Блок питания с защитой. Реализация аппаратной защиты по току Схемы защиты по току на микросхеме

Устройства высокоскоростной защиты производства компании Bourns – базовый элемент защиты радиоэлектроники (в первую очередь – телекоммуникационных линий и интерфейсов) от бросков тока и напряжения, вызванных грозовыми разрядами, короткими замыканиями, помехами коммутации. Их преимущества – высокое быстродействие, автономность, прецизионность характеристик, широкая полоса пропускания.

Устройства TBU производства компании Bourns предназначены для высокоскоростной защиты радиоэлектронной аппаратуры от грозовых разрядов, коротких замыканий и воздействия сетевого напряжения на шины передачи данных. TBU построены с использованием MOSFET-полупроводниковой технологии и устанавливаются на входе по последовательной схеме. Защита реагирует на перегрузку как по току, так и по напряжению. При этом главным образом контролируется ток, протекающий через линию. Если входящий ток нарастает до уровня ограничения с последующим его превышением – TBU отключает напряжение от нагрузки, обеспечивая эффективный барьер для разрушающих воздействий, вплоть до их исчезновения. Когда уровень входящего тока достигает значения тока отсечки, TBU срабатывает за время, приблизительно равное 1 мкс, и ограничивает ток на линии до уровня менее 1 мА. При падении напряжения на TBU до уровня сброса Vreset или ниже устройство автоматически восстанавливает нормальное функционирование. Характер работы TBU можно рассмотреть на вольтамперной характеристике (рисунок 1).

На сегодняшний день доступны следующие семейства TBU: TBU-CA, TBU-DT, TBU-PL, P40 и P-G (P500-G, P850-G).

Таблица 1. Основные характеристики семейств TBU

Наимен.	Описание	Максимальное импульсное напряжение (Vimp), В	Максимальное СКЗ напряжения (Vrms), В	Напряжение восстановления (Vreset), В	Ток срабатывания (Itrig), мА	Время срабаты-вания (tblock), мкс	Габаритные размеры, мм	Рабочая температура (Tраб), °С
	Одиночный двунаправленный	250, 400, 500, 650, 850	100, 200, 250, 300, 425	12…20	50, 100, 200, 300, 500	1	6,5×4	-55…125
	Двойной однонаправленный	650, 850	300, 425	10…18	100, 200, 300, 500	1	5×5	-40…125
	Двойной двунаправленный	500, 600, 750, 850	300, 350, 400, 425	12…20	100, 200	1	6,5×4	-55…125
		40	28	7	240	0,2	4×4	-40…85
P-G		500, 850	300, 425	22	100, 200	1	6×4

К их основным характеристикам, рассмотренным в таблице 1, относятся:

• Vimp – максимальное напряжение отключения при броске напряжения длительностью ≥1 мкс;
• Vrms – максимальное напряжение отключения при воздействии переменного напряжения;
• Vreset – номинальное напряжение восстановления работоспособности;
• Itrig – ток срабатывания;
• tblock – максимальное время перехода из рабочего режима в режим блокировки;
• Tраб – рабочая температура.

Отдельно можно отметить серию как самую быстродействующую, но она значительно проигрывает по уровню входящих напряжений всем остальным. К основным отличиям между сериями TBU также относятся направленность передачи сигналов, комбинация максимальных напряжений и токов блокировки, температурные режимы работы. Двухканальные исполнения актуальны для экономии пространства на плате и удобства монтажа, однако в случае серьезной аварии и при необратимом повреждении одного из каналов замены потребует весь элемент. Поэтому двухканальные исполнения не пользуются широкой популярностью, чего не скажешь про одноканальную двунаправленную серию . Широкий номенклатурный ряд по току и напряжению, низкое сопротивление и промышленный температурный диапазон делают это семейство наиболее популярным в России и в мире. В большинстве типовых схем защиты с применением TBU, рекомендуемых Bourns, используется именно .

Критерии выбора

Несмотря на то, что все семейства TBU преследуют одну и ту же цель – защиту от бросков тока и напряжения, немаловажным является вопрос правильного подбора устройства защиты, так как в современной высокоточной электронике даже незначительное превышение рабочих параметров может привести к разрушительным последствиям.

Алгоритм подбора можно разделить на следующие этапы :

• Определение пикового значения рабочего тока и максимальной рабочей температуры окружающей среды. На этом этапе необходимо обратиться к графику зависимости тока срабатывания от температуры, который имеется в документации на изделие, чтобы определить значение снижения параметров TBU в конкретных условиях эксплуатации.
• Определение уровня рабочего напряжения устройства. Выбор TBU следует делать таким образом, чтобы его заявленное напряжение пробоя было самым маленьким среди доступных в семействе, но при этом превышающим нормальное напряжение системы и его допустимые пульсации. Выбранное устройство также должно удовлетворять требования и по нагрузочным характеристикам.
• Выбор конкретного артикула TBU с максимальным импульсным напряжением (Vimp), большим, чем импульсное напряжение пробоя используемого ограничителя напряжения первой ступени (например газоразрядника). Выбранное TBU-устройство также должно иметь минимальный ток отключения Itrigger выше максимального пикового тока защищаемой системы с учетом компенсации влияния температуры окружающей среды.

В большинстве случаев защищаемые цепи располагают достаточным током для срабатывания TBU. Но если защищаемая цепь имеет высокий импеданс, для гарантированного срабатывания защиты после TBU стоит разместить небольшой лавинный диод, подключенный на землю. Такой подход обеспечивает выполнение устройством TBU своих защитных функций.

Области и примеры применения

Высокое быстродействие позволяет использовать TBU для защиты дорогостоящих чувствительных компонентов электронных схем, а низкое значение емкости и широкий частотный диапазон (до 3 ГГц ) открывают путь в высокоскоростные приложения. TBU широко используются в телекоммуникационном оборудовании, без них не обходятся платы xDSL, комбинированные платы POTS и xDSL, звуковые/VDSL-платы, оборудование для доступа в сеть, оборудование для линий T1/E1 и T3/E3, защита Ethernet-портов, широкополосные модемы и сетевые шлюзы, защитные модули и программаторы, промышленные устройства для управления и контроля, контрольно-измерительное оборудование. При разработке подобных устройств обязательным требованием остается правильный выбор максимального номинального напряжения TBU, которое не должно превышать максимальных рабочих параметров защищаемого устройства. Оптимальная защита сочетает в себе защитное устройство TBU совместно с варистором или газоразрядником. Также нередко после TBU устанавливаются TVS-супрессоры. Говоря о защите телекоммуникационного оборудования, в качестве основного поражающего фактора всегда рассматривают прямые или наведенные разряды молний. Огромная роль здесь отводится первичным средствам гашения: контуру заземления, различным силовым автоматам, камерам искрогашения и прочим компонентам. Но, как правило, остаточные разряды все еще высокой энергии проникают дальше, непосредственно в схемы устройств. Использование многоступенчатой вторичной защиты, в том числе и применение TBU производства компании Bourns, снижает риск серьезного повреждения оборудования многократно или вовсе предотвращает аварии. Защита в подобных ситуациях нужна для всех входящих/выходящих линий: коаксиальных и сетевых разъемов, линий управления и так далее. Даже один незащищенный порт может привести к обширному повреждению всего оборудования.

Также высокой уязвимостью, ввиду своего широкого распространения, отличаются порты RS-232, RS-485 и порты с оптическим входом . Для комплексной защиты RS-232 Bourns предлагает следующую схему на основе TBU-P850 (рисунок 2) или на базе (рисунок 3).

RS-485 является более современным стандартом передачи данных. Несколько терминалов RS-485 могут совместно работать на одной шине. Двойной диод, показанный на схемах ниже, предназначен для обеспечения общего режима работы в диапазоне -7…12 В. Предлагается две топологии защиты, также с использованием TBU-P850 и (рисунки 4 и 5).

Развитие измерительно-контрольных средств автомобильной электроники сделало популярной шину CAN, для защиты которой также есть схема с использованием TBU (рисунок 6).

Весьма популярным способом связи двух устройств с защитой по входу и выходу остается схема с использованием оптической изоляции. Рекомендации по защите с применением TBU показаны на рисунке 7.

Конкурентные преимущества TBU. Соответствие предъявляемым требованиям и международным стандартам

К преимуществам TBU можно отнести:

• простую и надежную схему защиты;
• защиту от превышения напряжения и тока в одном корпусе;
• высокое быстродействие;
• прецизионное ограничение выходного тока и напряжения;
• самовосстановление;
• широкую полосу пропускания без внесения помех в полезный сигнал (до 3 ГГц);
• малые габаритные размеры в корпусе DFN;
• соответствие RoHS.

Поскольку, основной сферой использования TBU является защита телекоммуникационных линий, к которым в наше время предъявляются высокие требования по качеству, скорости, уровню вносимых искажений, то и устройства защиты также должны соответствовать целому ряду требований и международных стандартов. Наиболее известными и авторитетными на сегодняшний день являются ITU (International Telecommunications Union) и Telcordia. Bourns участвует в разработке данных стандартов и производит компоненты, целиком и полностью совместимые с опубликованными нормативными требованиями. К слову, устройства TBU превышают требования Telcordia GR-1089 и ITU-T K.20, K.21, K.45 , что дает им запас прочности для будущего роста технологических требований.

Заключение

Всегда стоит помнить о том, что защита цепей – комплексное мероприятие и полагаться на какой-то один тип защиты опасно. TBU производства компании Bourns – «командный игрок» и полностью раскрыть свой потенциал может только при совместном использовании с дополнительными средствами защиты: варисторами, газоразрядниками, TVS-диодами, которые, в свою очередь, также должны быть верно подобраны для правильной координации защиты в целом.

Наиболее популярные исполнения и номиналы TBU всегда можно найти на складах официального дистрибьютора Bourns – компании КОМПЭЛ. Помимо складского запаса, КОМПЭЛ предлагает заказные поставки, бесплатные образцы, спец. цены, техподдержку и проектные поставки для вашего производства.

Литература

1. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/bourns_tbu_short_form.pdf
2. https://www.bourns.com/ProductLine.aspx?name=tbu
3. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/CP_cell_base_station_appnote.pdf.

Bourns выпускает новые модели высоковольтных PTVS-диодов серий S3, S6 и S10

PTVS (Power TVS) – высокоточные двунаправленные супрессоры для защиты устройств на мощных AC- и DC-линиях от воздействия электростатических разрядов, электромагнитных импульсов, помех коммутации, наведенных ударов молнии и прочего. И если стандартные серии SMAJ и SMBJ представлены на рынке широко, то силовые TVS-решения предлагают немногие. Новые модели PTVS обеспечивают двустороннюю защиту на напряжениях 170…470 В. Нормированы на воздействие стандартных импульсов 8/20 мкс в соответствии с требованиями IEC 61000-4-5. Технология с использованием силикона позволяет добиться низких напряжений фиксации по сравнению с металооксидными варисторами и гарантировать стабильность характеристик с ростом температуры. Основное преимущество PTVS перед варистором проявляется именно на высоких токах — напряжение фиксации на варисторе существенно возрастает вслед за броском тока, в то время как на PTVS-диоде после очень короткого всплеска спадает до паспортного значения и остается фиксированным. Для аналогичных по рабочим характеристикам варистора и PTVS эта разница может отличаться вдвое в пользу PTVS (напомним, что речь идет о сотнях вольт). PTVS серий S3, S6 и S10 выпускаются в корпусах для сквозного монтажа и отвечают требованиям RoHS.

PTVS-диоды – это отличное решение для источников питания телекоммуникационного оборудования и других приложений, чувствительных к мощным помехам и наводкам. Выпуск новых моделей для серий S3, S6 и S10 значительно расширяет область применения PTVS производства Bourns.

Реализовать схему защиты не сложно, тем более что она очень важна для защиты всех своих устройств от короткого замыкания и перегрузки. Если в приборе по каким-либо причинам случается короткое замыкание это может привести к непоправимым последствиям для него. Чтобы защитить вас от лишних затрат, а прибор от выгорания, достаточно сделать небольшую доработку, по нижеприведенной схеме.

Важно отметить что вся схема построена на комплементарной паре транзисторов. Для понимания расшифруем смысл фразы. Комплементарной парой называют транзисторы с одинаковыми параметрами, но разными направлениями p-n переходов.

Т.е. все параметры напряжения, тока, мощности и прочие у транзисторов абсолютно одинаковые. Отличие лишь проявляется в типе транзистора p-n-p или n-p-n. Также приведем примеры комплементарных пар, чтобы облегчить вам покупку. Из российской номенклатуры: КТ361/КТ315, КТ3107/КТ3102, КТ814/КТ815, КТ816/КТ817, КТ818/КТ819. В качестве импортных прекрасно подойдут BD139/BD140. Реле надо выбирать на рабочее напряжение не менее 12 В, 10-20 А.

Принцип действия:

При превышении определенного порога (порог устанавливается переменным резистором, опытным путем) замыкаются ключи комплементарной пары транзисторов. Напряжение на выходе прибора пропадает и загорается светодиод, свидетельствующий о срабатывании защитной системы прибора.

Кнопка между транзистора, позволяет осуществить сброс защиты (в стационарном состоянии замкнута, т.е. работает на размыкание). Сбросить защиту можно и другим путем, просто выключить и включить блок. Защита актуальна для источников питания или аккумуляторных зарядок.

Простейшая защита от короткого замыкания актуальна как для опытного, так и для начинающего радиолюбителя, так как от ошибок не застрахован никто. В этой статье приведено простую, но весьма оригинальную схему, которая поможет вам уберечь ваше устройство от не желательного выхода из строя. Самовосстанавливающийся предохранитель обесточивает схему, а светодиоды сигнализируют об аварийной ситуации, быстро, надёжно и просто.

Схема защиты от КЗ:

Схема, приведённая на рисунке №1, является весьма простой в настройке защитой для радиолюбительского блока питания или любой другой схемы.

Рисунок №1 – Схема защиты от коротко замыкания.

Работа схемы защиты от короткого замыкания:

Схема весьма простая, и понятная. Так как ток течёт по пути наименьшего сопротивления пока предохранитель FU1 цел, то подключена выходная нагрузка Rн рисунок №2 и через неё протекает ток. При этом постоянно горит светодиод VD4 (желательно зелёного цвета свечения).

Рисунок №2 – Работа схемы при целом предохранителе

Если же ток нагрузки, превышает максимальный ток допустимый для предохранителя, он срабатывает тем самым разрывая (шунтируя) цепь нагрузки рисунок №3. При этом загорается светодиод VD3 (красного цвета свечения) а VD4 гаснет. При этом не страдает и ваша нагрузка ни схема (конечно при условии своевременно срабатывания предохранителя).

Рисунок №3 – Сработал предохранитель

Диоды VD1,VD5 и стабилитрон VD2, защищают светодиоды от обратных токов. Резисторы R1,R2 ограничивают ток в схеме защиты. В качестве предохранителя FU1 я рекомендую использовать самовосстанавливающийся предохранитель. А номиналы всех элементов схемы вы подбираете в зависимости от ваших потребностей.

Представлена конструкция защиты для блока питания любого типа. Данная схема защиты может совместно работать с любыми блоками питания - сетевыми, импульсными и аккумуляторами постоянного тока. Схематическая развязка такого блока защиты относительна проста и состоит из нескольких компонентов.

Схема защиты блока питания

Силовая часть - мощный полевой транзистор - в ходе работы не перегревается, следовательно в теплоотводе тоже не нуждается. Схема одновременно является защитой от переплюсовки питания, перегруза и КЗ на выходе, ток срабатывания защиты можно подобрать подбором сопротивления резистора шунта, в моем случае ток составляет 8 Ампер, использовано 6 резисторов 5 ватт 0,1 Ом параллельно подключенных. Шунт можно сделать также из резисторов с мощностью 1-3 ватт.

Более точно защиту можно настроить путем подбора сопротивления подстроечного резистора. Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока

~~~При КЗ и перегрузе выхода блока, защита мгновенно сработает, отключив источник питания. О срабатывании защиты осведомит светодиодный индикатор. Даже при КЗ выхода на пару десятков секунд, полевой транзистор остается холодным

~~~Полевой транзистор не критичен, подойдут любые ключи с током 15-20 и выше Ампер и с рабочим напряжением 20-60 Вольт. Отлично подходят ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или более мощные - IRF3205, IRL3705, IRL2505 и им подобные.

~~~Данная схема также отлично подходит в качестве защиты зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов, если вдруг перепутали полярность подключения, то с зарядным устройством ничего страшного не произойдет, защита спасет устройство в таких ситуациях.

~~~Благодаря быстрой работе защиты, ее можно с успехом применить для импульсных схем, при КЗ защита сработает быстрее, чем успеют сгореть силовые ключи импульсного блока питания. Схематика подойдет также для импульсных инверторов, в качестве защиты по току. При перегрузе или кз во вторичной цепи инвертора, мигом вылетают силовые транзисторы инвертора, а такая защита не даст этому произойти.

Комментарии
Защита от короткого замыкания , переплюсовки полярноси и перегруза собрана на отдельной плате. Силовой транзистор использован серии IRFZ44, но при желании можно заменить на более мощный IRF3205 или на любой другой силовой ключ, который имеет близкие параметры. Можно использовать ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 и другие ключи с током более 20 Ампер. В ходе работы полевой транзистор остается ледяным,. поэтому в теплоотводе не нуждается.

Второй транзистор тоже не критичен, в моем случае использован высоковольтный биполярный транзистор серии MJE13003, но выбор большой. Ток защиты подбирается исходя из сопротивления шунта — в моем случае 6 резисторов по 0,1Ом параллельно, защита срабатывает при нагрузке 6-7 Ампер. Более точно можно настроить вращением переменного резистора, таким образом я настроил ток срабатывания в районе 5 Ампер.

Мощность блока питания довольно приличная, выходной ток доходит до 6-7 Ампер, что вполне достаточно для зарядки автомобильного аккумулятора.
Резисторы шунта выбрал с мощностью 5 ватт, но можно и на 2-3 ватт.

Если все сделано правильно, то блок начинает работать сразу, замыкайте выход, должен загореться светодиодный индикатор защиты, который будет гореть до тех пор, пока выходные провода находятся в режиме КЗ.
Если все работает как нужно, то приступаем дальше. Собираем схему индикатора.

Схема срисована из зарядника аккумуляторной отвертки. Красный индикатор свидетельствует о том, что имеется выходное напряжение на выходе БП, зеленый индикатор показывает процесс заряда. С таким раскладом компонентов, зеленый индикатор будет постепенно потухат и окончательно потухнет, когда напряжение на аккумуляторе будет 12,2-12,4 Вольт, когда аккумулятор отключен, индикатор гореть не будет.

Многие самодельные блоки имеют такой недостаток, как отсутствие защиты от переполюсовки питания. Даже опытный человек может по невнимательности перепутать полярность питания. И есть большая вероятность что после этого зарядное устройство придет в негодность.

В этой статье будет рассмотрено 3 варианта защит от переполюсовки , которые работают безотказно и не требуют никакой наладки.

Вариант 1

Это защита наиболее простая и отличается от аналогичных тем, что в ней не используются никакие транзисторы или микросхемы. Реле, диодная развязка – вот и все ее компоненты.

Работает схема следующим образом. Минус в схеме общий, поэтому будет рассмотрена плюсовая цепь.

Если на вход не подключен аккумулятор, то реле находится в разомкнутом состоянии. При подключении аккумулятора плюс поступает через диод VD2 на обмотку реле, вследствие чего контакт реле замыкается, и основной ток заряда протекает на аккумулятор.

Одновременно загорается зеленый светодиодный индикатор, свидетельствуя о том, что подключение правильное.

И если теперь убрать аккумулятор, то на выходе схемы будет напряжение, поскольку ток от зарядного устройства будет продолжать поступать через диод VD2 на обмотку реле.

Если перепутать полярность подключения, то диод VD2 окажется заперт и на обмотку реле не поступит питание. Реле не сработает.

В этом случае загорится красный светодиод, который нарочно подключен неправильным образом. Он будет свидетельствовать о том, что нарушена полярность подключения аккумулятора.

Диод VD1 защищает цепь от самоиндукции, которая возникает при отключении реле.

В случае внедрения такой защиты в , стоит взять реле на 12 В. Допустимый ток реле зависит только от мощности . В среднем стоит использовать реле на 15-20 А.

Эта схема до сих пор не имеет аналогов по многим параметрам. Она одновременно защищает и от переполюсовки питания, и от короткого замыкания.

Принцип работы этой схемы следующий. При нормальном режиме работы плюс от источника питания через светодиод и резистор R9 открывает полевой транзистор, и минус через открытый переход «полевика» поступает на выход схемы к аккумулятору.

При переполюсовке или коротком замыкании ток в цепи резко возрастает, вследствие чего образуется падение напряжения на «полевике» и на шунте. Такое падение напряжение достаточно для срабатывания маломощного транзистора VT2. Открываясь, последний запирает полевой транзистор, замыкая затвор с массой. Одновременно загорается светодиод, поскольку питание для него обеспечивается открытым переходом транзистора VT2.

Из-за высокой скорости реагирования эта схема гарантированно защитит при любой проблеме на выходе.

Схема очень надежна в работе и способна оставаться в состоянии защиты бесконечно долгое время.

Это особо простая схема, которую даже схемой трудно назвать, поскольку в ней использовано всего 2 компонента. Это мощный диод и предохранитель. Этот вариант вполне жизнеспособен и даже применяется в промышленных масштабах.

Питание с зарядного устройства через предохранитель поступает на аккумулятор. Предохранитель подбирается исходя из максимального тока зарядки. Например, если ток 10 А, то предохранитель нужен на 12-15 А.

Диод подключен параллельно и закрыт при нормальной работе. Но если перепутать полярность, диод откроется и случится короткое замыкание.

А предохранитель – это слабое звено в этой схеме, который сгорит в тот же миг. Его после этого придется менять.

Диод следует подбирать по даташиту исходя из того, что его максимальный кратковременный ток был в несколько раз больше тока сгорания предохранителя.

Такая схема не обеспечивает стопроцентную защиту, поскольку бывали случаи, когда зарядное устройство сгорало быстрее предохранителя.

Итог

С точки зрения КПД, первая схема лучше других. Но с точки зрения универсальности и скорости реагирования, лучший вариант – это схема 2. Ну а третий вариант часто применяется в промышленных масштабах. Такой вариант защиты можно увидеть, к примеру, на любой автомагнитоле.

Все схемы, кроме последней, имеют функцию самовосстановления, то есть работа восстановится, как только будет убрано короткое замыкание или изменится полярность подключения аккумулятора.

Прикрепленные файлы:

Как сделать простой Повер Банк своими руками: схема самодельного power bank