovnávacou pamäťou

• Obmedzenie napätia: Keď sa pre spínané napájacie zdroje vyžaduje ochrana proti prepätiu, SMPS techniky svoriek a páčidla sú menej používané kvôli požiadavkám na stratu energie a možnej veľkosti a cene komponentov.

  Našťastie väčšina regulátorov spínacieho režimu zlyhá v podmienkach nízkeho napätia. Často je však rozumné zaviesť funkcie na obmedzenie napätia v prípade prepätia.
  
  Často sa to dá dosiahnuť snímaním stavu prepätia a vypnutím meniča. To platí najmä v prípade DC-DC meničov. Pri implementácii je potrebné začleniť snímaciu slučku, ktorá je mimo hlavného regulátora IC - mnoho regulátorov spínacieho režimu a DC-DC konvertorov používa čip na dosiahnutie väčšiny obvodu. Je veľmi dôležité použiť externú snímaciu slučku, pretože ak je čip regulátora spínacieho režimu poškodený a spôsobí stav prepätia, môže sa poškodiť aj snímací mechanizmus.

  Je zrejmé, že táto forma ochrany pred prepätím vyžaduje obvody, ktoré sú špecifické pre konkrétny obvod a použité čipy spínacieho zdroja.

Používajú sa všetky tri techniky a môžu poskytnúť účinnú ochranu proti prepätiu napájacieho zdroja. Každý má svoje výhody a nevýhody a výber techniky je potrebné urobiť v závislosti od danej situácie.

Zanechajte správu 

zoznam správ