Устройство электрической защиты цепей питания бортового блока ат защита v2
Обновлено: 14.05.2024
Устройства для защиты выпрямителей от перегрузки и коротких замыканий изобретались давно. Из предназначение банально - ограничивать ток или просто отключать блок питания или выпрямитель в моменты когда токи в цепи нагрузки превышают допустимые пределы.
В журнале РАДИО N10 за 1971 год была опубликована схема для защиты выпрямителей питающих ламповые приемники и усилители.
схема для защиты выпрямителей питающих ламповые приемники схема для защиты выпрямителей питающих ламповые приемникиОтрадно видеть простоту схемы и отсутствие ламп и лишних элементов. Лампа МН-3 служит для индикации и роли в защите выпрямителя не играет.
Но, с появлением полупроводников в широком доступе и пропаганде пренебрежительного отношения к релейным схемам, вместо простых и надежных схем стали появляться устройства на транзисторах.
Схемы варьируются и приводить все их я не стану
В этой схеме светодиод VD1 ( странное обозначение ) как и в первой схеме лампа Лампа МН-3 служит для индикации и роли в защите выпрямителя не играет.
ПРИНЦИП РАБОТЫ СХЕМЫ
прост - Резистор R1 должен открывать транзистор КТ815 максимально. Понятно, что деже полностью открытый , этот транзистор при больших токах будет греться как утюг и потребуется установка его на радиатор.
Транзистор КТ315 в рабочем состоянии должен быть закрыт - это обеспечивает резистор R2 "притягивая" базу КТ315 к земле (минусу).
Резистор R3 (очень мощный) нужен для того чтобы организовать положительное смещение для транзистора КТ315 в момент превышения тока в нагрузке.
Как только потенциал базы КТ315 становится выше "оттягивается от минуса" за счет низкого сопротивления , КТ315 открывается и запирает силовой транзистор КТ815 "притягивая" его базу к минусу.
Сразу понятно, что для таких схем требуется очень мощное сопротивление и силовой транзистор.
Немаловажный недостаток таких схем - постоянный нагрев из за токов через резистор и через переход транзистора, сопротивление которого никогда не будет равным нулю.
Избавиться от недостатков биполярного транзистора можно применив в схеме полевик
Схема защиты от перегрузки по току на полевом транзисторе Схема защиты от перегрузки по току на полевом транзистореНо не обольщайтесь! Такая схема весьма коварна и имеет свои тонкости.
Все те полевики что на ней указаны не совсем хорошо для этой схемы подходят. Чтение таблиц с указанием предельных токов и сопротивлений открытого транзистора - даст вам ясную картину - какие полевики стоит использовать. Выбирать нужно самые мощные но с минимальным сопротивлением открытого канала.
С транзистором управления С945 тоже не все гладко. Эти транзисторы часто имеют очень высокий коэффициент усиления , что приводит к странному поведению схемы при включении в бытовую сеть. С945 может реагировать на помехи и всплески приходящие по сети питания, так что в нагрузке вместо "гладкого и ровного" тока будет наблюдаться "картина маслом" состоящая из всплеском и провалов усиленных транзистором С945 помех переданных на затвор силового полевика IRF.
Еще один немаловажный момент - Эта схема нечто вроде триггера и сработав один раз в исходное состояние она не переходит - Приходится нажимать кнопку для сброса.
Схема на биполярниках сама переходит в рабочий режим - ведь она есть просто вариация регулятора тока или стабилизатора и конечно имеет "провисающее" состояние когда ток слегка не достиг критической точки и приоткрытый мощный транзистор начинает перегреваться со всеми вытекающими последствиями.
ВСЕХ ЭТИХ НЕДОСТАТКОВ ЛИШЕНЫ СХЕМЫ НА РЕЛЕ
Но, коль уж вам хочется НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ РЕЛЕ , то вместо " огорода " на двух транзисторах можно использовать базовые функции Тиристора.
Описание принципов работы данной схемы я пожалуй отложу для следующей статьи.
Короткое замыкание (и перегрузка, как частный случай), являются самой опасной аварийной ситуацией при эксплуатации блока питания. И дело не только в повышенной вероятности выхода из строя элементов силовой цепи БП. Термическое действие многократно выросшего тока может привести к возгоранию изоляции проводников и дальнейшему развитию пожара.
У мощных БП также могут возникнуть значительные динамические усилия в токоведущих элементах, исходом которых будет смещение проводников и их механическое повреждение. Поэтому защита от КЗ для источников питания – не роскошь, а насущная необходимость.
Принцип работы защиты от короткого замыкания
Большинство схем представляют собой отдельный узел, который можно применить в любом устройству (с поправкой на номинальный ток). Его можно встроить в уже имеющийся блок питания или собрать в отдельном корпусе.
Короткое замыкание сопровождается двумя явлениями:
- увеличение тока;
- снижение напряжения (чем ближе к месту КЗ, тем больше снижение, а в месте короткого замыкания оно равно нулю).
Большинство устройств защиты используют первый признак. Датчиком тока обычно служит резистор с номиналом от нескольких сотых до единиц Ом. Проходящий ток создает пропорциональное падение напряжение на шунте – чем больше ток, тем больше напряжение. Схема сравнения сравнивает это напряжение с заданным уровнем, и, при достижении порога, дает сигнал на размыкание ключевого элемента, ток прерывается. Узел индикации подает световой или звуковой сигнал о срабатывании защиты. Недостаток такого решения – КЗ может произойти до места установки измерительного шунта, и тогда защита не сработает.
В импульсных блоках питания с ШИМ-регулированием защита может быть построена несколько по-другому.
Ток измеряется непосредственно в цепи импульсного трансформатора. Напряжение так же сравнивается с заданным значением, при превышении происходит воздействие на ШИМ-регулятор. Генерация либо прекращается полностью, либо напряжение снижается до безопасного уровня. Минусом является ограниченная область (только БП с PWR-регулированием) и привязка к конкретной схемотехнике БП. Зато сверхток контролируется на всех участках силовой цепи.
Примеры схем и их описание
Схемы защиты блока питания от замыкания на выходе или перегрузки строятся на разной элементной базе. Их можно разделить по типу применяемого в качестве ключа элемента.
На биполярном транзисторе
Несложную защиту от КЗ можно собрать на биполярном транзисторе. В качестве измерительного шунта применено сопротивление на 0,5 Ом.
В исходном положении транзистор T1 открыт (через резистор R1). Транзистор T2 закрыт. При увеличении тока через шунт и достижения на нем напряжения, достаточного для открывания транзистора T2, на базе T1 напряжение падает почти до нуля, он закрывается, прерывая ток. При этом загорается светодиод, сигнализируя о КЗ. При уменьшении тока ниже предела, схема возвращается в исходное положение.
При напряжении БП выше 25 и ниже 8 вольт, возможно, придется подобрать резистор R1 так, чтобы ключевой транзистор был надежно открыт. Резистор R3 можно применить готовый керамический или сделать из нихрома.
Ток срабатывания устанавливается подбором сопротивления шунта – чем оно выше, тем при меньшем токе сработает защита. Также на ток срабатывания влияет сопротивление резистора R2 и коэффициент усиления транзистора T2, в качестве которого может быть применен любой маломощный прибор структуры n-p-n. Рабочий ток ограничен наибольшим током коллектора ключа, в качестве которого может быть применен мощный транзистор n-p-n.
| Тип транзистора | Максимальный ток коллектора, А |
|---|---|
| КТ819 | 10 |
| КТ729А(Б) | 30(20) |
| 2N5490 | 7 |
| 2N6129 | 7 |
| 2N6288 | 7 |
| BD291 | 6 |
| BD709 | 6 |
Врожденный недостаток подобного схемотехнического решения – через ключ течет полный ток нагрузки (и ток КЗ до момента закрывания транзистора). Поэтому ключевой элемент надо устанавливать на радиатор соответствующих размеров.
На полевом транзисторе
Этот недостаток можно несколько сгладить применением в качестве ключа полевого транзистора. Его сопротивление в открытом состоянии заметно ниже, значит, и рассеиваемая на нем мощность также меньше. Да и ток нагрузки ограничивается в меньшей степени.
Здесь ключ находится в отрицательной шине выходного напряжения. В исходном положении полевой транзистор открыт напряжением, поступающим через светодиод. Ток в этой цепи очень мал, светодиод не светится. Транзистор Т2 закрыт. При увеличении тока потребления напряжение на шунте R1 начинает расти, когда оно увеличится до уровня открывания Т2, ключ T1 закроется, а ток через светодиод увеличится, индицируя об активации защиты. Уровень срабатывания регулируется выбором сопротивления шунта.
Ток защиты можно настраивать и изменением сопротивления R4. Если вместо него установить потенциометр, можно сделать регулируемую защиту по току. Использовать в качестве R1 переменный или подстроечный элемент нельзя.
Транзистор T2 любой маломощный. Т1 должен быть рассчитан на полный ток нагрузки. Можно применить транзисторы из таблицы или другие подходящие по току и напряжению.
| Тип транзистора | Максимальный ток стока, А |
|---|---|
| IRFZ40 | 50 |
| IRFZ44 | 41-55 (в зависимости от исполнения) |
| IRFZ46 | 46-55 (в зависимости от исполнения) |
| IRFZ48 | 61-72 (в зависимости от исполнения) |
Если рабочий ток превышает 8..10 ампер, ключ надо установить на радиатор.
На тиристоре
Если нет мощного транзистора, защиту можно собрать и на тиристоре. Особенности данной схемы:
- используется второй признак короткого замыкания – снижение напряжения;
- защита работает в цепи выпрямленного (пульсирующего) напряжения (без сглаживающих конденсаторов).
Вторая особенность обусловлена тем, что тиристор выключается во время очередного снижения напряжения до нуля в конце полупериода. При постоянном напряжении он не закроется, пока не будет отключена нагрузка (или не выключится блок питания). Поэтому сфера применения этой схемы ограничена трансформаторными зарядными устройствами (аккумуляторам сглаживание напряжения не нужно).
Во время работы схемы, в начале каждого полупериода напряжение на делителе P1R4 возрастает, транзистор Т1 открывается, подавая напряжение на управляющий электрод тиристора. VS1 тоже открывается, пропуская полуволну синусоиды в нагрузку. Когда напряжение спадает, транзистор закрывается. Закрывается и тиристор, ведь в момент перехода через ноль ток через него падает до уровня, меньшего тока удержания. В новом полупериоде все повторяется снова. Если в результате КЗ напряжение на выходе снизится, транзистор не сможет открыться, не откроется и тиристор. Когда ток упадет номинального уровня, напряжение на выходе восстановится, и тиристор вновь откроется. Ток (точнее, напряжение) срабатывания устанавливается потенциометром Р1.
К недостаткам схемы можно отнести низкое быстродействие – если замыкание произойдет в начале полупериода, до отключения придется ждать его окончания – это 0,01 секунды (плюс время срабатывания тиристора), что достаточно много. Другая проблема – если замыкание произойдет в электрически удаленной точке и мощность источника будет высокой, необходимого снижения напряжения может и не произойти. Кроме того, снижение напряжения может произойти и не по причине сверхтока, и произойдет ложное срабатывание.
На реле
Несложную защиту моно выполнить на одном электромагнитном реле. Ее особенность в том, что реле является измерительным органом, пороговой схемой и ключевым элементом одновременно.
В исходном положении контакты реле находятся в положении, указанном на схеме. Положительная шина разомкнута, напряжения на выходе нет. При нажатии на кнопку S1 реле срабатывает, перекидной контакт переключается и обмотка реле самоблокируется во включенном положении. Загорится зеленый светодиод.
При возникновении короткого замыкания или перегрузки, достаточной для просадки выходного напряжения, напряжение снизится до уровня ниже напряжения удержания реле (оно всегда ниже напряжения срабатывания), реле отпустит, напряжение на потребителе исчезнет, зеленый светодиод погаснет, а красный загорится. Схема вернется в исходное положение, а для подачи напряжения на выход потребуется вновь нажать кнопку.
Кроме недостатков, характерных для всех схем, отслеживающих падение напряжение в результате сверхтока, данное решение имеет свои минусы. Ток срабатывания невозможно настроить - только подбором реле. Для выбора надо иметь запас элементов. Второе – точность настройки уровня отключения будет низкой. Ток срабатывания зависит от состояния механической части реле – упругости пружины, трения в поворотном механизме якоря и т.п. А оно может меняться при воздействии окружающей среды или просто со временем. Также следует учитывать механический износ и подгорание контактов реле при многократных срабатываниях.
Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.
Приведенные схемы не являются исчерпывающими. В литературе и интернете можно найти и другие узлы, но рассмотренные принципы построения являются базовыми, и понимание их работы позволит разобраться и в работе других, более сложных схем.
Блок защиты предназначен для предотвращения выхода электроприборов автомобиля из строя.
В автомобилях, имеющих неисправности в электрооборудовании, напряжение бортовой сети может содержать импульсы до 250 В, а, в случае выхода из строя реле-регулятора, постоянная составляющая может доходить до 90 В с кратковременным подъёмом до 120 В. Сильнейшие импульсы возникают при отключении массы аккумулятора автомобиля при работающем двигателе. При этом в автомобилях с дизельными двигателями неисправность может быть не обнаружена сразу, а через несколько секунд уже все электрооборудование автомобиля может выйти из строя. Такая же судьба будет ожидать и приборы, установленные в автомобиле в случае возникновения неисправностей в бортовой сети.
Блок защиты предназначен для предотвращения выхода электроприборов автомобиля из строя.
В автомобилях, имеющих неисправности в электрооборудовании, напряжение бортовой сети может содержать импульсы до 250 В, а, в случае выхода из строя реле-регулятора, постоянная составляющая может доходить до 90 В с кратковременным подъёмом до 120 В. Сильнейшие импульсы возникают при отключении массы аккумулятора автомобиля при работающем двигателе. При этом в автомобилях с дизельными двигателями неисправность может быть не обнаружена сразу, а через несколько секунд уже все электрооборудование автомобиля может выйти из строя. Такая же судьба будет ожидать и приборы, установленные в автомобиле в случае возникновения неисправностей в бортовой сети.
Для предотвращения выхода приборов из строя и снижения уровня помех, распространяющихся по цепи питания, выпускается устройство защиты приборов от неисправностей в бортовой электросети автомобиля.
Схема подключения блока защиты
Блок защиты фильтрует помехи наносекундной и микросекундной длительности и отключает выходное напряжение при превышении уровня входного напряжения 32 В. Таким образом, на выходе устройства защиты в случае выхода из строя реле-регулятора выходное напряжение будет близко к 0 В. Этим описываемое устройство отличается от большинства присутствующих на рынке устройств защиты, выполняющих функцию стабилизаторов-ограничителей выходного напряжения. В результате блок защиты не нагревается при перенапряжении на входе, не генерирует помех и не выходит из строя – в то время как устройства защиты иных производителей либо перегреваются и выходят из строя (линейные ограничители-стабилизаторы), либо генерируют мощные помехи (импульсные ограничители-стабилизаторы) и тоже через некоторое время выходят из строя.
Блок защиты предназначен для предотвращения выхода электроприборов автомобиля из строя.
В автомобилях, имеющих неисправности в электрооборудовании, напряжение бортовой сети может содержать импульсы до 250 В, а, в случае выхода из строя реле-регулятора, постоянная составляющая может доходить до 90 В с кратковременным подъёмом до 120 В. Сильнейшие импульсы возникают при отключении массы аккумулятора автомобиля при работающем двигателе. При этом в автомобилях с дизельными двигателями неисправность может быть не обнаружена сразу, а через несколько секунд уже все электрооборудование автомобиля может выйти из строя. Такая же судьба будет ожидать и приборы, установленные в автомобиле в случае возникновения неисправностей в бортовой сети.
Блок защиты предназначен для предотвращения выхода электроприборов автомобиля из строя.
В автомобилях, имеющих неисправности в электрооборудовании, напряжение бортовой сети может содержать импульсы до 250 В, а, в случае выхода из строя реле-регулятора, постоянная составляющая может доходить до 90 В с кратковременным подъёмом до 120 В. Сильнейшие импульсы возникают при отключении массы аккумулятора автомобиля при работающем двигателе. При этом в автомобилях с дизельными двигателями неисправность может быть не обнаружена сразу, а через несколько секунд уже все электрооборудование автомобиля может выйти из строя. Такая же судьба будет ожидать и приборы, установленные в автомобиле в случае возникновения неисправностей в бортовой сети.
Для предотвращения выхода приборов из строя и снижения уровня помех, распространяющихся по цепи питания, выпускается устройство защиты приборов от неисправностей в бортовой электросети автомобиля.
Схема подключения блока защиты
Блок защиты фильтрует помехи наносекундной и микросекундной длительности и отключает выходное напряжение при превышении уровня входного напряжения 32 В. Таким образом, на выходе устройства защиты в случае выхода из строя реле-регулятора выходное напряжение будет близко к 0 В. Этим описываемое устройство отличается от большинства присутствующих на рынке устройств защиты, выполняющих функцию стабилизаторов-ограничителей выходного напряжения. В результате блок защиты не нагревается при перенапряжении на входе, не генерирует помех и не выходит из строя – в то время как устройства защиты иных производителей либо перегреваются и выходят из строя (линейные ограничители-стабилизаторы), либо генерируют мощные помехи (импульсные ограничители-стабилизаторы) и тоже через некоторое время выходят из строя.
Читайте также: