Микросхема защиты по току

Содержание

Рубрикатор

События

Наши новости

Новости

Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Сегодня разработчики аппаратуры не испытывают недостатка в разнообразных элементах зашиты электрических цепей от перегрузок по току. Однако типовые схемотехнические решения далеки от идеальных из-за многообразия причин, по которым может возникнуть угроза повреждения оборудования аномально высоким током, и физических ограничений, присущих самим элементам защиты от перегрузок. Новое семейство гибридных интегральных микросхем компании «СИНТЭК» [1] пополняет арсенал средств, предотвращающих выход техники из строя.

Простота и доступность полимерных элементов токовой защиты, таких как самовосстанавливающиеся предохранители PolySwitch, обеспечили им популярность у конструкторов РЭА. Однако разработчикам приходится мириться с целым рядом ограничений [2].

Так, PolySwitch предназначен для защиты электрических цепей только от непродолжительных аварийных перегрузок по току. Он не рассчитан на использование в условиях, когда перегрузка является одним из режимов функционирования. Продолжительная работа прибора в аварийном режиме или большое количество срабатываний приводит к деградации его электрических параметров. В то же время, значительная инерционность самовосстанавливающегося полимерного предохранителя оставляет аппаратуру без защиты от кратковременных перегрузок по току. Не добавляет уверенности разработчику и неопределенность поведения полимерных элементов токовой защиты в диапазоне токов от рабочего до срабатывания. Соотношение этих токов у PolySwitch может варьироваться от 1:1,7 до 1:3, а на сам процесс срабатывания влияет множество факторов, важнейшими из которых являются температура окружающей среды и динамические характеристики тока при перегрузке. Не лишним будет помнить и о конструктивных ограничениях. Так, заливка жестким компаундом препятствует расширению полимерного элемента токовой защиты во время срабатывания. Напротив, если материал компаунда слишком мягок, может пострадать способность прибора к теплопередаче. В обоих случаях устройство токовой защиты на базе PolySwitch не сможет реализовать свои функции.

Перечисленных недостатков практически лишены специальные электронные схемы защиты от токовых перегрузок [3], но они, как правило, громоздки и дороги.

Интегральные микросхемы токовой защиты (ИМТЗ) серии К294ХП1 созданы на базе инерционного оптоэлектронного коммутатора с нормально замкнутыми контактами на полевых транзисторах со встроенным каналом [4]. ИМТЗ выпускаются в корпусе 4LSIP4 или в безвыводном корпусе для поверхностного монтажа типа CSP с размерами 5×10×3 мм (рис. 1). Микросхема в совокупности с внешними, задающими токи срабатывания, элементами образует двухвыводное устройство защиты, которое включается в разрыв линии связи. Пример функциональной схемы такого устройства представлен на рис. 2, а его статическая вольт-амперная характеристика — на рис. 3а.

В безаварийном режиме ИМТЗ находится во включенном низкоомном состоянии, которое характеризуется сопротивлением R_вкл.. При этом начальный участок вольт-амперной характеристики (участок I на кривой а рис. 3) двухвыводного устройства защиты практически линеен для постоянного тока или переменного тока звуковой частоты. Вносимое в линию устройством защиты сопротивление складывается из сопротивления микросхемы во включенном состоянии R_вкл. и сопротивления внешнего токозадающего резистора R_огр..

Если в результате роста тока в линии падение напряжения на резисторе R_огр. станет равным пороговому значению U_пор.1, ИМТЗ, оставаясь во включенном состоянии, переходит в режим ограничения тока (участок II на на кривой а рис. 3). Величина тока срабатывания I_ср1 и тока, потребляемого входом 3 микросхемы для поддержания такого режима, не превышает 200 мкА.

Требуемая величина тока ограничения I_огр. задается внешним резистором R_огр., сопротивление которого рассчитывается по формуле:

При выборе режима работы устройства защиты следует учитывать, что в нормальных условиях ИМТЗ длительное время может рассеивать мощность Р_доп. не более 0,18 Вт. Для борьбы с достаточно мощными кратковременными помехами или сбоями на защищаемой линии величина допустимой мощности рассеяния микросхемы Р_{доп. имп.} может быть увеличена до 0,45 Вт при длительности импульса перегрузки не более 1 с.

После перехода устройства защиты в режим ограничения тока дальнейшее развитие аварийной ситуации на линии может привести к тому, что величина постоянного напряжения или действующего значения переменного напряжения на входе 1 микросхемы превысит пороговое значение U_пор.2. В этом случае ИМТЗ переходит в высокоомное (выключенное) состояние, характеризуемое микроамперными токами утечки I_ут. (участок III на на кривой а рис. З). В зависимости от ожидаемой величины постоянного аварийного напряжения U_ав. или действующего значения переменного аварийного напряжения U_ав.(д.) выбирается оптимальный по электрическим характеристикам типономинал микросхемы (табл. 1). Величина потребляемого входом 1 тока срабатывания I_ср.2, при котором начнется переход микросхемы в высоокомное состояние, составляет всего несколько сотен микроампер. Однако для надежного отключения линии необходимо, чтобы внешний токозадающий элемент (в качестве этого элемента может выступать резистор, конденсатор или специальный источник тока) обеспечивал поддерживающий выключенное состояние ток I_выкл. через вход 1 микросхемы на уровне нескольких миллиампер. Вход 1 имеет характеристику стабилитрона. При этом, устанавливая режим работы микросхемы, необходимо проверить, не превысит ли рассеиваемая ею мощность допустимую.

Если требуемая величина постоянного напряжения или действующего значения переменного напряжения U_выкл., при котором двухвыводное устройство защиты переходит в выключенное состояние, задается резистором R_выкл., то его величина может быть рассчитана по следующей формуле:

Следует отметить, что время срабатывания (переход из включенного состояния в выключенное) составляет всего несколько сотен микросекунд, а время восстановления (переход из высокоомного состояния в низкоомное) занимает время, измеряемое уже долями секунды. Благодаря этой особенности микросхемы, при воздействии на электрическую линию высокого напряжения промышленной частоты с действующим значением более U_выкл. двухвыводное устройство защиты как бы «зависает» в высокоомном состоянии, не успевая включаться при изменении направления тока. При этом его вольт-амперная характеристика приобретает вид, представленный на кривой б рис. 3.

Впервые интегральную микросхему токовой защиты серии К294ХП1 применили специалисты петербургского НПО «Инженеры электросвязи» [5] для зашиты АТС от контакта линий проводной связи с промышленными электросетями в случае аварии [6]. На рис. 4 представлена функциональная схема модуля кроссовой защиты, построенного с применением двухвыводной микросборки CL356 (ее основные электрические параметры приведены в таблице 2).

Благодаря тому, что величина тока срабатывания I_ср.2, при котором двухвыводное устройство защиты CL356 переходит в выключенное состояние, задается конденсатором, только перегрузка по переменному напряжению с действующим значением более U_выкл. воспринимается ИМТЗ как авария, а протекание постоянного тока не приводит к отключению линии. Это обеспечило нормальное функционирование модуля кроссовой защиты в режимах, когда рабочие сигналы, такие как «посылка вызова» или «индукторный сброс», могли быть восприняты как перегрузка, и позволило эффективно бороться с аварийными напряжениями промышленной частоты по величине намного ниже уровня срабатывания традиционных элементов защиты.

Надежное ограничение амплитуды тока в линии, высокое быстродействие при срабатывании, отсутствие деградации электрических характеристик после длительного или многократного воздействия аварийного режима стали основой для дальнейшего расширения сфер применения ИМТЗ серии К294ХП1. Например, эффективным оказалось использование описанной микросхемы для зашиты цепи управления высокоомной нагрузкой от короткого замыкания. Возможность раздельной настройки ИМТЗ на постоянную и переменную составляющие аварийного тока позволило создать надежную защиту оборудования и персонала от воздействия «блуждающих токов», возникающих из-за индуктивного влияния промышленных электросетей на линии проводной связи. Дополнительные возможности открывают разработчикам аппаратуры интегральные микросхемы токовой зашиты серии К294ХП1 со встроенной аварийной светодиодной индикацией и значительно более низкой величиной вносимого в линию сопротивления.

Литература

www.syntec.orel.ru
Курышев К. Все, что вы хотели узнать о PolySwitch, но боялись спросить // Компоненты и технологии. 2006. № 3.
Патент США № 4475012, кл. Н04М 1/31, опубликован 02.10.84.
Заявка № 2005106970/09 от 10.03.2005. Устройство защиты от токовых перегрузок. Авторы: Барановский Д. М., Терентьев Д. Е., Федосов В. С.
www.commeng.ru
Пашкевич А. Ю., Сергеев А. В. Совместная разработка производителей оборудования связи и компонентов // Техника связи. 2006. № 3.

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Для защиты радиоэлектронного оборудования традиционно применяют плавкие предохранители. Обычно в них используют тонкие неизолированные проводники калиброванного сечения, рассчитанные на заданный ток перегорания. Наиболее надежно эти приспособления работают в цепях переменного тока повышенного напряжения. С понижением рабочего напряжения эффективность их применения снижается. Обусловлено это тем, что при перегорании тонкой проволоки в цепи переменного тока возникает дуга, распыляющая проводник. Предельным напряжением, при котором может возникнуть такая дуга, считается напряжение 30. 35 6. При низковольтном питании происходит просто плавление проводника. Процесс этот занимает более продолжительное время, что в ряде случаев не спасает современные полупроводниковые приборы от повреждения.
Тем не менее, плавкие предохранители и поныне широко используют в низковольтных цепях постоянного тока, там, где от них не требуется повышенное быстродействие.
Там, где плавкие предохранители не могут эффективно решить задачу защиты радиоэлектронного оборудования и приборов от токовых перегрузок, их можно с успехом использовать в схемах защиты электронных устройств от перенапряжения.
Принцип действия этой защиты прост: при превышении уровня питающего напряжения срабатывает пороговое устройство, устраивающее короткое замыкание в цепи нагрузки, в результате которого проводник предохранителя плавится и разрывает цепь нагрузки.
Метод защиты аппаратуры от перенапряжения за счет принудительного пережигания предохранителя, конечно, не является идеальным, но получил достаточно широкое распространение благодаря своей простоте и надежности. При использовании этого метода и выбора оптимального варианта защиты стоит учитывать, насколько быстродействующим должен быть автомат защиты, стоит ли пережигать предохранитель при кратковременных бросках напряжения или ввести элемент задержки срабатывания. Желательно также ввести в схему индикацию факта перегорания предохранителя.
Простейшее защитное устройство [4.1], позволяющее спасти защищаемую радиоэлектронную схему, показано на рис. 4.1. При пробое стабилитрона включается тиристор и шунтирует нагрузку, после чего перегорает предохранитель. Тиристор должен быть рассчитан на значительный, хотя и кратковременный ток. В схеме совершенно не допустимо использование суррогатных предохранителей, поскольку в противном случае могут одновременно выйти из строя как защищаемая схема, так и источник питания, и само защитное устройство.

Рис. 4.1. Простейшая защита от перенапряжения

Рис. 4.2. Помехозащищенная схема защиты нагрузки от превышения напряжения

Усовершенствованная схема защиты нагрузки от превышения напряжения, дополненная резистором и конденсатором [4.2], показана на рис. 4.2. Резистор ограничивает предельный ток через стабилитрон и управляющий переход тиристора, конденсатор снижает вероятность срабатывания защиты при кратковременных бросках питающего напряжения.
Следующее устройство (рис. 4.3) защитит радиоаппаратуру от выхода из строя при случайной переполюсовке или превышении
напряжения питания, что нередко бывает при неисправности генератора в автомобиле [4.3].
При правильной полярности и номинальном напряжении питания диод VD1 и тиристор VS1 закрыты, и ток через предохранитель FU1 поступает на выход устройства.

Рис. 4.3. Схема защиты радиоаппаратуры с индикацией аварии

Если полярность обратная, то диод VD1 открывается, и сгорает предохранитель FU1. Лампа EL1 загорается, сигнализируя об аварийном подключении.
При правильной полярности, но входном напряжении, превышающем установленный уровень, задаваемый стабилитронами VD2 и VD3 (в данном случае — 16 Б), тиристор VS1 открывается и замыкает цепь накоротко, что вызывает перегорание предохранителя и зажигание аварийной лампы EL1.
Предохранитель FU1 должен быть рассчитан на максимальный ток, потребляемый радиоаппаратурой.
Элементы ГТЛ-логики обычно работоспособны в узком диапазоне питающих напряжений (4,5. 5,5 Б). Если аварийное снижение питающего напряжения не столь опасно для «здоровья» микросхем, то повышение этого напряжения совершенно недопустимо, поскольку может привести к повреждению всех микросхем устройства.
На рис. 4.4 приведена простая и довольно эффективная схема защиты 7777-устройств от перенапряжения, опубликованная в болгарском журнале [4.4]. Способ защиты предельно прост: как только питающее напряжение превысит рекомендуемый уровень всего на 5% (т.е. достигнет величины 5,25 Б) сработает пороговое устройство и включится тиристор. Через него начинает протекать ток короткого замыкания, который пережигает плавкий предохранитель FU1. Разумеется, в качестве предохранителя нельзя использовать суррогатные предохранители, поскольку в таком случае может выйти из строя блок питания, защищающий схему тиристор, а затем и защищаемые микросхемы.
Недостатком устройства является отсутствие индикации перегорания предохранителя. Эту функцию в устройство несложно ввести самостоятельно. Примеры организации индикации разрыва питающей цепи приведены также в главе 36 книги [1.5].

Рис. 4.4. Схема защиты микросхем ТТЛ от перенапряжения

Рис. 4.5. Схема устройства защиты от перенапряжения, работающего на переменном и постоянном токе

Схема устройства, которое в случае аварии в электросети защитит телевизор, видеомагнитофон, холодильник и т.д. от перенапряжения, приведена на рис. 4.5 [4.5].
Напряжение срабатывания защиты определяется падением напряжения на составном стабилитроне VD5+VD6 и составляет 270 Б.
Конденсаторы С1 и С2 образуют совместно с резистором R1 RC-цепочку, которая препятствует срабатыванию устройства при импульсных выбросах в сети.
Схема работает следующим образом. При напряжении в сети до 270 В стабилитроны VD3, VD4 закрыты. Также закрыты и тиристоры VS1, VS2. При действующем напряжении более 270 В открываются стабилитроны VD3, VD4, и на управляющие электроды тиристоров VS1, VS2 поступает открывающее напряжение. В зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения ток проходит либо через тиристор VS1, либо через VS2. Когда ток превышает 10 А, срабатывают автоматические выключатели (пробки, плавкие предохранители), отключая электроприборы от электросети. Нагрузка (на рисунке не показана) подключается параллельно тиристорам. Проверить работоспособность устройства можно с помощью ЛАТРа.
Устройство работоспособно и на постоянном токе.

Рис. 4.6. Схема релейного устройства защиты от перенапряжения с самоблокировкой

Устройство защиты от перенапряжения (рис. 4.6) выгодно отличается от предыдущих тем, что в нем не происходит необратимого повреждения элемента защиты [4.6]. Вместо этого при напряжении свыше 14,1 В пробивается цепочка стабилитронов VD1 — VD3, включается и самоблокируется тиристор VS1, срабатывает реле К1 и своими контактами отключает цепь нагрузки.
Восстановить исходное состояние устройства защиты можно только после вмешательства оператора — для этого следует нажать на кнопку SB1. Устройство также переходит в рабочий ждущий режим после кратковременного отключения источника питания. К числу недостатков данного устройства защиты относится его высокая чувствительность к кратковременным перенапряжениям.
Устройство (патент DL-WR 82992) [4.7], принципиальная схема которого приведена на рис. 4.7, может применяться для защиты нагрузки от недопустимо высокого выходного напряжения. В нормальных условиях транзистор VT1 работает в режиме, когда напряжение между его коллектором и эмиттером небольшое, и на транзисторе рассеивается небольшая мощность (ток базы определяется резистором R1). Сопротивление стабилитрона VD2 в этом случае большое и тиристор VS1 закрыт.

Рис. 4.7. Схема полупроводникового реле защиты нагрузки от перенапряжения

При возрастании напряжения на выходе устройства выше определенной величины через стабилитрон начинает протекать ток, который приводит к открыванию тиристора. Транзистор VT1 при этом закрывается, и напряжение на выходе устройства становится близко к нулю. Отключить защиту можно только отключением источника питания.
Описанное устройство должно включаться в выходную цепь стабилизаторов так, чтобы сигнал обратной связи подавался из цепи, расположенной за системой защиты. При номинальном выходном напряжении 12 В и токе 1 А в устройстве можно применить транзистор КТ802А, тиристор КУ201А — КУ201К, стабилитрон — Д814Б. Сопротивление резистора R1 должно быть 39 Ом (мощность рассеивания при отсутствии системы автоматики, отключающей стабилизатор от сети, составляет 10 Вт), R2 — 200 Ом, R3 — 1 кОм.

Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Автор: Blaze, [email protected]
Опубликовано 09.02.2016
Создано при помощи КотоРед.

На создание данной статьи меня спровоцировал опыт создания блоков питания и зарядных устройств на основе простых импульсных блоков питания, которыми являются как иип на IR2153, так и переделанный различными способами под блок питания электронный трансформатор. Данные источники питания являются простыми, нестабилизированными импульсными блоками питания без каких-либо защит. Не смотря на данные недостатки, такие источники питания довольно просты в изготовлении,не требуют сложной настройки, времени на создание такого блока питания требуется меньше чем на полный ШИМ БП с узлами стабилизации и защиты.

Обьединив такой блок питания и простейший ШИМ- регулятор на NE555, получам регулируемый блок питания как для экспирементов, так и для зарядки АКБ. Радости нашей нет предела до того момента, пока данный девайс не попробовать на искру, или по ошибке, размышляя над созданием очередного аппарата перепутать полярность заряжаемого АКБ. Окрикивая громким хлопком и орошая едким дымом помещение,в котором произошол данный конфуз, изобретение сообщает нам, что простой импульсный блок питания, который собран по упрощённо-ознакомительной схеме не может быть надёжным.

Тут пришла мысль о том, чтобы найти не просто ввести тот или инной узел защиты в конкретный экземпляр блока питания, а найти или создать универсальную быстродействующую схему, которую можно внедрять в любой вторичный источник питания.

Требования к узлу защиты:

-плата защиты должна занимать мало места

-работоспособной при больших токах нагрузки

-высокая скорость срабатывания

Одним из заинтересовавших вариантов была такая схема, найденная в интерете:

При замыкании выхода данной схемы, разряжается ёмкость затвора VT1 через диод VD1, что приводит к закрытию VT1 и ток через транзистор не протекает, блок питания остаётся целым и невредимым. Но что же произойдёт если на выход данной схемы подключить нагрузку, в 300вт, когда наш иип может выдать всего 200вт? Не смотря на то что у нас присутствует схема защиты, замученный блок питания снова взрывается.

Недостатки данной схемы:

1. Необходимо точно подбирать сопротивление шунта, чтобы максимально допустимый ток блока питания создал такое падение напряжения на выбранном шунте, при котором VT2, открываясь полностью закроет VT1.

2. В данной схеме может наступить момент, когда ток проходящий через шунт, приоткроет VT2, вследствии чего VT1 начнёт закрываться и останется в таком состоянии, что будет недозакрыт, а учитывая что через VT1 протекает немалый ток, то данный линейный режим вызовет его сильный перегрев, врезультате которого VT1 будет пробит.

В блоке питания на IR2153 однажды применял триггерную защиту, остался доволен её работой. Прицепим к схеме триггерной защёлки на комплиментарной паре транзисторов шунт в качестве датчика тока и n-канальный транзистор в роли ключевого элемента получаем такую схему:

После подачи питания на схему, транзистор Q3, через светодиод и R4 открывается, стабилитрон D3 ограничивает напряжение на затворе полевого транзистора. D4 защищает Q3 от выбросов высокого напряжения, при подключении индуктивной нагрузки (электродвигатель). На паре транзисторов Q1, Q2 собран аналог тиристора. Ток, протекающий через шунт R1, вызывает падение напряжения, которое с движка переменного резистора R10, и цепочку R2, С2, поступает на базу транзистора Q2. Величину напряжения с шунта, которое пропорционально току, протекающему через этот шунт можно регулировать прерменным резистором R10. В момент, когда напряжение на базе Q2 станет больше 0.5-0.7в транзистор Q2 начнёт открываться, тем самым открывая Q1, в свою очередь транзистор Q1открываясь, будет открывать Q2. Данный процесс происходит очень быстро, за доли секунды транзисторы откроют друг друга и останутся в таком устойчивом состоянии. Через открытый аналог тиристора затвро Q3, а также резистор R4 окажутся подключены к общему проводнику схемы, что приведёт к закрытию Q3 и свечение светодиода D1 сообщит о том что сработала защита. Снять защиту можно как отключив кратковременно питание, так и кратковременным нажатием на кнопку S1.

Универсальная схема защиты была создана и проверена в работе, шунт R1 был составлен из двух резисторов 0.22 Ом 5Вт. Остался последний шаг — вводим в нвшу схему защиту от переполюсовки клемм АКБ.

Схема с защитой от переполюсовки :

Наша схема дополнилась диодом D2, резисторами R6, R5. Кнопка S1 была убрана из схемы по причине того, что при срабатывании защиты она не выводила схему из защиты, после доработки.

Токовая защита осталась без изменений, снять защиту можно отключив питание на 2-3 секунды. При подключении к выходу схемы АКБ, перепутав полярность, напряжение с АКБ через диод D2, резистор R6 поступает на базу Q2, срабатывает защита Q3 закрывается, светодиод D1 сигнализирует о срабатывании защиты.

На этой волне я заканчиваю поиски защиты для своих простых иип. Работой своих схем доволен, надеюсь они пригодятся и вам.