Over-voltage Protection for Power Supplies

Power Supply Circuits Primer & Tutorial Includes:
Power supply electronics overview Linear power supply Switch mode power supply Over-voltage protection PSU specs Digital Power Power Power management bus: PMbus Keskeytymätön virtalähde

Vaikka nykyaikaiset virtalähteet ovat nykyään hyvin luotettavia, on aina olemassa pieni mutta todellinen mahdollisuus, että ne voivat vikaantua.

Ne voivat vikaantua monella tavalla, ja yksi erityisen huolestuttava mahdollisuus on, että sarjan läpivirtauselementti eli pääläpivirtaustransistori tai FET voi vikaantua siten, että se menee oikosulkuun. Jos näin tapahtuu, hyvin suuri jännite, jota usein kutsutaan ylijännitteeksi, voi esiintyä virtalähteenä olevissa virtapiireissä aiheuttaen katastrofaalisia vaurioita koko laitteistolle.

Lisäämällä hieman ylimääräistä suojapiiriä ylijännitesuojan muodossa on mahdollista suojautua tältä epätodennäköiseltä mutta katastrofaaliselta mahdollisuudelta.

Useimmissa virtalähteissä, jotka on suunniteltu toimimaan erittäin luotettavasti arvokkaiden laitteiden kanssa, on jonkinlainen ylijännitesuojaus, jolla varmistetaan, että virtalähteen vikaantuminen ei aiheuta vahinkoa syötettävälle laitteelle. Tämä koskee sekä lineaarisia virtalähteitä että kytkentävirtalähteitä.

Joissakin virtalähteissä ei välttämättä ole ylijännitesuojaa, ja näitä virtalähteitä ei tulisi käyttää kalliiden laitteiden virransyöttöön – on mahdollista tehdä pientä elektroniikkapiirisuunnittelua ja kehittää pieni ylijännitesuojapiiri ja lisätä se lisävarusteena.

Ylijännitesuojan perusteet

Virtalähde voi vikaantua monella tavalla. Ymmärtääksemme kuitenkin hieman enemmän ylijännitesuojauksesta ja piirin ongelmista on helppo ottaa yksinkertainen esimerkki lineaarisesta jännitteensäätimestä, jossa käytetään hyvin yksinkertaista Zener-diodia ja sarjapassitransistoria.

Vaikka monimutkaisemmat virtalähteet antavat paremman suorituskyvyn, myös ne luottavat sarjatransistoriin lähtövirran läpivientiin. Tärkein ero on tapa, jolla säädinjännite syötetään transistorin pohjaan.

Tyypillisesti tulojännite on sellainen, että sarjajännitteensäätimen elementin yli putoaa useita voltteja. Näin sarjapassitransistori pystyy säätelemään lähtöjännitettä riittävästi. Usein sarjapassitransistorin yli pudotettu jännite on suhteellisen korkea – 12 voltin syöttöjännitteellä tulo voi olla 18 volttia tai jopa enemmän, jotta saavutetaan vaadittu säätö ja ripple-hylkääminen jne.

Tämä tarkoittaa, että jännitteensäätimen elementissä voi olla huomattavan paljon lämpöä, ja yhdistettynä mahdollisiin transienttipiikkeihin, joita voi esiintyä syöttöjännitteessä, tämä tarkoittaa sitä, että vikaantumisen mahdollisuus on aina olemassa.

Transistorin sarjapass-laite vikaantuisi tavallisemmin avoimen piirin tilassa, mutta joissakin olosuhteissa transistoriin voi kehittyä oikosulku kollektorin ja emitterin välille. Jos näin tapahtuu, jännitteensäätimen ulostuloon ilmestyisi täysi sääntelemätön tulojännite.

Jos täysi jännite ilmestyisi ulostuloon, se voisi vahingoittaa monia IC-piirejä, jotka ovat syötettävässä piirissä. Tällöin piiri voisi hyvinkin olla taloudellisesti korjauskelvoton.

Kytkentäsäätimien toimintatapa on hyvin erilainen, mutta on olosuhteita, joissa täysi ulostulo voisi näkyä virtalähteen ulostulossa.

Sekä lineaarisesti säädetyissä virtalähteissä että kytkentätoimisissa virtalähteissä jonkinlainen ylijännitesuojaus on aina suositeltavaa.

Ylijännitesuojan tyypit

Monien elektroniikkatekniikoiden tapaan on useita tapoja toteuttaa tietty ominaisuus. Tämä pätee myös ylijännitesuojaukseen.

Voidaan käyttää useita erilaisia tekniikoita, joilla kullakin on omat ominaisuutensa. Suorituskyky, kustannukset, monimutkaisuus ja toimintatapa on punnittava, kun päätetään, mitä menetelmää käytetään elektronisen piirin suunnitteluvaiheessa.

• SCR Crowbar: Kuten nimestä voi päätellä, sorkkaraudan virtapiiri asettaa oikosulun virtalähteen ulostulon poikki, jos esiintyy ylijännitetilanne. Tähän käytetään tyypillisesti tyristoreja eli SCR:iä, koska ne voivat kytkeä suuria virtoja ja pysyä päällä, kunnes varaus on hajonnut. Tyristori voidaan kytkeä takaisin sulakkeeseen, joka räjähtää ja eristää säätimen siitä, ettei siihen enää aseteta jännitettä.

  

  Tässä virtapiirissä Zener-diodi valitaan siten, että sen jännite on ulostulon normaalin käyttöjännitteen yläpuolella, mutta sen alapuolella, jossa vaurioituminen tapahtuu. Tässä johdossa Zener-diodin läpi ei kulje virtaa, koska sen läpilyöntijännitettä ei ole saavutettu, eikä tyristorin porttiin kulje virtaa ja se jää pois päältä. Virtalähde toimii normaalisti.

  Jos virtalähteen sarjapassitransistori vikaantuu, jännite alkaa nousta – yksikön purku varmistaa, ettei se nouse välittömästi. Kun se nousee, se nousee yli pisteen, jossa Zener-diodi alkaa johtaa, ja virta virtaa tyristorin porttiin aiheuttaen sen laukeamisen.

  Kun tyristori laukeaa, se oikosulkee virtalähteen ulostulon maahan, mikä estää sen virransyötöllä varustettujen piirien vaurioitumisen. Tätä oikosulkua voidaan käyttää myös sulakkeen tai muun elementin räjäyttämiseen, jolloin jännitteensäätimestä katkeaa virta ja yksikkö eristetään lisävahingoilta.

  Usein tyristorin portista maahan asetetaan jonkin verran pienen kondensaattorin muodossa olevaa irrotusta, jotta estetään teräviä transientteja tai virtaa saavan yksikön RF-ääniä pääsemästä porttiliitäntään ja aiheuttamasta vääränlaista laukaisua. Tätä ei kuitenkaan pidä tehdä liian suureksi, koska se voi hidastaa piirin laukaisua todellisessa vikatilanteessa ja suojaus voi olla liian hitaasti paikallaan.

  Huomautus tyristorin ylijännitesuojasta:

  Tyristoria tai SCR:ää, piiohjattua tasasuuntaajaa, voidaan käyttää ylijännitesuojan tarjoamiseen virtalähdepiirissä. Tunnistamalla korkean jännitteen piiri voi laukaista tyristorin asettaakseen oikosulun tai sorkkaraudan jännitekiskon poikki varmistaakseen, että se ei nouse liian korkeaksi jännitteeksi.

  Lue lisää tyristorin sorkkaraudan ylijännitesuojapiiristä.

• Jännitteen puristus: Toinen hyvin yksinkertainen ylijännitesuojausmuoto käyttää lähestymistapaa, jota kutsutaan jännitteen puristamiseksi. Yksinkertaisimmillaan se voidaan toteuttaa käyttämällä Zener-diodia, joka on sijoitettu säädetyn virtalähteen ulostulon poikki. Kun Zener-diodin jännite valitaan hieman kiskon enimmäisjännitteen yläpuolelle, se ei normaaliolosuhteissa johda. Jos jännite nousee liian korkeaksi, se alkaa johtaa ja puristaa jännitteen arvoon, joka on hieman kiskojännitteen yläpuolella.

  Jos säännellyssä virtalähteessä tarvitaan suurempaa virrankapasiteettia, voidaan käyttää Zener-diodia, jossa on transistoripuskuri. Tämä lisää virrankapasiteettia yksinkertaiseen Zener-diodipiiriin verrattuna kertoimella, joka vastaa transistorin virtavahvistusta. Koska tähän piiriin tarvitaan tehotransistori, todennäköiset virtavahvistustasot ovat alhaiset – mahdollisesti 20-50.

  

• Jännitteen rajoitus: Kun ylijännitesuojausta tarvitaan kytkinmuototeholähteille, SMPS, puristin- ja sorkkaraudatekniikoita käytetään vähemmän laajalti tehohäviövaatimusten sekä komponenttien mahdollisen koon ja kustannusten vuoksi.

  Suurin osa kytkinmuotosäätimistä epäonnistuu matalajännitetilanteessa. Usein on kuitenkin järkevää ottaa käyttöön jännitteenrajoitusominaisuudet ylijännitetilanteita varten.
  Usein tämä voidaan saavuttaa tunnistamalla ylijännitetilanne ja sammuttamalla muunnin. Tämä pätee erityisesti DC-DC-muuntimiin. Tätä toteutettaessa on tarpeen sisällyttää tunnistussilmukka, joka on pää-IC-säätimen ulkopuolella – monet kytkinmoodisäätimet ja DC-DC-muuntimet käyttävät sirua suurimman osan piiristä toteuttamiseen. On erittäin tärkeää käyttää ulkoista tunnistussilmukkaa, koska jos kytkinmoodisäätimen siru vaurioituu aiheuttaen ylijännitetilan, myös tunnistusmekanismi voi vaurioitua.

  Tämä ylijännitesuojausmuoto vaatii tietysti piirejä, jotka ovat spesifisiä tietylle piirille ja käytetyille kytkinmoodivirtalähteen siruille.

Kaikki kolmea tekniikkaa käytetään, ja ne voivat tarjota tehokkaan teholähteen ylijännitesuojan. Kummallakin on omat etunsa ja haittansa, ja tekniikan valinta on tehtävä kulloisenkin tilanteen mukaan.

Lisää piirejä & Piirisuunnittelu:
Op Ampin perusteet Op Ampin piirit Teholähdepiirit Transistorin suunnittelu Transistori Darlington Transistori-piirit FET-piirit Piirisymbolit
Palaa Piirisuunnittelu -valikkoon . . .