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 management bus: PMbus Zasilacz bezprzerwowy

Chociaż nowoczesne zasilacze są obecnie bardzo niezawodne, zawsze istnieje niewielka, ale realna szansa, że mogą zawieść.

Mogą zawieść na wiele sposobów, a jedną szczególnie niepokojącą możliwością jest to, że element przepustowy szeregowy, tj. tranzystor głównego przepustu lub FET może zawieść w taki sposób, że przechodzi w stan zwarcia. Jeśli tak się stanie, bardzo duże napięcie, często określane jako przepięcie, może pojawić się na zasilanym obwodzie, powodując katastrofalne uszkodzenie całego sprzętu.

Dodając trochę dodatkowego obwodu ochronnego w postaci zabezpieczenia przepięciowego, można zabezpieczyć się przed tą mało prawdopodobną, ale katastrofalną możliwością.

Większość zasilaczy zaprojektowanych do bardzo niezawodnej pracy z urządzeniami o wysokiej wartości będzie zawierać pewną formę ochrony przed przepięciami, aby zapewnić, że jakakolwiek awaria zasilania nie spowoduje uszkodzenia zasilanego sprzętu. Dotyczy to zarówno zasilaczy liniowych, jak i zasilaczy impulsowych.

Niektóre zasilacze mogą nie zawierać ochrony przepięciowej i nie powinny być używane do zasilania drogiego sprzętu – możliwe jest wykonanie małego projektu obwodu elektronicznego i opracowanie małego obwodu ochrony przepięciowej oraz dodanie go jako dodatkowego elementu.

Podstawy ochrony przepięciowej

Istnieje wiele sposobów, w jakie zasilacz może zawieść. Jednak aby zrozumieć nieco więcej na temat ochrony przed przepięciami i problemów związanych z obwodem, łatwo jest wziąć prosty przykład liniowego regulatora napięcia wykorzystującego bardzo prostą diodę Zenera i szeregowy tranzystor przepustowy.

Chociaż bardziej skomplikowane zasilacze dają lepsze osiągi, również opierają się na tranzystorze szeregowym do przepuszczania prądu wyjściowego. Główna różnica polega na sposobie, w jaki napięcie regulatora jest przykładane do bazy tranzystora.

Typowo napięcie wejściowe jest takie, że kilka woltów spada przez element szeregowego regulatora napięcia. Dzięki temu tranzystor szeregowo-przepustowy może odpowiednio regulować napięcie wyjściowe. Często napięcie spadające przez tranzystor szeregowy jest stosunkowo wysokie – dla zasilania 12 V, na wejściu może być 18 V lub nawet więcej, aby zapewnić wymaganą regulację i odrzucenie tętnień, itp.

To oznacza, że może być znaczny poziom ciepła rozpraszanego w elemencie regulatora napięcia i w połączeniu z jakimikolwiek przejściowymi skokami, które mogą pojawić się na wejściu, oznacza to, że zawsze istnieje możliwość awarii.

Przepustnica tranzystorowa bardziej zazwyczaj zawodzi w warunkach obwodu otwartego, ale w pewnych okolicznościach, tranzystor może rozwinąć zwarcie pomiędzy kolektorem i emiterem. Jeżeli to nastąpi, wtedy pełne nieregulowane napięcie wejściowe pojawi się na wyjściu regulatora napięcia.

Jeżeli pełne napięcie pojawi się na wyjściu, wtedy może uszkodzić wiele układów scalonych, które są w obwodzie zasilanym. W tym przypadku obwód mógłby być nie do naprawienia.

Sposób działania regulatorów przełączających jest zupełnie inny, ale istnieją okoliczności, w których pełne napięcie może pojawić się na wyjściu zasilacza.

W przypadku zasilaczy regulowanych liniowo i zasilaczy impulsowych zawsze zalecana jest jakaś forma ochrony przed nadmiernym napięciem.

Typy ochrony przed nadmiernym napięciem

Jak w przypadku wielu technik elektronicznych, istnieje kilka sposobów implementacji konkretnej możliwości. Dotyczy to również zabezpieczenia nadnapięciowego.

Istnieje kilka różnych technik, które mogą być użyte, każda z własną charakterystyką. Wydajność, koszt, złożoność i sposób działania muszą być zważone przy określaniu metody, którą należy zastosować na etapie projektowania układu elektronicznego.

• SCR Crowbar: Jak sama nazwa wskazuje, obwód łomu umieszcza zwarcie na wyjściu zasilacza, jeśli wystąpi stan nadmiernego napięcia. Zazwyczaj tyrystory, tj. SCR są używane do tego celu, ponieważ mogą przełączać duże prądy i pozostają włączone, dopóki ładunek nie zostanie rozproszony. Tyrystor może być podłączony z powrotem do bezpiecznika, który wysadza się i izoluje regulator od dalszego napięcia na nim.

  

  W tym obwodzie dioda Zenera jest tak dobrana, że jej napięcie jest powyżej normalnego napięcia roboczego wyjścia, ale poniżej napięcia, przy którym wystąpiłoby uszkodzenie. W tym przewodzie przez diodę Zenera nie płynie prąd, ponieważ nie zostało osiągnięte jej napięcie przebicia, a do bramki tyrystora nie płynie prąd i pozostaje on wyłączony. Zasilacz będzie działał normalnie.

  Jeśli tranzystor szeregowo-przepustowy w zasilaczu zawiedzie, napięcie zacznie rosnąć – odsprzęganie w urządzeniu zapewni, że nie wzrośnie ono natychmiast. Gdy napięcie wzrośnie, wzrośnie powyżej punktu, w którym dioda Zenera zacznie przewodzić i prąd popłynie do bramki tyrystora powodując jego wyzwolenie.

  Gdy tyrystor wyzwoli się, spowoduje zwarcie wyjścia zasilacza do masy, zapobiegając uszkodzeniu obwodów, które zasila. To zwarcie może być również wykorzystane do przepalenia bezpiecznika lub innego elementu, odłączając zasilanie od regulatora napięcia i izolując jednostkę od dalszych uszkodzeń.

  Często odsprzęganie w postaci małego kondensatora jest umieszczane od bramki tyrystora do masy, aby zapobiec ostrym transjentom lub RF z jednostki zasilanej z dostania się do połączenia bramki i powodowania fałszywego wyzwalania. However this should not be made too large as it may slow the circuit firing in a real case of failure and the protection may be in place too slowly.

  Note on Thyristor Crowbar Overvoltage Protection:

  The Thyristor or SCR, Silicon Controlled Rectifier can be used to provide overvoltage protection in a power supply circuit. Wykrywając wysokie napięcie, obwód może odpalić tyrystor, aby umieścić zwarcie lub łom w poprzek szyny napięcia, aby zapewnić, że nie wzrośnie do wysokiego napięcia.

  Czytaj więcej o tyrystorowym łomie obwodu ochrony przed przepięciami.

• Zaciskanie napięcia: Inna bardzo prosta forma ochrony przed przepięciami wykorzystuje podejście zwane zaciskaniem napięcia. W najprostszej formie może być ono zapewnione przez użycie diody Zenera umieszczonej na wyjściu regulowanego zasilacza. Jeśli napięcie diody Zenera jest nieco wyższe od maksymalnego napięcia na szynie, w normalnych warunkach nie będzie ona przewodzić. Jeśli napięcie wzrośnie zbyt wysoko, wtedy zacznie przewodzić, zaciskając napięcie na wartości nieco powyżej napięcia szyny.

  Jeśli potrzebna jest wyższa zdolność prądowa dla regulowanego zasilacza, wtedy dioda Zenera z buforem tranzystorowym może być użyta. Zwiększy to wydajność prądową w stosunku do prostego układu z diodą Zenera, o współczynnik równy wzmocnieniu prądowemu tranzystora. Ponieważ tranzystor mocy jest wymagany dla tego obwodu, prawdopodobne poziomy wzmocnienia prądowego będą niskie – być może 20-50.

  

• Ograniczanie napięcia: Kiedy zabezpieczenie nadnapięciowe jest wymagane dla zasilaczy impulsowych, SMPS techniki clamp i crowbar są mniej szeroko stosowane ze względu na wymagania dotyczące rozpraszania mocy oraz możliwy rozmiar i koszt komponentów.

  Na szczęście większość regulatorów impulsowych zawodzi w stanie niskiego napięcia. Jednak często rozsądne jest wprowadzenie możliwości ograniczania napięcia w przypadku stanów przepięciowych.
  Często można to osiągnąć poprzez wykrywanie stanu przepięcia i wyłączenie przetwornicy. Ma to szczególne zastosowanie w przypadku przetwornic DC-DC. Podczas wdrażania tego, konieczne jest włączenie pętli czujnika, który jest poza głównym regulatorem IC – wiele regulatorów trybu przełączania i konwerterów DC-DC wykorzystuje układ scalony do osiągnięcia większości obwodu. Bardzo ważne jest użycie zewnętrznej pętli wyczuwania, ponieważ jeśli układ scalony regulatora impulsowego zostanie uszkodzony, powodując stan przepięcia, mechanizm wyczuwania może również zostać uszkodzony.

  Oczywiście ta forma ochrony przed przepięciami wymaga obwodów, które są specyficzne dla danego obwodu i zastosowanych układów scalonych zasilacza impulsowego.

Wszystkie trzy techniki są stosowane i mogą zapewnić skuteczną ochronę przepięciową zasilacza. Każda z nich ma swoje zalety i wady, a wyboru techniki należy dokonać w zależności od danej sytuacji.

Więcej obwodów & Projektowanie obwodów:
Podstawy układów Op Amp Obwody zasilaczy Projektowanie tranzystorów Obwody tranzystorów Darlingtona Obwody tranzystorów FET Symbole obwodów
Powrót do menu Projektowanie obwodów . . .