Средства и системы защиты источников питания

Защите источников питания посвящено довольно много узкоспециализированных  научных трудов, но мы рассмотрим лишь наиболее часто используемые средства и системы защиты источников питания.

Пожалуй, одной из самых важных задач, решаемых при проектировании источника питания, является реализация системы защиты от перегрузок. Ведь даже очень кратковременные токовые перегрузки или же возникшее короткое замыкание может привести к таким нехорошим ситуациям как перегрев, аварии, и даже и к воспламенению, что чревато пожаром. А если в каскаде ток коллектора IGBT или истока MOSFET станет больше предельного значения или если напряжение участка коллектор-эмиттер или сток исток превзойдет максимально допустимое, рабочая точка транзистора покинет зону безопасной работы – результат, вышедший из строя транзистор.

Принцип построения защиты источников питания

Если система защиты трансформатора от насыщения отсутствует, то при возникновении насыщения трансформатора индуктивность его обмоток резко снизится, результатом чего станет резкий скачок тока. Это может привести к выходу из строя не только трансформатора, но и других устройств, подключенных к нему. Аварийный режим возникнет и при «защелкивании» IGBT транзистора, при резком повышении питающего напряжения, а также в других случаях. Можем сделать вывод, что системы защиты от перегрузок – важнейший атрибут современных источников питания. Необязательное их применение  лишь в некоторых редких случаях.

Источники питания

Тепловая инерционность работающих в импульсных источниках питания транзисторов и диодов довольно малы и разрушение кристаллов полупроводников может произойти в течении всего нескольких микросекунд, а в некоторых случаях и быстрее. По этой причине выход элементов из строя может произойти раньше, чем сработает защита.

Именно поэтому разработчик должен применить именно ту защиту, которая наиболее подходит для решения поставленной задачи. Любая система защиты должна отрабатывать различные перегрузки в процессе эксплуатации источника питания, обладать требуемым быстродействием, не должна оказывать влияние на выходной сигнал источника питания. Также, по возможности, необходимо минимизировать ее энергопотребление и количество компонентов в ней. К тому же, в некоторых случаях, после срабатывании она должна возвращаться в исходное положение. По принципу реализации защиты подразделяют на три тира:

  • Пассивные – компоненты таких систем получают энергию от возмущающего воздействия;
  • Активные – сами генерируют сигнал о перегрузке, который сама система защиты и отрабатывает. Питаются, как правило, такие устройства от вспомогательных источников питания;
  • Схемотехнические – компоненты таких систем могут автоматически регулировать свое состояние, таким образом самостоятельно предотвращая свое разрушение;

Аварийный режим может вызывать не только выходом из строя компонентов источника питания, но и внешними факторами, такими как резкий скачок напряжения питания.

Основные компоненты источников питания

К компонентам, осуществляющим защитные функции можно отнести IGBT, MOSFET, биполярные транзисторы, тиристоры, transil, стабилитроны, плавкие предохранители, автоматические выключатели с биметаллическими пластинами и другие защитные элементы.

Защитные контактные элементы (контакторы и реле) имеют очень низкое быстродействие, но в свою очередь на их контактах падает незначительное напряжение (ввиду их малого сопротивления), что значит малые потери.

В полупроводниковых (бесконтактных) защитных устройствах все наоборот, они имеют быстродействие и надежность выше, чем  контактные компоненты, но потери на них значительно выше, что иногда приводит к установке охладителей на них.

Защиты, применяемые в источниках питания

Для защиты от пробоя управляющего электрода высоким напряжением параллельно к выводам затвор-эмиттер IGBT или затвор–исток MOSFET подключают transil или стабилитроны.

Чтоб защитить ключевые полупроводниковые элементы, например IGBT или транзисторы биполярные, от слишком большого обратного напряжения параллельно к выводам коллектор-эмиттер тоже подключают transil или стабилитроны.

Для уменьшения скорости возрастания напряжения, или как принято обозначать в каталогах dU/dt, которое также может привести к порче полупроводниковых элементов, между выводами сток-исток производят подключения оппозитного диода, который более быстродействующий, чем паразитный p-n переход данного транзистора. Могут также с выводами сто-исток транзистора MOSFET последовательно подключить внешний диод.

При этом к трансформаторной обмотке импульсного источника питания параллельно подключают стабилитрон или диод, таким образом обеспечивая «срез» индуктивного выброса напряжения. В случае использования безтрансформаторного источника питания для организации защиты выпрямительных диодов моста в процессе подключения его к сети (при использовании емкостного фильтра конденсатор имеет большой зарядный ток) последовательно по отношению к сети устанавливают термисторы – устройства имеющие большое сопротивление в холодном состоянии и малое в нагретом.

Для организации защиты при возникновении аварийного перенапряжения последовательно в силовой цепи подключаются плавкие предохранители или же автоматические выключатели, а после них параллельно питающим проводам подсоединяют варисторы, имеющих нелинейное сопротивление.

Варистор – это резистор, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжению, если напряжение превысит значение лимитированного то его сопротивление резко снизится. В случае превышения сетевого напряжения сопротивление варистора резко упадет и тем самым он зашунтирует силовые шины. При длительном перенапряжении варистор может перегреться и выйти из строя. При шунтировании ток, который резко возрастет, должен вызвать срабатывания автоматического выключателя или плавкого предохранителя, который разорвет цепь.

Варисторы

Для измерения насыщения трансформатора используют датчики Холла, пояс Роговского или трансформаторы параметрические. Датчики Холла генерируют сигнал в задающий генератор на изменение скважности импульсов или их запрете.

Если существует необходимость в измерении тока ключевых элементов источников малой или средней мощности последовательно им могут подключать резисторы, имеющие малое сопротивление 0,05 – 2 Ома. Измерив падения напряжений на этом резисторе можно определить его ток. Но поскольку на резисторе выделяются потери, то при измерении переменного тока могут использовать трансформаторы тока.

Последовательно импульсным трансформаторам с целью обеспечения токовой защиты подключают измерительные трансформаторы тока. Сигнал с них выпрямляется, фильтруется и подается на выводы управляющей микросхемы.

Системы защит довольно разнообразны. Решения об использовании какой-то из них необходимо принимать  руководствуясь конкретным техническим заданием на изготовления изделия.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: