Электронные предохранители блоков питания на полевых транзисторах. Электронный предохранитель на полевом транзисторе

Содержание:

Плавкие предохранители являются одноразовыми и требуют обязательной замены в случае их выхода из строя при скачках напряжения. Каждый из них рассчитан на определенный ток, однако при отсутствии подходящего элемента, ставится наиболее близкий по значению. Подобные действия оказывают негативное влияние на работу аппаратуры и снижают ее надежность. Поэтому в современных схемах используются ограничители тока, представляющие собой электронные предохранители. Эти приборы обеспечивают автоматическую защиту и существенно повышают быстродействие устройств.

Эффективность ограничителей тока

Плавкие предохранители использовались практически во всех схемах в течение длительного времени. Они часто выходили из строя и требовали ручной замены. При их отсутствии практиковалось использование самодельных устройств в виде различных перемычек, очень ненадежных и опасных во всех отношениях.

На смену этим простейшим элементам пришли электронные предохранители, исполняющие роль ограничителей тока. По своему действию они разделяются на две основные категории. Первая группа осуществляет восстановление питающей цепи после того как устранены причины аварии. Работа приборов второй группы происходит только с участием специалистов. Кроме того, существуют устройства пассивной защиты, сигнализирующие с помощью звука или света о возникновении опасной ситуации.

В радиоэлектронных устройствах защита от токовых перегрузок осуществляется с использованием резистивных или полупроводниковых датчиков тока, последовательно включаемых в цепь. Если напряжение падает ниже нормативного уровня, происходит срабатывание защитного устройства, отключающего аппаратуру от питающей сети. Данный способ защиты предполагает возможность изменения величины тока, при котором наступает срабатывание защиты.

Хорошую и эффективную защиту обеспечивает ограниченная величина предельного тока, проходящего через нагрузку. Заданный уровень не может быть превышен даже при наличии в цепи короткого замыкания. Ограничение предельного тока выполняется с помощью специальных устройств - генераторов стабильного тока.

Схемы электронных предохранителей

На представленных схемах отображаются наиболее простые автоматические защитные средства от токовых перегрузок. В основе устройства этих приборов лежат , обладающие начальным током, который не может быть превышен. Необходимая величина тока задается путем подбора определенного транзистора.

На схеме 1 используется элемент марки КП302А, указывающий на максимальное значение тока 30-50 мА. Для того чтобы повысить это значение, необходимо включить параллельно сразу несколько транзисторов.

Схема 2 работает с использованием обычных биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом передачи тока 80-100. Путь входного напряжения начинается в резисторе R1, далее проходит через транзистор VT1, открывая его. Режим насыщения транзистора способствует уходу большей части напряжения к выходу. Если ток не превышает пороговое значение, в этом случае транзистор VT2 остается закрытым и светодиод HL1 светиться не будет. В схеме 2 резистор R3 является датчиком тока.

В случае падения напряжения транзистор VT1 закроется, ограничивая, таким образом, прохождение тока через нагрузку. Элемент VT2, наоборот, будет открыт, с одновременным включением светодиода. Номиналы элементов, указанных на схеме 2, соответствуют току короткого замыкания с напряжением 0,7 вольт, сопротивлением 3,6 Ом и силой тока 0,2 - 0,23 ампера.

На схеме 3 в электронном предохранителе в качестве ключа используется полевой транзистор VT1 повышенной мощности. Срабатывание защиты происходит при токе, зависящем от соотношения резистивных элементов. Важную роль играет величина сопротивления датчика тока, последовательно включаемого в цепь вместе с полевым транзистором. После того как защита сработала, повторное подключение нагрузки происходит путем нажатия кнопки SA1.

Ограничители тока - стабилизаторы

Стабилизаторы считаются одними из наиболее эффективных ограничителей тока. Например, с помощью устройства на схеме 1 возможно получение на выходе стабильного напряжения, с возможностью регулировки в пределах от 0 до 17 вольт.

От коротких замыканий и превышения тока применяются специальные элементы в виде тиристора VS1 и датчика тока на резисторе R2. Когда в нагрузке увеличивается ток, происходит включение тиристора с одновременным шунтированием цепи управленияVT1. После этого значение выходного напряжения становится равным нулю. Срабатывание защиты подтверждается включением светодиода.

После устранения неисправности повторный запуск стабилизатора происходит путем нажатия на кнопку SB1 и последующей разблокировки тиристора. Существуют ограничители тока, оборудованные защитой и звуковыми индикаторами перегрузок. Для управления генератором звуковой частоты используется специальный ключ на транзисторе.

Вам надоело менять предохранители каждый раз, когда они сгорают? Используйте электронный предохранитель постоянного тока, который будет защищать ваши устройства, подключенные к . Этот "предохранитель" может быть восстановлен, просто отключив и снова включив его. Такой предохранитель использует N-канальный FET полевой транзистор как датчик тока. Также транзистор осуществляет отключение линии нагрузки по массе, когда ток превысит максимально допустимое значение.

Схема предохранителя

Печатная плата

Ток отсечки (срабатывания) можно регулировать переменным резистором Р1 от 0 до 5 А. Данная схема может корректно работать с максимальным током нагрузки до 5 ампер. Не перегружайте её, если не хотите сжечь детали. На длительном высоком токе транзистор может становиться горячим, поэтому нужен небольшой радиатор.

Теперь о конденсаторах в базовой цепи - С1 и С2 транзистора Т2. В зависимости от их ёмкости, меняется скорость срабатывания. Например с С1 будет отключаться медленно (пропуская кратковременные пики нагрузки), а С2 мгновенно. При настройке отрегулируйте резистор Р1 до тех пор, пока предохранитель не "перегорит".

Сброс предохранителя прост: отключите его питание, и при повторной подаче напряжения схема готова защитить ваши приборы снова. Устройство подходит как приставка для любого источника питания постоянного тока (с переменным схема не заработает) на напряжение выхода до 25 В. При более высоком напряжении потребуется изменить номиналы некоторых резисторов и поставить транзисторы по мощнее. А для защиты самого БП можно сделать вот .

Принципиальная схема микроконтроллерного дозиметра с LCD, на базе счётчика Гейгера СБМ-20 и PIC16F684.

Электронный предохранитель являются действенным способ позволяющий защитить всевозможные электронные приборы от перегрузок по току.

В основном электронные предохранители обязаны соответствовать следующим требованиям: они должны быть экономичными, простыми и в то же время надежными и иметь малые размеры. Для воплощения всех перечисленных требований как нельзя, кстати, подходят полевые транзисторы высокой мощности.

Принципиальная схема одного из вариантов подобного электронного предохранителя приводится в данной статье.

Описание работы электронного предохранителя

Данный электронный предохранитель подключается в разрыв цепи между источником питания и защищаемой нагрузкой. Схема обеспечивает защиту при напряжении 5…20 вольт при нагрузке, доходящей до 40 ампер.

(DA1) построен , на вход 3 которого подается опорное напряжение со (DA2). Полевой транзистор VT1 воплощает сразу две функции: датчика тока и мощного электронного ключа. Как уже отмечалось выше, специфика электронного предохранителя заключается в применении сопротивления канала полевого транзистора в роле датчика тока.

Ключевые характеристики используемого полевого транзистора

• предельная мощность рассеивания — 110 Вт.
• сопротивление канала — 0,027 Ом.
• максимальное напряжение сток-исток — 55 В.
• предельный ток стока — 41 А.

Для активации предохранителя предназначена кнопка SA1 (без фиксации). При непродолжительном нажатии на ее, напряжение поступает на затвор полевого транзистора через сопротивление R4 и диод VD2. В результате этого транзистор подключает питание к нагрузке.

Состояние на выходе операционного усилителя LМ358 связано с уровнем напряжения на его входе 2. Если ток, потребляемый нагрузкой, меньше установленного порога срабатывания электронного предохранителя, то напряжение на входе 2 компаратора будет ниже опорного напряжения на выводе 3. В результате на выходе 1 будет высокий уровень напряжения, который поддерживает транзистор в открытом состоянии.

Одновременно с ростом тока потребления, будет увеличиваться и напряжение на полевом транзисторе VT1. Когда данное напряжение превзойдет напряжение на сопротивлении R1, на выходе компаратора напряжение начнет снижаться, транзистор VT1 начнет закрываться с одновременным ростом напряжение на нем.

В связи с этим на выходе компаратора еще сильнее снижается напряжение, что в конечном итоге это приводит к мгновенному закрытию транзистора и обесточиванию нагрузки. Для повторной активации электронного предохранителя нужно повторно нажать кнопку SA1.

Необходимую величину тока срабатывания предохранителя подбирают подстроечным сопротивлением R1. В случае если контролируемое питание стабильно, то стабилизатор DA2 и сопротивление R3 можно убрать из схемы, установив на место R3 перемычку. Для надежного отключения контролируемой нагрузки при небольшом токе срабатывания (не более 1…1,5 ампер) надлежит повысить сопротивление датчика тока, подключив резистор около 0,1 Ом в электрическую цепь стока транзистора VT1 (точка «А» на схеме).

В схеме возможно использовать произвольный ОУ (DA1), который может работать при нулевом напряжении на обоих входах в режиме однополярного питания, а именно К1464УД1Р, КР1040УД1А, К1464УД1Т. DA2 может быть заменен на отечественный КР142ЕН19. Подстроечный резистор марки СПЗ-28, СПЗ-19а. Все постоянные резисторы С2-33, МЛТ. Не оксидный конденсатор С1 типа К10-17В

В источниках питания любого типа важна защита цепей питания от перегрузок по току и напряжению, а также безопасное подключение источников питания к нагрузке. Среди предлагаемых компанией решений для безопасной коммутации и мониторинга цепей питания есть как изделия для работы с внешними транзисторами, так и изделия нового поколения – электронные предохранители eFuse, содержащие встроенный силовой ключ.

Схема цепи питания электронного устройства состоит из источника питания и подключаемой нагрузки. Для безопасной и надежной работы устройства источник питания должен обеспечивать номинальный режим по току и напряжению в цепи. При аварийных ситуациях в цепи питания могут происходить как кратковременная, так и долговременная перегрузки по току, перенапряжение либо подача недостаточного для корректной работы напряжения питания, а также ошибочная смена полярности напряжения в результате неправильного подключения источника питания к нагрузке. Все эти события могут вызвать выход из строя питаемого устройства (нагрузки), а также силовых цепей источника питания, привести к локальному перегреву и даже возгоранию устройств. Международные стандарты регламентируют обязательное использование в цепях питания электронных устройств предохранительных приборов, обеспечивающих гарантированное отключение устройства от цепи питания при перегрузках для предотвращения возгорания в процессе эксплуатации.

Перегрузки по току и по напряжению в основном возникают в процессе подключения или отключения источника питания от нагрузки. Основная причина токовой перегрузки при подключении питания – повышенный пусковой ток (inrush current), значение которого может на порядок превышать номинальный ток. Типичный пример: момент подключения сетевого AC/DC-адаптера к электронному блоку, емкость входных цепей питания которого может составлять несколько тысяч микрофарад. Высокий пусковой неконтролируемый ток способен сжечь предохранитель в цепи питания (лучший вариант с позиции безопасности), вывести из строя входные цепи питаемого электронного блока, а также привести к выходу из строя выходных силовых транзисторов источника питания. Высокие пусковые токи могут возникать и в цепях питания мощных электроприводов. Проблема защиты питания от перегрузок особенно актуальна для следующих классов электронных устройств:

• электронные приборы с питанием от внешних сетевых AC/DC-адаптеров;
• электронные системы с «горячим» (hotswap) подключением сменных модулей (например, телекоммуникационное стоечное оборудование);
• периферийные компьютерные устройства, подключаемые к шине USB (например, внешние накопители на жестком диске);
• системы и приборы с резервными или альтернативными источниками питания (литиевый аккумулятор, сетевой адаптер, бортовая сеть автомобиля);
• источники бесперебойного питания, системы с его резервированием.

Во всех этих устройствах при работе возможно возникновение опасных переходных процессов в цепях питания.

Пассивные элементы защиты на дискретных элементах

Пассивные защитные элементы в цепях питания электронной аппаратуры используются уже несколько десятков лет и продолжают активно использоваться в настоящее время. К ним относятся:

• плавкие предохранители (защита по току);
• восстанавливаемые предохранители (защита по току);
• стабилитроны (защита от перенапряжения).

Причиной распространенности и популярности пассивных предохранителей является в первую очередь низкая цена и простота применения. Однако эти компоненты обладают определенными недостатками.

Основные недостатки плавких предохранителей

• Непредсказуемый момент срабатывания вследствие влияния многих неопределенных во времени факторов. В первую очередь от температуры окружающей среды, ресурса работы предохранителя и режимов работы. В итоге ток срабатывания может сильно отличаться от номинального, указанного на предохранителе.
• Медленное срабатывание. Есть быстрые (fast) и медленные (slow) плавкие предохранители. Процесс расплавления проводящей проволочки сверхтоком может произойти за время от единиц до десятков миллисекунд для fast и до несколько сот миллисекунд для предохранителей slow. Время срабатывания зависит от уровня токовой перегрузки (см. рисунок 1). Чем больше ток – тем быстрее происходит расплавление проволочки. Для предохранителя с номинальным током 0.5 А время срабатывания равно 1 мс при трехкратном превышении тока.
• Зависимость порога тока от окружающей температуры. Чем больше внешняя температура, тем меньше энергии требуется на расплав проволочки, и тем при меньшем токе сработает защита.
• Требуется замена перемычки после срабатывания.
• Питаемое устройство после срабатывания предохранителя остается без питания.

Основные недостатки самовосстанавливающихся предохранителей

• Значительное сопротивление в штатном режиме при номинальных токах. Работа предохранителя пассивного типа основана на локальном перегреве омической структуры сверхтоками, в результате чего увеличивается сопротивление и происходит ограничение тока. Потери энергии на них в два раза выше, чем на обычных плавких вставках.
• Низкая стойкость к импульсным перенапряжениям и сверхтокам. По мере воздействия таких импульсов на предохранитель PolySwitch, происходит деградация элементов, изменение их важных параметров (сопротивления в открытом состоянии и тока срабатывания) и выход из строя.
• Изменение токового порога срабатывания со временем вследствие неизбежной деградации структуры.
• Значительная зависимость тока срабатывания от температуры окружающей среды (см. рисунок 2). Порог срабатывания одного и того же предохранителя может колебаться в диапазоне от 40 до 140% от номинального тока, в зависимости от температуры (кривая С на рисунке 2).
• Сопротивление предохранителя увеличивается после каждого срабатывания, что приводит к дальнейшему увеличению потерь мощности.

Электронные предохранители e-Fuse

Недостатков, присущих пассивным схемам защиты, полностью лишены активные или, как их еще называют, электронные предохранители серии eFuse производства компании Texas Instruments. По сути, электронный предохранитель представляет собой схему полевого ключа с низким сопротивлением открытого канала, интегрированной схемой управления и цепями мониторинга уровня проходящего тока и входного напряжения. Структурная схема электронного предохранителя eFuse приведена на рисунке 3.

Схема включается в разрыв цепи питания и обеспечивает защиту цепей нагрузки от повышенного пускового тока, тока короткого замыкания, бросков входного напряжения, пониженного напряжения, а также от ошибочной смены полярности напряжения на входе.

Пороги могут устанавливаться внешними цепями (резисторами или резистивным делителем напряжения) или, например, с выходного порта микроконтроллера, осуществляющего мониторинг состояния цепей питания устройства или системы. Срабатывание электронного предохранителя происходит автоматически при обнаружении одного из заданных тревожных событий: превышения заданного уровня тока, снижения уровня входного напряжения ниже нормы, превышения уровня напряжения выше нормы, ошибочной полярности напряжения на входе.

Выпускаются электронные предохранители как со встроенным ключом, обеспечивающим работу в цепях с током до 12 А, так и для применения с внешним силовым транзистором. Предохранитель eFuse с внешним ключом обеспечивает больший уровень коммутируемого тока. Кроме того, в зависимости от заданного типа защиты в предохранителях может быть использован один из сценариев защиты: автоматическое восстановление коммутации после пропадания аварийной ситуации или же защелка аварийного события. Во втором случае для возвращения в нормальный режим работы требуется перезапуск источника питания при участии оператора или под управлением микроконтроллера, производящего мониторинг цепей питания.

Электронные предохранители eFuse со встроенным ключом

Предохранители со встроенным полевым транзистором предназначены для защиты цепей питания в диапазоне от 2.5 до 20 В с током до 12 А. Устройства данного типа можно разделить на три сегмента: с фиксированным рабочим напряжением ( / /), с широким диапазоном рабочих напряжений () и с возможностью измерения протекающего через них тока ( /).

В таблице 1 приведены основные параметры микросхем электронных предохранителей e-Fuse со встроенным MOSFET-транзистором.

Таблица 1. Электронные предохранители со встроенным ключом

Наименование	Макс. ток, А	Рабочее напряжение, В	Установка порогового тока	Мониторинг	Отключение при пониженном напряжении	Защита от перенапряжений	Контроль нарастания вых напр
	5	5; 12	Внешний резистор	нет	Внешняя цепь	Встроенная: 6.1 В; 15 В	Внешний конденсатор
	5	2.9…20	Внешний резистор,	нет	Внутренний компаратор	Внешняя	Внешний конденсатор
	12	2.5…18	Внешний резистор,	Аналоговый выход	Внутренний компаратор	Внутренний компаратор	Внешний конденсатор

На рисунке 4 показана схема применения простого электронного предохранителя TPS2592х.

Уровень порога ограничения тока через транзистор задается резистором Rlim (вход ILIM). Точность установки порога – 15%. Диапазон регулировки порога ограничения тока 2…5 А. Делителем R1/R2 задается порог пониженного напряжения (вход EN/UVLO). Низким уровнем можно блокировать этот тип защиты. Порог перенапряжения задается внутренней схемой в процессе изготовления. Величина порога определяется версией (индексом) микросхемы. Для TPS2592Ax порог перенапряжения составляет 12 В, а для TPS2592Вx – 5 В. Защелкивание, срабатывание защиты, например, для версии 5 В происходит при достижении 6.1 В на входе. Сопротивление открытого ключа проходного транзистора – всего 29 мОм.

Алгоритм работы, а также основные параметры механизма защиты устройств семейства TPS2592 приведены в таблице 2.

Таблица 2. Модификации электронных предохранителей типа TPS2592 с различными сценариями защиты

Усилитель сигнала токового шунта INA225

Микросхема обеспечивает контроль тока в цепи нагрузки. По сути это дифференциальный усилитель сигнала с внешнего резистора (токового шунта) с программируемым коэффициентом усиления. Выходной сигнал, пропорциональный току в цепи нагрузки, аналоговый. Оцифровка производится АЦП внешнего микроконтроллера. На рисунке 14 показана схема включения микросхемы .

Программирование (выбор) четырех коэффициентов усиления (25/50/100/200) производится двумя цифровыми разрядами из микроконтроллера. Микросхема предназначена для мониторинга тока в цепях питания различного оборудования (измерительного, телекоммуникационного, зарядных устройств, источников питания). Корпус микросхемы: MSOP-8. Рабочий температурный диапазон: -40…125°C. Питание производится от напряжения питания 2.5…36 В, т.е. от цепей контролируемого напряжения.

Компаратор токовой защиты INA300

Компаратор обеспечивает пороговый мониторинг тока в заданной цепи. Он имеет один цифровой выход признака превышения сигналом установленного порога. Со стороны микроконтроллера можно задать нужный уровень порога (задается внешним резистором RLIMIT и программируемым сигналом с выхода ЦАП микроконтроллера). Сигналы управления со стороны микроконтроллера: Enable-разрешение, Latch–режим защелки аварийного события. Внешними цепями можно задать уровень быстродействия компаратора – 10/50/100 мкс. На рисунке 15 показана типовая схема включения компаратора.

Заключение

Для защиты устройств от высоких пусковых токов, перенапряжений, а также для мониторинга параметров питания компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкую линейку интегральных микросхем.

Новый класс интеллектуальных устройств защиты электронных приборов по цепям питания обеспечивает:

• повышение уровня надежности и безопасности применения приборов;
• повышение уровня обслуживания и эксплуатации, снижение затрат на обслуживание и ремонт;
• уменьшение потерь электроэнергии;
• повышение уровня интеграции (уменьшение габаритов и массы устройств, сокращение места на печатных платах).

Было бы преступлением не упомянуть здесь плавкие предохранители. Как и другие типы предохранительных устройств они призваны защищать участок цепи от губительных перепадов питающего тока.

Плавкие предохранители

Отличительная особенность таких предохранителей - их очевидная простота. Устройство представляет собой не что иное, как участок проволоки небольшого диаметра. Последняя легко плавится при превышении силы тока сверх заданного порога.

Конечно, у такого метода защиты есть очевидный недостаток – время реакции (плавление проволоки не происходит мгновенно). То есть от кратковременных, но от этого не менее губительных, импульсов тока он не спасет. Зато он очень эффективен при коротких замыканиях в сети или при превышении допустимой нагрузки.

Принцип работы основывается на тепловой работе, которую совершает ток при прохождении через проводники (и напряжение здесь не имеет особого значения).

Сила тока = Максимально допустимая мощность цепи / Напряжение

То есть максимальная сила тока, которую должен выдерживать плавкий предохранитель в цепи питания 220 В при максимальной нагрузке в 3 кВт – около 15 А.

Ввиду того, что плавкость зависит от множества факторов (диаметр проволоки, теплоотводящая способность окружающей среды, материал, из которого изготовлена проволока, и т.п.), то чаще всего сгоревший элемент меняют согласно готовым расчетам из таблицы ниже (для наиболее популярных металлов).

Таблица 1

Предохранители на реле

Как и было сказано выше, плавкие предохранители имеют серьезный недостаток – время реакции. Кроме того, сгоревший элемент необходимо полностью менять (требуется замена проволоки или всего предохранителя).

В качестве альтернативы можно рассмотреть реле.

Один из примеров реализации такой схемы ниже.

Рис. 1. Схема реле

При коротком замыкании в питаемой цепи резко возрастает ток, вследствие чего составной транзистор (VT1 VT2) запирается и всё напряжение прикладывается к первому реле, которое, в результате срабатывания, размыкает второе реле и ток остается только на закрытом составном транзисторе.

Обозначенный блок рассчитан только на цепи, ток питания которых не превышает 1,6А, что может быть неудобно для разных задач.

Её можно немного переделать так.

Рис. 2. Переделанная схема реле

Номинал R4 не прописан специально, так как он требует расчета в зависимости от параметров питаемой цепи.

В качестве основы можно использовать готовые показатели в таблице ниже.

Таблица 2

Обе приведенные схемы рассчитаны на работу только в цепях питания 12 В.

Электронные предохранители без реле

Если ваша схема питается током до 5 А и напряжением до 25 В, то вам определенно понравится схема ниже. Порог срабатывания может быть настроен подстроечным резистором, а время реакции можно задать с помощью конденсатора.

Рис. 3. Схема предохранителя без реле

Ввиду того, что под постоянной нагрузкой транзистор может греться, его лучше всего разместить на теплоотводе.

В качестве альтернативной реализации, но с тем же принципом.

Рис. 4. Схема предохранителя без реле

Еще более простой электронный предохранитель с минимумом деталей на схеме ниже.

Рис. 5. Схема электронного предохранителя с минимумом деталей

При возникновении короткого замыкания транзистор блокируется на непродолжительное время. Если блокировка будет снята, а короткое замыкание останется, то "предохранитель" снова сработает и так до тех пор, пока в питаемой цепи не будет устранена проблема. То есть такой предохранитель не требует включения или выключения. Единственный его недостаток – постоянное включение прямой нагрузки в цепи в виде резистора R3.

Электронный предохранитель для 220 В

Схемы электронных предохранителей, приведенные выше, могут работать только в цепях с постоянным питанием. Но что, если вам нужен быстродействующий предохранитель для защиты питания в цепях с переменным током 220 В?

Можно использовать схему блока защиты от перегрузок ниже.

Рис. 6. Схема блока защиты от перегрузок

Максимальный ток срабатывания этой схемы, выполненной на стабилизаторе 7906 – 2А.

T1 – транзистор TIC225M, а

T2 - BTA12-600CW (замена не допустима).

В качестве более простых альтернатив для цепей с переменным током могут выступать следующие.