Overspændingsbeskyttelse for strømforsyninger

Spændingsforsyningscirkler Primer & Tutorial indeholder:
Oversigt over strømforsyningselektronik Lineær strømforsyning Switch mode strømforsyning Overspændingsbeskyttelse PSU-specifikationer Digital Power Power Power Power management bus: Selv om moderne strømforsyninger nu er meget pålidelige, er der altid en lille, men reel chance for, at de kan fejle.

De kan fejle på mange måder, og en særlig bekymrende mulighed er, at seriepasselementet, dvs. hovedpassetransistoren eller FET’en, kan fejle på en sådan måde, at den bliver kortsluttet. Hvis dette sker, kan der opstå en meget stor spænding, der ofte betegnes som en overspænding, på det kredsløb, der forsynes med strøm, hvilket kan forårsage katastrofale skader på hele udstyret.

Ved at tilføje lidt ekstra beskyttelseskredsløb i form af overspændingsbeskyttelse er det muligt at beskytte mod denne usandsynlige, men katastrofale mulighed.

De fleste strømforsyninger, der er designet til meget pålidelig drift af udstyr af høj værdi, vil indeholde en form for overspændingsbeskyttelse for at sikre, at et eventuelt svigt i strømforsyningen ikke resulterer i skader på det udstyr, der forsynes. Dette gælder både for lineære strømforsyninger og også for switch mode-strømforsyninger.

Nogle strømforsyninger har måske ikke indbygget overspændingsbeskyttelse, og disse bør ikke bruges til at forsyne dyrt udstyr – det er muligt at lave lidt elektronisk kredsløbsdesign og udvikle et lille overspændingsbeskyttelseskredsløb og tilføje dette som et ekstra element.

Overspændingsbeskyttelse – grundprincipper

Der er mange måder, hvorpå en strømforsyning kan fejle. Men for at forstå lidt mere på overspændingsbeskyttelse og kredsløbsproblemerne er det nemt at tage et simpelt eksempel på en lineær spændingsregulator ved hjælp af en meget simpel Zener-diode og en seriepass-transistor.

Selv om mere komplicerede forsyninger giver bedre ydeevne, er de også afhængige af en serietransistor til at lade udgangsstrømmen passere. Den vigtigste forskel er den måde, hvorpå reguleringsspændingen påføres transistorens base.

Typisk er indgangsspændingen sådan, at der falder flere volt over seriens spændingsreguleringselement. Dette gør det muligt for seriepass-transistoren at regulere udgangsspændingen tilstrækkeligt. Ofte er spændingen, der falder over seriepass-transistoren, relativt høj – for en 12 volts forsyning kan indgangen være 18 volt eller endnu mere for at give den nødvendige regulering og ripple-reduktion osv.

Det betyder, at der kan afgives en betydelig mængde varme i spændingsregulatorelementet, og kombineret med eventuelle transiente spidser, der kan forekomme ved indgangen, betyder dette, at der altid er mulighed for fejl.

Transistorens seriepass-enhed vil mere normalt fejle i en åben kredsløbstilstand, men under visse omstændigheder kan transistoren udvikle en kortslutning mellem kollektor og emitter. Hvis dette sker, vil den fulde uregulerede indgangsspænding optræde i spændingsregulatorens udgang.

Hvis den fulde spænding optræder på udgangen, kan det beskadige mange af de IC’er, der indgår i det kredsløb, der forsynes. I dette tilfælde kunne kredsløbet meget vel være uopretteligt økonomisk uopretteligt.

Den måde, som switching regulatorer fungerer på, er meget anderledes, men der er omstændigheder, hvor den fulde udgangsspænding kunne forekomme på strømforsyningens udgang.

For både lineært regulerede strømforsyninger og switch mode strømforsyninger er en form for overspændingsbeskyttelse altid tilrådelig.

Typer af overspændingsbeskyttelse

Som med mange elektroniske teknikker er der flere måder at implementere en bestemt evne på. Dette gælder også for overspændingsbeskyttelse.

Der er flere forskellige teknikker, der kan anvendes, hver med sine egne egenskaber. Ydelse, omkostninger, kompleksitet og funktionsmåde skal alle afvejes, når det skal afgøres, hvilken metode der skal anvendes i den elektroniske kredsløbsdesignfase.

• SCR Crowbar: Som navnet antyder, placerer crowbar-kredsløbet en kortslutning på tværs af strømforsyningens udgang, hvis der opstår en overspændingstilstand. Typisk anvendes thyristorer, dvs. SCR’er, til dette formål, da de kan skifte store strømme og forblive tændt, indtil en eventuel ladning er fordelt. Thyristoren kan kobles tilbage til en sikring, der udløses og isolerer regulatoren fra at få yderligere spænding påført.

  

  I dette kredsløb er Zenerdioden valgt således, at dens spænding er over udgangens normale driftsspænding, men under den spænding, hvor der ville opstå skade. I denne ledning strømmer der ingen strøm gennem Zenerdioden, fordi dens nedbrydningsspænding ikke er nået, og der strømmer ingen strøm ind i thyristorens gate, og den forbliver slukket. Strømforsyningen vil fungere normalt.

  Hvis seriepassetransistoren i strømforsyningen svigter, vil spændingen begynde at stige – afkoblingen i enheden vil sikre, at den ikke stiger med det samme. Efterhånden som den stiger, vil den stige over det punkt, hvor zenerdioden begynder at lede, og strømmen vil strømme ind i thyristorens gate, hvilket får den til at udløse.

  Når thyristoren udløses, kortslutter den strømforsyningens udgang til jord, hvilket forhindrer skader på det kredsløb, den forsyner. Denne kortslutning kan også bruges til at sprænge en sikring eller et andet element, hvorved strømmen tages fra spændingsregulatoren og enheden isoleres fra yderligere skader.

  Ofte placeres der en vis afkobling i form af en lille kondensator fra thyristorens gate til jord for at forhindre, at skarpe transienter eller RF fra den enhed, der forsynes med strøm, kommer på gate-forbindelsen og forårsager en ukorrekt udløsning. Dette bør dog ikke gøres for stort, da det kan forsinke kredsløbets affyring i et reelt tilfælde af fejl, og beskyttelsen kan være på plads for langsomt.

  Note om Thyristor Crowbar Overspændingsbeskyttelse:

  Tyristoren eller SCR, Silicon Controlled Rectifier kan bruges til at give overspændingsbeskyttelse i et strømforsyningskredsløb. Ved at registrere den høje spænding kan kredsløbet affyre thyristoren for at placere en kortslutning eller crowbar over spændingsskinnen for at sikre, at den ikke stiger for højt i spænding.

  Læs mere om Thyristor Crowbar Overspændingsbeskyttelseskredsløb.

• Spændingsklemning: En anden meget enkel form for overspændingsbeskyttelse anvender en metode, der kaldes spændingsklemning. I sin enkleste form kan den tilvejebringes ved hjælp af en Zener-diode, der er placeret over udgangen af den regulerede strømforsyning. Når Zenerdiodens spænding er valgt til at ligge lidt over den maksimale skinnespænding, vil den under normale forhold ikke lede. Hvis spændingen stiger for højt, vil den begynde at lede og fastholde spændingen på en værdi lidt over skinnespændingen.

  Hvis der er behov for en højere strømkapacitet for den regulerede strømforsyning, kan der anvendes en Zener-diode med en transistorbuffer. Dette vil øge strømkapaciteten i forhold til det simple Zenerdiodekredsløb med en faktor svarende til transistorens strømforstærkning. Da der er brug for en effekttransistor til dette kredsløb, vil de sandsynlige strømforstærkningsniveauer være lave – muligvis 20-50.

  

• Spændingsbegrænsning: Når der kræves overspændingsbeskyttelse for switchmode-strømforsyninger, SMPS, er clamp- og crowbar-teknikkerne mindre udbredte på grund af kravene til effektdissipation og komponenternes mulige størrelse og omkostninger.

  Unheldigvis svigter de fleste switchmode-regulatorer i en lavspændingstilstand. Det er dog ofte klogt at indføre spændingsbegrænsningsfunktioner i tilfælde af overspændingsforhold.
  Ofte kan dette opnås ved at registrere overspændingsforholdet og lukke konverteren ned. Dette gælder især i forbindelse med DC-DC-konvertere. Når dette implementeres, er det nødvendigt at indarbejde en sensesløjfe, der ligger uden for hoved-IC-regulatoren – mange switch mode-regulatorer og DC-DC-konvertere bruger en chip til at opnå størstedelen af kredsløbet. Det er meget vigtigt at anvende en ekstern sensesløjfe, for hvis switchmode-regulatorchippen beskadiges, hvilket forårsager overspændingstilstanden, kan sensemekanismen også blive beskadiget.

  Oplysende nok kræver denne form for overspændingsbeskyttelse kredsløb, der er specifikke for det pågældende kredsløb og de switchmode-strømforsyningschips, der anvendes.

Alle tre teknikker anvendes og kan give en effektiv overspændingsbeskyttelse af strømforsyningen. Hver teknik har sine egne fordele og ulemper, og valget af teknik skal foretages afhængigt af den givne situation.

Mere kredsløb &Kredsløbsdesign:
Op Amp basics Op Amp circuits Power supply circuits Transistor design Transistor Darlington Transistor circuits FET circuits Circuit symbols
Vend tilbage til Circuit Design menu . . .