Ochrana proti přepětí pro napájecí zdroje

Ochrana proti přepětí napájecího zdroje je opravdu užitečná - některé poruchy napájecího zdroje mohou způsobit poškození zařízení s vysokým napětím. Přepěťová ochrana zabraňuje tomu, aby se to stalo jak u lineárních regulátorů, tak u spínaných napájecích zdrojů.

Přestože jsou moderní napájecí zdroje nyní velmi spolehlivé, vždy existuje malá, ale reálná šance, že mohou selhat.

Mohou selhat mnoha způsoby a jedna obzvláště znepokojivá možnost je, že sériový propustný prvek, tj. hlavní propustný tranzistor nebo FET, může selhat takovým způsobem, že dojde ke zkratu. Pokud k tomu dojde, na obvodu, který je napájen, by se mohlo objevit velmi vysoké napětí často označované jako přepětí a způsobit katastrofální poškození celého zařízení.

Přidáním dalších ochranných obvodů ve formě přepěťové ochrany je možné chránit se před touto nepravděpodobnou, ale katastrofální možností.

Většina napájecích zdrojů navržených pro velmi spolehlivý provoz vysoce hodnotných zařízení bude obsahovat určitou formu přepěťové ochrany, která zajistí, že jakákoliv porucha napájecího zdroje nepoškodí napájené zařízení. To platí jak pro lineární zdroje, tak i pro spínané zdroje.

Některé napájecí zdroje nemusí obsahovat přepěťovou ochranu a neměly by být používány pro napájení drahých zařízení - je možné udělat malý návrh elektronického obvodu a vyvinout malý obvod přepěťové ochrany a přidat jej jako extra položku.

Základy přepěťové ochrany

Existuje mnoho způsobů, jak může napájecí zdroj selhat. Abychom však porozuměli trochu více přepěťové ochraně a problémům s obvody, je snadné vzít si jednoduchý příklad lineárního regulátoru napětí pomocí velmi jednoduché Zenerovy diody a sériového tranzistoru.

Základní sériový regulátor využívající zenerovu diodu a emitorový sledovač

Přestože komplikovanější zdroje poskytují lepší výkon, spoléhají také na sériový tranzistor, který propouští výstupní proud. Hlavním rozdílem je způsob, jakým je napětí regulátoru přivedeno na bázi tranzistoru.

Typicky je vstupní napětí takové, že na prvku sériového regulátoru napětí poklesne několik voltů. To umožňuje sériovému tranzistoru adekvátně regulovat výstupní napětí. Pokles napětí na sériovém tranzistoru je často relativně vysoký - pro 12voltové napájení může být vstup 18 voltů nebo dokonce více, aby byla zajištěna požadovaná regulace a potlačení zvlnění atd.

To znamená, že v prvku regulátoru napětí může být značná úroveň rozptýleného tepla a v kombinaci s jakýmikoli přechodnými špičkami, které by se mohly objevit na vstupu, to znamená, že vždy existuje možnost selhání.

Tranzistorové sériové propustné zařízení by obvykle selhalo ve stavu otevřeného obvodu, ale za určitých okolností může u tranzistoru dojít ke zkratu mezi kolektorem a emitorem. Pokud k tomu dojde, pak se na výstupu regulátoru napětí objeví plné neregulované vstupní napětí.

Pokud by se na výstupu objevilo plné napětí, mohlo by to poškodit mnoho integrovaných obvodů, které jsou v napájeném obvodu. V tomto případě by okruh mohl být mimo ekonomickou opravu.

Způsob, jakým fungují spínací regulátory, je velmi odlišný, ale existují okolnosti, za kterých by se na výstupu napájecího zdroje mohl objevit plný výkon.

Jak u lineárně regulovaných napájecích zdrojů, tak u spínaných napájecích zdrojů je vždy vhodná určitá forma přepěťové ochrany.

Typy přepěťových ochran

Stejně jako u mnoha elektronických technik existuje několik způsobů implementace konkrétní schopnosti. To platí pro ochranu proti přepětí.

Existuje několik různých technik, které lze použít, z nichž každá má své vlastní vlastnosti. Při určování, kterou metodu použít ve fázi návrhu elektronického obvodu, je třeba zvážit výkon, cenu, složitost a způsob provozu.

• SCR páčidlo: Jak název napovídá, obvod páčidla způsobí zkrat na výstupu napájecího zdroje, pokud dojde k přepětí. Typicky se k tomu používají tyristory, tj. SCR, protože mohou spínat velké proudy a zůstat zapnuté, dokud se jakýkoli náboj nerozptýlí. Tyristor může být připojen zpět k pojistce, která přeruší a izoluje regulátor od dalšího napětí.

  Obvod přepěťové ochrany tyristorového páčidla

  V tomto zapojení je Zenerova dioda zvolena tak, aby její napětí bylo nad normálním provozním napětím výstupu, ale pod napětím, kde by došlo k poškození. Při tomto vedení neprotéká Zenerovou diodou žádný proud, protože nebylo dosaženo jejího průrazného napětí a do hradla tyristoru neteče proud a zůstává vypnutý. Napájecí zdroj bude fungovat normálně.

  Pokud selže sériový tranzistor v napájecím zdroji, napětí začne stoupat - oddělení v jednotce zajistí, že nestoupne okamžitě. Jak stoupá, zvedne se nad bod, kde se Zenerova dioda začne řídit a proud bude téct do brány tyristoru, což způsobí její spuštění.

  Když se tyristor spustí, zkratuje výstup napájecího zdroje k zemi, čímž se zabrání poškození obvodů, které napájí. Tento zkrat lze také použít k vypálení pojistky nebo jiného prvku, odpojení napájení regulátoru napětí a izolování jednotky od dalšího poškození.

  Často je nějaké oddělení ve formě malého kondenzátoru umístěno od brány tyristoru k zemi, aby se zabránilo ostrým přechodovým jevům nebo vysokofrekvenčnímu proudu z jednotky, který je napájen, aby se dostaly do připojení brány a způsobily falešnou spoušť. Toto by však nemělo být příliš velké, protože to může zpomalit spouštění obvodu v reálném případě selhání a ochrana může být na místě příliš pomalu.

  Poznámka k přepěťové ochraně tyristorového páčidla:

  Tyristor nebo SCR, Silicon Controlled Rectifier lze použít k zajištění přepěťové ochrany v napájecím obvodu. Detekcí vysokého napětí může obvod odpálit tyristor a umístit tak zkrat nebo páčidlo přes napěťovou kolejnici, aby se zajistilo, že napětí nevzroste na vysoké napětí.

  Přečtěte si více o Obvod přepěťové ochrany tyristorového páčidla.

• Napěťové svorkování: Další velmi jednoduchá forma přepěťové ochrany využívá přístup nazývaný napěťové svorkování. Ve své nejjednodušší podobě to lze zajistit pomocí Zenerovy diody umístěné na výstupu regulovaného napájecího zdroje. Pokud je napětí Zenerovy diody zvolené mírně nad maximálním napětím kolejnice, za normálních podmínek nebude vodivá. Pokud napětí stoupne příliš vysoko, začne se vodit a stlačí napětí na hodnotu mírně nad napětím kolejnice.

  Je-li pro regulovaný zdroj potřeba vyšší proudová zatížitelnost, lze použít Zenerovu diodu s tranzistorovou vyrovnávací pamětí. To zvýší proudovou kapacitu jednoduchého obvodu Zenerovy diody o faktor rovný proudovému zesílení tranzistoru. Protože je pro tento obvod vyžadován výkonový tranzistor, pravděpodobné úrovně proudového zesílení budou nízké - možná 20 - 50.

  Přepěťová svorka Zenerovy diody
  (a) - jednoduchá Zenerova dioda, (b) - vyšší proud s tranzistorovou vyrovnávací pamětí

• Omezení napětí: Když je pro spínané napájecí zdroje vyžadována ochrana proti přepětí, SMPS techniky svěrek a páčidla jsou méně používané kvůli požadavkům na ztrátový výkon a možné velikosti a ceně součástí.

  Naštěstí většina spínacích regulátorů selže ve stavu nízkého napětí. Často je však rozumné zavést funkce pro omezení napětí v případě podmínek přepětí.
  
  Často toho lze dosáhnout snímáním stavu přepětí a vypnutím převodníku. To platí zejména v případě DC-DC měničů. Při implementaci je nutné začlenit snímací smyčku, která je mimo hlavní IC regulátor - mnoho spínacích regulátorů a DC-DC měničů používá čip k dosažení většiny obvodu. Je velmi důležité použít externí snímací smyčku, protože pokud je čip regulátoru spínacího režimu poškozen a způsobí přepětí, může být také poškozen snímací mechanismus.

  Je zřejmé, že tato forma přepěťové ochrany vyžaduje obvody, které jsou specifické pro konkrétní obvod a použité napájecí čipy spínaného režimu.

Používají se všechny tři techniky a mohou poskytnout účinnou ochranu napájecího zdroje proti přepětí. Každý má své výhody a nevýhody a výběr techniky je třeba provést v závislosti na dané situaci.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv