Пассивные схемы защиты

Электропитания

Пассивные и активные схемы защиты источников

При питании аппаратуры от промышленной сети переменного тока практически неограниченной мощности сверхтоки могут вызвать чрезмерный нагрев соединительных проводов; при питании от сети постоянного тока обычно ограниченной мощности- вызвать необходимое нарушение работоспособности первичного источника питания (например, аккумулятора, гальванической батареи). Поэтому на входе вторичного источника, как правило, включают пассивный элемент защиты от перегрузки по току - плавкий предохранитель.

а - плавкий предохранитель, является одним из более известных и простых элементов защиты, успешно работающих в цепях переменного и постоянного токов. Защитные его действия основано на том, что тепло Q_т, выделяющееся в плавкой вставки, пропорциональное интегралу

Q_т= ∫ i²dt, (2.75)

расплавляет ее, а включенный последовательно с предохранителем защищаемый элемент за время перегорания вставки t_пл не успевает выйти из строя.

Плавкие предохранители должны быть быстродействующими, обладать минимальными потерями мощности при номинальном токе, постоянством характеристик во времени при длительной эксплуатации, минимальным временем горения дуги, возникающей после расплавления вставки, минимальными габаритами и массой, удобством крепления и быстрой замены в схеме и пр.

Чтобы правильно выбрать предохранитель, необходимо:

- определить величину теплового эквивалента полупроводникового

элемента, величину допустимого тока I_доп элемента;

- знать величину тока, протекающего в предохранителе в нормальном

режиме работы;

- знать максимальную величину напряжения между зажимами

предохранителя после его перегорания;

- определить величину аварийного тока, который может быть отключен

предохранителем.

Для правильного выбора плавких предохранителей типа ПК или ВП необходимо использовать ампер- секундными характеристиками (рисунок 2.99).

Рисунок 2.99 - Экпериментальные усредненные ампер - секундные характеристики плавких предохранителей

К = I'_п / I_п, (2.76)

где I'_п – значение аварийного тока;

I_п - значение номинального тока

Амплитуда и длительность импульсов тока, которые допускает защищаемый элемент (устройство или, в данном случае, первичная питающая сеть), должны быть значительно большими, чем соответствующие значения при срабатывании предохранителя (I_п,t_пл.).

При выборе номинального значения тока плавкого предохранителя следует учитывать не только максимально допустимые для защищаемой первичной сети всплески тока, но и реально существующие (пусковые токи) при включении источника вторичного электропитания. Эти всплески, имеющие амплитуду, во много раз большую, чем их установившееся значение, определяются зарядными токами конденсаторов входных фильтров и токами кратковременного насыщения сердечников входных трансформаторов стабилизированных источников вторичного электропитания. Они могут привести к ложному срабатыванию плавких предохранителей (часто наступающему только после нескольких включений) кратковременной перегрузки первичного источника питания, обгоранию контактов механических и электромагнитных коммутирующих устройств, с помощью которых включается и отключается источник от питающего напряжения.

Наряду с плавкими предохранителями в источниках электропитания для защиты устройств радиоаппаратуры находят широкое применение следующие элементы:

- разрядники (воздушные или газонаполненные);

- варисторы;

- сапрессоры (диоды TRANSIL, TRISIL и TVS);

- специальные электронные модули протекторов.

б – разрядники воздушные в радиоаппаратуре применяются очень редко, в основном газоразрядники. Работа газоразрядника, так же как и воздушного разрядника, основана на принципе ионизации газа, находящегося между электродами и появление дугового разряда, когда напряжение увеличивается выше порогового значения.

а - обозначение газоразрядника на схеме;

б - диаграмма газоразрядника

Рисунок 2.100 - Форма напряжения на газоразряднике при его срабатывания

При этом за короткое время (примерно 1…2 мс) сопротивление в цепи разрядника падает с 100…10000 МОм до единиц мОм, и идущий по проводам линии импульс будет закорочен. Кратковременный ток разрядника может составлять значительную величину (10…100 кА), а пока он замыкает цепь,

остаточное напряжение между электродами у разных типов составляет от 25 до 150 В.

Наиболее наглядно действие газоразрядника, применяемого для защиты радиоаппаратуры, показывает диаграмма, приведенная на рисунке 2.100. Она поясняет работу разрядника на переменном напряжении при появлении импульсных помех. Максимальное напряжение (U_max), при котором разрядник откроется, зависит от скорости нарастания напряжения (dU/dt) помехи. На участке t₁…t₂ разрядник открыт.

При работе на постоянном напряжении мощные разрядники могут иметь инерционность возврата в закрытое состояние после срабатывания до 30 с.

в- сапрессоры. В последние годы для защиты оборудования все чаще применяют быстродействующие TRANSIL-, TRISIL- и TVS - диоды. Несмотря на разные названия, это один класс приборов - сапрессоров, имеющих небольшое различие в характеристиках и, соответственно, областях применения. К достоинствам сапрессоров можно отнести:

- самое высокое быстродействие, по сравнению со всеми другими

элементами защиты (≤1нс);

- наличие низких уровней напряжения ограничения;

- широкий диапазон рабочих напряжений;

- высокая долговечность и надежность;

- малые габариты.

TRANSIL – диоды (в наименовании используется часть, происходящая от английского слова Transient - переходной) изготавливаются как в однонаправленном, так и в двунаправленном исполнениях.

а - характеристика однонаправленного диода;

б - характеристика двунаправленного диода

Рисунок 2.101 - Вольт - амперные характеристики сапрессоров

Рабочая характеристика однонаправленных диодов (рисунок 2.101,а) очень похожа на имеющегося у стабилитрона (у них, как и у стабилитронов, используется обратный участок вольт-амперной характеристики). Принцип работы у него такой же, только быстродействие намного выше. А для того чтобы исключить повреждение элемента слишком большим током, разработчики рекомендуют в цепи последовательно с ним устанавливать резистор величиной

1…10 Ом (если других ограничений для тока нет).

Однонаправленное исполнение сапрессоров применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, поэтому приборы данного вида должны включаться в цепь с учетом полярности.

Двунаправленные диоды предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей, характеристика такого диода показаны на рисунке 2.101,б.

г – электронные модули. Обычно электронные модули выполняются на TVS – тиристоров со схемой, управляющей порогом срабатывания, или же на основе других специальных элементов, имеющих аналогичный принцип работы. В последнее время все больше появляются разработки различных защитных модулей и для низковольтных цепей. Так, например, фирма Махim для защиты USB – хабов выпускает микросхемы МАХ893L, МАХ1693 и МАХ1694,

которые являются быстродействующим (1 мкс) ограничителями напряжения и тока.

Так как перенапряжение, вызванное ударом молнии, имеет типичное время нарастания не мене 10 мкс и продолжительность приблизительно 1мс, для эффективной защиты радиоаппаратуры, питаемой от линии постоянного тока, используемые элементы должны не только выдерживать прямое попадание молнии (рассеять ее энергию), но и при этом быть достаточно быстродействующими. К сожалению, ни один из описанных ранее защитных компонентов самостоятельно не может обеспечить этих условий, поэтому приходится использовать их комбинированное включение (рисунок 2.102). Комбинированное использование разных типов элементов позволяет компенсировать недостатки одних достоинствами других.

Рисунок 2.102 – Схема комбинированного включения элементов защиты

д- стабилитроны или RC- цепочки. Защита от перенапряжений осуществляется с помощью стабилитронов или RC- цепочек. Модификация

защитных цепочек, на примере двухтактного инвертора с отводом от средней точки трансформатора, показаны на рисунке 2.103,а..в).

Ключевой режим работы в силовой цепи наряду с положительным эффектом

(снижение потерь) невозможен без коммутационных процессов, которые приводят (при высоких скоростях изменения тока и напряжения и наличие паразитных индуктивностей и емкостей) к паразитным высокочастотным

(единицы – сотни мегагерц) колебаниям. Амплитуда этих колебаний может значительно превышать рабочие уровни и предельно допустимые параметры транзисторов (рисунок 2.103,а)

а- форма сигнала на транзисторах;

б- со стабилитронами;

в- R –С –VD цепью

Рисунок 2.103- Цепочки для защиты транзисторов от перенапряжений и

из-за паразитных параметров силовой цепи

В диапазоне частот, при которых начинает сказываться индуктивность выводов стабилитронов, эффективнее применение RС – цепочки, снижающих скорость нарастания коллекторного или базового токов в транзисторах. Эти цепочки могут подключаться, как показано на рисунке 2.103,в.

В однотактных инверторах широко применяются VD-RC- цепочка.

В схеме на рисунке 2.103,в для удобства анализа индуктивность рассеивания «вынесена» из трансформатора и показана в виде L_рас.

В момент замыкания транзистора VT реактивная энергия, запасенная L_рас. При прохождении рабочего тока через эту цепочку, передается через диод VD в конденсатор. Напряжение на конденсаторе примерно через четвертую часть периода (половину полуволны), возрастает на ∆U_с. В течение оставшейся части периода работы инвертора конденсатор разряжается через резистор R, так как диод VD закрыт.

VD-RC- цепочка обеспечивает минимальные потери и может применяться как в однотактных, так и двухтактных инверторах, аналогичная цепочка может

подключаться непосредственно к электродам транзистора (показана на рисунке 2.103,в штриховой линией). Однако в этой цепочке несколько выше потери, поскольку для обеспечения цепи разряда L_рас. Диод включен в прямом направлении по отношению к U_о.

Стабилитроны широко применяются для защиты регулирующих транзисторов от перегрузки по напряжению в стабилизированных источниках электропитания (рисунок 2.10,а..б).

а – защите коллектор- эмиттер транзистора;

б - защита коллектор – база транзистора

Рисунок 2.104 - Защита транзистора от перегрузки по напряжению

Напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора VT не может быть больше рабочего напряжения стабилитрона VD, которое выбирается с запасом по отношению к U_к.доп. Во время включения стабилизатора через VD пройдет кратковременно большой ток заряда конденсатора С_вых, который в силу его малой длительности не выводит из строя стабилитрон. При коротком замыкании как через VT, так и через VD пройдет большой ток, поэтому в качестве VD следует применять мощный стабилитрон типа Д815…Д817. В схеме, приведенной на рисунке 2.104,а, обычно ток через стабилитрон превышает ток через транзистор и последний сильно разгружается. Иногда для уменьшения тока через стабилитрон последовательно с ним включают ограничивающий резистор. Но при этом надо, чтобы транзистор VT выдержал суммарное напряжение на VD и резисторе.

В схеме, приведенной на рисунке 2.104,б, при повышении напряжения на участке коллектор- база VT пробивается стабилитрон VD и ограничивает величину U_кб (напомним, что напряжение на участке коллектора - эмиттер отличается от напряжения на участке коллектор – база примерно на один вольт). Через VD протекает ток базы VT и поэтому он может быть маломощным (Д814). Зато он при коротком замыкании не разгружает по току регулирующий транзистор VT. При коротком замыкании на выходе по резистору R проходит большой ток и U_кб регулирующего транзистора становится существенно меньше, чем рабочее стабилитрона. Это приводит к уменьшению значения Р_к. Включение резистора R приводит к уменьшению КПД, если это недопустимо,

то можно резистор не включать. Основную свою функцию – защиту VT от перенапряжения – схема будет выполнять и без резистора R.

Дата добавления: 2014-01-04