Защита от перегрузки блока питания компьютера – Блок питания стабилизированный с защитой от кз. Несколько защитных устройств блоков питания

Содержание

Защита в блоках питания ATX для компьютеров

Опубликовано 12.11.2018 автор — 0 комментариев

Приветствую вас, друзья! При работе любого электронного устройства могут возникнуть «завихрения», которые при отсутствии страховки, способны вывести его из строя, а в случае с БП в ПК – еще и несколько компонентов в придачу. Тема сегодняшней публикации – защита в блоках питания, с описанием всех необходимых опций. И так начнем.

Power Good

Из-за специфики конструкции устройства, при включении, напряжение на выходе достигает необходимой величины не мгновенно, а по истечении 0,02 секунд.

Для того, чтобы исключить подачу пониженного напряжения к потребителям энергии, что может негативно сказаться на их работе, и обеспечить необходимые номиналы в 3,3, 5 и 12 Вольт, в блоках ATX выделена специальная линия, которая подает сигнал о нормальной работе БП.

Маркируется такой кабель серым цветом и, как и остальные, подключается к материнской плате. При отсутствии сигнала на линии, компьютер попросту не включится.

Защита от перепадов напряжения

От перенапряжения и его недостатка, компьютер защищает одна и та же схема, отключающая девайс, если напряжение на любой из линий не соответствует номинальному. Обозначается функция английской аббревиатурой UVP / OVP.

Некоторое неудобство в том, что контрольные точки, при достижении которых срабатывает защита, могут находиться на некотором удалении от номинального напряжения, но при этом устройство будет соответствовать спецификации ATX.

Например, допускается подача напряжения до 15 Вольт, однако при длительной работе в таком режиме, комплектующие могут попросту перегореть.

Защита от перегрузки по току

Как мы помним, сила тока – еще одна, не менее важная его характеристика. Согласно международным стандартам оргтехники, один проводник не может передавать более 240 Вольт-Ампер, то есть 240 Ватт, в случае с постоянным током.

Максимально нагруженная цепь с напряжением 12 Вольт передаст не более 20 Ампер. При таком раскладе создать БП мощностью более 300 Ватт, не получится.

Для обхода этого ограничения, выводы 12 Вольт разбиваются на несколько групп с отдельной защитой по току (OCP) для каждой. При этом некоторые производители откровенно халтурят, используя только одну защитную схему, к которой подключаются все выводы, а срабатывает защита уже при 40 Амперах.

Определить «на глаз», какой именно подход использован, возможно только при разборке устройства и проверке его электрических цепей. Поэтому советую покупать комплектующие только тех брендов, в качестве продукции которых, вы уверены.

Защита от короткого замыкания

От КЗ блок питания защищает простая схема SCP, которая используется уже пару десятков лет. Для активации, достаточно пары транзисторов, при этом вовсе необязательно задействовать систему мониторинга рабочих параметров устройства.

Защита от перегрева

OTP выключает девайс, когда его температура достигает заданного значения. Схема присутствует только в качественных устройствах и базируется на паре термисторов, прикрепленных к радиатору или печатной плате.

Более сложный вариант – когда при превышении температуры, термистор заставляет быстрее вращаться кулер, регулируя рабочие параметры.

Защита по питанию

OPP или OPL – опциональный вид защиты, реализованный, с помощью специального контроллера или мониторинговой микросхемы. Схема контролирует количество тока, потребляемого из сети, и отключает БП при превышении определенного порога.

Найти любые по мощности и прочим характеристикам блоки питания для компьютера, а также все остальные комплектующие, вы можете в этом интернет-магазине.

Также советую ознакомиться с публикациями «Что значит PFC в блоке питания» и «Сертификаты БП для ПК». Рейтинг лучших устройств вы найдете здесь.

Спасибо за внимание и до следующих встреч на страницах моего блога! Подпишитесь на новостную рассылку, чтобы быть в курсе последних обновлений.

С уважением, автор блога Андрей Андреев

Схемы защиты на блоке питания компьютера — Ответы на вопросы

Меры защиты на блоке питания компьютера

Имеют ли блоки питания компьютера схемы защиты и какие, и что обозначают OVP, UVP, SCP, OCP и OTP в описании?

При покупке БП, в первую очередь необходимо посмотреть на наличие сертификатов и на соответствие его современным международным стандартам.
В спецификации качественного блока питания должны быть указаны меры защиты, такие как: UVP, OVP, SCP, OPP, OCP, OTP.

В характеристиках дешевых блоков питания могут быть указаны не все схемы защиты или вообще не указываться.
Если производитель не упомянул о схемах защиты, то это не значит, что они отсутствуют.

В дешевых блоках питания чаще всего используют OPP и SCP — т.е. обычный предохранитель, но такой защиты не всегда может хватить и в случае ЧП, придется заниматься ремонтом материнской платы, блока питания и т.д.

Определить какие схемы защит установлены в вашем блоке питания можно по спецификации производителя.

Качественные блоки питания оснащены всеми схемами защиты, которые перечислены ниже:

— UVP (Under Voltage Protection) — защита от проседания выходных напряжений.
Срабатывает защита после преодоления 20-25% барьера.
Недостаток напряжения влияет на работу жесткого диска, не давая ему раскрутиться.

— OVP (Over Voltage Protection) — защита от перегрузки по напряжению (от превышения выходных напряжений) блока по выходным напряжениям.

Согласно документу ATX12V Power Supply Design Guide, наличие OVP обязательно.
Срабатывает защита при 20-25% превышении выходного напряжения на любом канале.

— SCP (Short Circuit Protection) — защита от короткого замыкания на выходе блока.
Защита обязательна для всех блоков питания стандарта ATX12V.
— OPP (Over Power Protection) или OLP — защита от перегрузки по суммарной мощности по всем каналам (разъемов).

— OCP (Over Current Protection) — защищает от скачков тока при перегрузке любого из выходов.
Позволяет отключать блок питания, не подвергая опасности возникновения короткого замыкания.

— OTP (Over Temperature Protection) — защита от перегрева.
Максимальная температура во время работы не должна быть выше +50 °С.

Кроме того могут быть указаны:

— Dual core CPU support — поддержка многоядерных процессоров.

— Industial class components — в блоке питания используются детали, способные работать в диапазоне от -45 до +105 °C.

Double transformer design — указывает на наличие двух силовых трансформаторов (встречается в блоках большой мощности).

FCC — соответствие нормам электромагнитных наводок (EMI) и радионаводок (RFI), генерируемых блоком питания.

CB — международный сертификат соответствия своим техническим характеристикам.

CE — сертификат, который показывает, что блок питания соответствует строжайшим требованиям директив европейского комитета.

Почему срабатывает защита блока питания?

Теоретически, работа датчиков то­ко­вой за­щи­ты бло­ка пи­та­ния мог­ла бы со­сто­ять в из­ме­ре­нии па­де­ния на­пря­же­ния на ре­зис­то­рах, вклю­чен­ных по­сле­до­ва­тель­но с на­груз­кой. Та­кой пря­мо­ли­ней­ный под­ход в про­ек­ти­ро­ва­нии це­пей, спо­соб­ных обес­пе­чи­вать то­ки в де­сят­ки ам­пер, при­вел бы к боль­шим по­те­рям. Оче­вид­ный трюк, уже мно­го лет ис­поль­зуме­мый раз­ра­бот­чи­ка­ми им­пуль­с­ных бло­ков пи­та­ния для пер­со­наль­ных ком­пью­те­ров, — за­ме­рять па­­де­­ние на­пря­же­ния на ин­дук­тив­но­стях в це­пи LC-филь­тра вы­ход­ных напряжений +12V, +5V, +3.3V.

Давайте рассмотрим, как ре­а­ли­зо­ва­на защита блока питания от пре­вы­ше­ния по­тре­б­ля­е­мо­го тока на при­ме­ре ис­поль­зо­ва­ния одного из лучших уп­рав­ля­ю­щих кон­т­рол­ле­ров WT7527 от Weltrend Se­mi­con­duc­tor. Этот чип с успехом при­ме­ня­ет­ся в серии Prime блоков питания Seasonic, поль­зу­ю­щих­ся за­слу­жен­ным ува­же­ни­ем самых взы­с­ка­тель­ных поль­зо­ва­те­лей.

Фрагмент принципиальной схемы подключения управляющего контроллера Weltrend Semiconductor WT7527


Рис 1. Фрагмент принципиальной схемы подключения управляющего контроллера Weltrend Semiconductor WT7527

 

Как следует из заводской документации, контроллер WT7527 обеспечивает четыре линии токовой защиты: две для линий +12V, и по одной для +3.3V и +5V. В связи с тем, что основной отбор мощности современные сис­тем­ные платы и вы­со­ко­у­ров­не­вые ви­део адап­теры вы­пол­ня­ет по двенадцативольтовой шине, ос­та­но­вим­ся на тонкостях ре­а­ли­за­ции OCP (Over Current Protection) именно для нее.

Ограничения по току

Если вы думаете, что в цепях питания персонального компьютера возможен любой произвол, с этой мыслью мож­но рас­про­щать­ся. Международный стандарт IEC 60950-1, логотип которого вынесен в заголовок статьи, де­кла­ри­ру­ет пре­дел мощности — не более 240VA по каждой шине. Физический смысл такого ограничения — пред­от­вра­тить си­ту­а­цию, при которой аварийная мощность, потребляемая в случае короткого замыкания, мо­жет быть вос­при­ня­та схе­мой то­ко­вой защиты как допустимая (потребляемая нагрузкой), что может при­вес­ти к раз­ру­ше­нию эле­мен­тов уст­ройства и да­же возгоранию.

В случае с постоянным током можно говорить о 240 Ваттах, что устанавливает для 12-вольтовой линии лимит в 20 А. Обойти это ограничение очень просто: достаточно развести напряжения по разным шинам, как это де­ла­ет, на­при­мер, Chieftec в блоках питания APS-500C:

Шильд с техническими характеристиками блока питания Chieftec APS-500C

 

Как следует из информации на самом блоке питания по каждой их линий +12V1 и +12V2 подается ток 18А. Обыч­но, од­на из них делегируется для питания процессора, другая используется для накопителей и со­пут­ству­ю­щей пе­ри­фе­рии. Каждая из них обслуживается своей схемой токовой защиты: и овцы целы требования IEC 60950-1 со­блю­де­ны, и пи­та­ние в норме.

Шильд с техническими характеристиками блока питания FSP Group FX700GLN

 

В 700-ваттнике от FSP Group также востребован экстенсивный метод: 12-вольтовые линии разнесены на че­ты­ре ка­на­ла, каждый из которых ограничен 18-амперным по­треб­ле­ни­ем тока. При этом общая мощность че­ты­рех­ка­наль­но­го ре­гу­ля­то­ра ог­ра­ни­че­на величиной 680 Ватт, что формально оз­на­ча­ет — суммарный ток че­ты­рех 12-вольтовых ка­на­лов не должен пре­вы­шать лимит в 56.6 Ампер. (680W/12V=56.6A). Вни­ма­тель­ный чи­та­тель заметит, что со­глас­но до­пол­ни­тель­но­му ком­мен­та­рию на этикетке имеют место более строгие ог­ра­ни­че­ния: суммарный ток по линиям +12V не должен превышать 50A, а общий вы­ход­ной ток ог­ра­ни­чен ли­ми­том в 70 Ампер. Очевидно, что умножение 18A на че­ты­ре канала не дает сколько-нибудь по­лез­ной ин­фор­ма­ции.

Современные тенденции в архитектуре блоков питания

Разделение нагрузки на примерно равные части яв­ля­ет­ся не более, чем трюком, ко­то­рым удачно вос­поль­зо­ва­лись раз­­ра­­бот­­чи­­ки — питание неделимой нагрузки, по­треб­ля­ю­щей более 20 ампер по линии +12 вольт не­воз­мож­но без на­ру­ше­ния норм без­о­пас­нос­ти. Очевидно, соблюдение этих норм зависит не только от раз­де­ле­ния каналов в бло­ке пи­та­ния, но и раз­вод­ки силовых цепей в нагрузке.

Если мощный потребитель (например, видео адаптер), к которому подключено более одного разъема до­пол­ни­тель­но­го питания, соединяет их 12-вольтовые цепи в одну точку, либо соединяет 12-вольтовые линии разъ­ема PCI Express и дополнительного питания, то результатом будет не только нарушение спецификации, но и риск создания дисбаланса в таких принудительно коммутируемых каналах. Это значит, что грамотная сборка высокоуровневых платформ и май­нин­го­вых ферм невозможна без верификации системы с помощью ом­мет­ра. Или, перефразируя известного ав­то­ра, «воз­мож­на, если вам не важен результат».

Если требуется питать неразделимую нагрузку большим током, со­е­ди­не­ние линий из недостатка пре­вра­ща­ет­ся в пре­и­му­ще­ст­во — при раз­де­льных каналах встре­ча­ют­ся варианты, когда ток, обеспечиваемый бло­ком пи­та­ния по ли­нии до­пол­ни­тель­но­го питания видео карты, не­до­ста­то­чен, хотя он и меньше сум­мар­ного тока всех ка­на­лов. При одной 100A линии по­тре­би­тель за­стра­хо­ван от данного типа не­сов­мес­ти­мос­ти.

Дополнительные минусы единого канала также существуют, ведь потребляемый от линии питания ток яв­ля­ет­ся фун­к­ци­ей времени. Например, для жест­ко­го диска уровень по­тре­б­ле­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся при по­зи­ци­о­ни­ро­ва­нии, для CPU и GPU из­ме­не­н­ия могут быть обусловлены ци­кли­че­ским вы­пол­не­ни­ем фраг­мен­тов кода, со­зда­ю­ще­го раз­лич­ную вы­чис­ли­тель­ную нагрузку. В результате вза­и­мо­вли­я­ния компонентов и вслед­ст­вие уве­ли­че­ния по­треб­ле­ния то­ка мо­жет воз­рас­ти уровень помех по ли­ни­ям питания. Выведя ре­гу­ля­тор гром­кос­ти на пол­ную мощ­ность и за­пус­тив майнинг, не услы­шим ли мы в динамиках «звон бит­ко­и­нов»?

Блок питания 1…20 В с защитой по току


При наладке различных электронных устройств необходим блок питания (БП), в котором имеется регулировка выходного напряжения и возможность регулирования уровня срабатывания защиты от превышения по току в широких пределах. При срабатывании защиты, нагрузка (подключенное устройство) должна автоматически отключаться.

Поиск в интернете дал несколько подходящих схем блоков питания. Остановился на одной из них. Схема проста в изготовлении и наладке, состоит из доступных деталей, выполняет заявленные требования.

Предлагаемый к изготовлению блок питания выполнен на базе операционного усилителя LM358 и имеет следующие характеристики:
Входное напряжение, В — 24…29
Выходное стабилизированное напряжение, В — 1…20 (27)
Ток срабатывания защиты, А — 0,03…2,0


Фото 2. Схема БП

Описание работы БП

Регулируемый стабилизатор напряжения собран на операционном усилителе DA1.1. На вход усилителя (вывод 3) поступает образцовое напряжение с движка переменного резистора R2, за стабильность которого отвечает стабилитрон VD1, а на инвертирующий вход (вывод 2) напряжение поступает с эмиттера транзистора VT1 через делитель напряжения R10R7. С помощью переменного резистора R2, можно изменять выходное напряжение БП.
Блок защиты от перегрузок по току выполнен на операционном усилителе DA1.2, он сравнивает напряжения на входах ОУ. На вход 5 через резистор R14 поступает напряжение с датчика тока нагрузки — резистора R13. На инвертирующий вход (вывод 6) поступает образцовое напряжение, за стабильность которого отвечает диод VD2 с напряжением стабилизации около 0,6 в.

Пока падение напряжения, создаваемое током нагрузки на резисторе R13, меньше образцового, напряжение на выходе (вывод 7) ОУ DA1.2 близко к нулю. В том случае, если ток нагрузки превысит допустимый установленный уровень, увеличится напряжение на датчике тока и напряжение на выходе ОУ DA1.2 возрастет практически до напряжения питания. При этом включится светодиод HL1, сигнализируя о превышении, откроется транзистор VT2, шунтируя стабилитрон VD1 резистором R12. Вследствие чего, транзистор VT1 закроется, выходное напряжение БП уменьшится практически до нуля и нагрузка отключится. Для включения нагрузки нужно нажать на кнопку SА1. Регулировка уровня защиты выполняется с помощью переменного резистора R5.

Изготовление БП

1. Основу блока питания, его выходные характеристики определяет источник тока – применяемый трансформатор. В моем случае нашел применение тороидальный трансформатор от стиральной машины. Трансформатор имеет две выходные обмотки на 8в и 15в. Соединив обе обмотки последовательно и добавив выпрямительный мост на имеющихся под рукой диодах средней мощности КД202М, получил источник постоянного напряжения 23в, 2а для БП.


Фото 3. Трансформатор и выпрямительный мост.

2. Другой определяющей частью БП является корпус прибора. В данном случае нашел применение детский диапроектор мешающийся в гараже. Удалив лишнее и обработав в передней части отверстия для установки показывающего микроамперметра, получилась заготовка корпуса БП.


Фото 4. Заготовка корпуса БП

3. Монтаж электронной схемы выполнен на универсальной монтажной плате размером 45 х 65 мм. Компоновка деталей на плате зависит от размеров, найденных в хозяйстве компонентов. Вместо резисторов R6 (настройка тока срабатывания) и R10 (ограничение максимального напряжения на выходе) на плате установлены подстроечные резисторы с увеличенным в 1,5 раза номиналом. По окончании настройки БП их можно заменить на постоянные.


Фото 5. Монтажная плата

4. Сборка платы и выносных элементов электронной схемы в полном объеме для испытания, настройки и регулировки выходных параметров.


Фото 6. Узел управления БП

5. Изготовление и подгонка шунта и дополнительного сопротивления для использования микроамперметра в качестве амперметра или вольтметра БП. Дополнительное сопротивление состоит из последовательно соединенных постоянного и подстроечного резисторов (на фото сверху). Шунт (на фото ниже) включается в основную цепь тока и состоит из провода с малым сопротивлением. Сечение провода определяется максимальным выходным током. При измерении силы тока, прибор подключается параллельно шунту.


Фото 7. Микроамперметр, шунт и дополнительное сопротивление

Подгонка длины шунта и величины дополнительного сопротивления производится при соответствующем подключении к прибору с контролем на соответствие по мультиметру. Переключение прибора в режим Амперметр/Вольтметр выполняется тумблером в соответствии со схемой:

Блок питания 1…20 В  с защитой по току
Фото 8. Схема переключения режима контроля

6. Разметка и обработка лицевой панели БП, монтаж выносных деталей. В данном варианте на лицевую панель вынесен микроамперметр (тумблер переключения режима контроля A/V справа от прибора), выходные клеммы, регуляторы напряжения и тока, индикаторы режима работы. Для уменьшения потерь и в связи с частым использованием, дополнительно выведен отдельный стабилизированный выход 5 в. Для чего напряжение, от обмотки трансформатора на 8в, подается на второй выпрямительный мост и типовую схему на 7805 имеющую встроенную защиту.

Блок питания 1…20 В  с защитой по току
Фото 9. Лицевая панель

7. Сборка БП. Все элементы БП устанавливаются в корпус. В данном варианте, радиатором управляющего транзистора VT1 служит алюминиевая пластина толщиной 5 мм, закрепленная в верхней части крышки корпуса, служащего дополнительным радиатором. Транзистор закреплен на радиаторе через электроизолирующую прокладку.

Блок питания 1…20 В  с защитой по току
Фото 10. Сборка БП без крышкиБлок питания 1…20 В  с защитой по току
Фото 11. Общий вид БП.

Детали:

Операционный усилитель LM358N имеет в своем составе два ОУ.

Транзистор VT1 можно заменить на любой из серий КТ827, КТ829. Транзистор VT2 любой из серии КТ315. Стабилитрон VD1 можно использовать любой, с напряжением стабилизации 6,8…8,0в и током 3…8 мА. Диоды VD2-VD4 из серии КД521 или КД522Б. Конденсаторы С3, C4 — пленочные или керамические. Оксидные конденсаторы: C1 — К50-18 или аналогичный импортный, остальные — из серии К50-35. Постоянные резисторы серии МЛТ, переменные — СП3-9а.

Налаживание блока питания — движок переменного резистора R2 перемещают в верхнее по схеме положение и измеряют максимальное выходное напряжение, устанавливают его равным 20 В, подбирая резистор R10. После этого подключают к выходу нагрузку и производят замеры тока срабатывания защиты. Для уменьшения уровня срабатывания защиты, уменьшить сопротивление резистора R6. Для увеличения максимального уровня срабатывания защиты — уменьшить сопротивление резистора R13 — датчика тока нагрузки.

Блок питания 1…20 В  с защитой по току Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Зарядник свинцового аккумулятора из компютерного БП

Зарядник свинцового аккумулятора из компьютерного БП
Задача в общем-то распространенная, особенно среди автовладельцев зимой. Решается двумя путями — купить или сделать самому. Насчет купить — недорогие китайские зарядники в розетку включать страшно, приличные типа кедра, ориона и т.п. не выдерживают борьбы с жабой. А старые компьютерные БП при желании можно найти бесплатно, т.к. в сервисах их просто выкидывают. Вот и я решил применить подобный БП. Дешево и сердито + не надо настраивать силовую часть.
Делалось в три этапа:
1. Простейший. Поднял выходное напряжение 12В до 14.4В. Выдернул контакты из разъема питания HDD, желтый и черный, к клеммам цеплял прищепками, все работало 🙂
2. Прищепки стали некошерны, бывали глюки от защиты, с током непонятки, пришлось модернизировать — добавился стабилизатор тока, отключены защиты, к проводам добавились крокодилы.
3. Добавил индикатор напряжения и тока, спасибо братьям-китайцам, цена вопроса чуть меньше 5$. т.е. красота требует жертв — финансовых 🙂 первые два этапа обошлись даром, за исключением крокодилов +2$ за пару.
Кому интересны подробности — под кат: «>
Уточнение — все нижесказанное касается БП на базе TL494, 7500 и пр. аналогов.
Этап 1. Корректировка напряжения
Собственно во всех блоках питания напряжение можно скорректировать изменяя сопротивление резисторов делителя ОС.
Есть две проблемы: во-первых БП постороены так, что бы контролировать два напряжения +12В и +5В, при этом канал +5В основной. Это решается просто, резистор с выхода +5В убираем. получаем классический делитель, осталось подобрать сопротивления резистора для получения на выходе напряжения 13.8…14.4В. По выбору напряжения читаем соответствующие форумы 🙂 Пересказывать лень. Искать эти резисторы проще всего по следующему принципу — они идут с цепей +5В и +12В на ножку 1 TL494. От ножки 1 есть еще резистор на землю — это нижний резистор делителя, при этом из бывает два параллельных — для повышения точности и упрощения подбора по стандартным рядам.
Проблема вторая — на канал +5В завязана защита от перенапряжения, и ее надо убирать и делать это сложнее, схемы защиты все разные, разбираться тяжело, поэтому это дело лучше убирать сразу, а не как я — вторым этапом. Собственно суть в следующем, с цепи +5В идет резистор на компаратор LM393 и там так же нужно убирать лишнее, но бывает что защита сделана на транзисторах или еще как то хитро, решается индивидуально и не всегда надежно, поэтому перехожу сразу ко второму этапу.
Этап 2. Стабилизация тока и защита
Независимо от реализации защиты сводится она к контролю уровня DeadTime (вывод 4) TL494. Таким образом, что бы полностью отключить защиту, достаточно отрезать все дорожки от ножки 4 и подключить ее к общему проводу (вывод 7 TL494). Для параноиков можно небольшое мертвое время оставить, для этого на вывод 4 подать напряжение 50-100мВ через делитель с выхода Vref (14). Делитель 10к верхний резистор, 1кОм нижний. Для перфекционистов — не сочтите за оскорбление 🙂 можно параллельно верхнему резистору добавить конденсатор на 10-47мкФ — будет плавный пуск. Не отношу себя ни к первым, ни ко вторым, поэтому ножку 4 просто заземлил.

Стабилизация тока делается по схеме на рисунке 1.На рисунке показаны новые цепи, при этом выводы 15 и 16 должны быть отрезаны от старых цепей, а к выводам 3 и 14 новые детали подключатся дополнительно.. Это важно, так как на выводы 3 и 14 еще заведены аналогичные цепи с ОС по напряжению.

Поясню назначение элементов — R1 датчик тока, собственно с него снимается напряжение. т.е. при токе 5А падение напряжения будет 0,5В. R2C1 — простейший фильтр, R3RV1 задают ток, соответсвенно для тока 0,5А на среднем выводе потенциометра должно быть 0,5В.R4R5C2 — задают параметры усилителя ошибки, такие как коэф. усиления и постоянную времени. Кому нужны подробности — внимательно читают титце-шенка главу про автоматическое управление.

Недостатком данной схемы является то, что датчик тока будет влиять на напряжение, т.е. реальное напряжение на аккумуляторе при токе заряда 5А будет на 0,5В ниже чем планировалось. НО, во-первых при увеличении напряжения ток будет падать, и при полном заряде это влияние существенно меньше, во-вторых просто, все остальные варианты требуют дополнительных деталей, типа ОУ и т.д. и получается уже совсем не конструкция выходного дня.

Этап 3. Индикация
Наличие токовых клещей и мультиметра конечно позволяет контролировать процесс, но сильно напрягает лишним движняком. Итак, лень — двигатель прогресса и добавилась вот такая штука покупал эту штуку там . Из особенностей подключения — для улучшения точности показаний минус питания и входа подключены к точке между резисторами R1R2 рисунка 1. Это позволяет избежать влияния резистора R1. + питания для индикатора брал с дежурного источника или с питания 494, оттуда же взято и питание вентилятора. Для AT-блоков питания может не быть, тогда будут проблемы с глубоко разряженными аккумуляторами. И еще — индикатор занижает напряжение на 0,1В, разбираться не стал.

Ну и в итоге получилась такая штука

Вид внутри

и снаружи

Ну вроде все. Из нюансов — на старых БП канал +12В довольно слабый, поэтому диоды шоттки заменил на более мощные, выковыряв из 5В цепи.
Ну и по выходному напряжению тоже ставил подстроечник что бы можно было регулировать. Провода на аккум потолще, чтоб падения напряжения не было. Вроде все. Наверное все переделки заняли меньше времени чем написание статьи :)

Узел защиты импульсного блока питания

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Узел защиты импульсного блока питания

            Понадобился мне для трансивера IC-751A блок питания, который при напряжении 13,8В обеспечивал бы ток порядка 15 – 20А. Так ко мне в «пациенты» благодаря Виталию Холостякову UR4QTP попал импульсный блок питания (ИБП) РС АТХ TARGA PТ-400СF с заявленной мощностью в 400Вт. Блок построен на аналоге популярного контроллера ШИМ TL494, а именно КА7500, и супервизоре питания LP7510.

            О модернизации и регулировании напряжения ИБП достаточно много и подробно написано на множестве форумов в Интернете. Поэтому вопросов здесь особых не возникло, и достаточно быстро от блока было получено желаемое количество вольт. А вот с перестройкой узла защиты возникли проблемы.  Супервизор LP7510 при повышенном выходном напряжении не желал нормально работать, что приводило к нестабильному запуску блока даже без внешней нагрузки. «Обман» супервизор с помощью делителя напряжения вернул стабильный запуск с нагрузкой и без нее, но защита от превышения напряжения на выходе ИБП стала срабатывать при 16,8-17,2В, что при желаемом значении в 15В было явно много. В результате всех экспериментов ничего полезного не получилось, а LP7510 пал смертью храбрых. Поиски замены ему за вменяемые деньги ни к чему не привели, и, перечитав множество статей в Интернете, решил я собрать новый узел защиты на популярной микросхеме LM339. С помощью ее 4-х компараторов удалось получить следующий набор защит:

— защита от снижения выходного напряжения ниже 9,6В

— защита от повышения выходного напряжения выше 14,8В

— защита от перегрева радиаторов с силовыми транзисторами и сборкой диодов Шоттки выше температуры 65 — 70°С

— защита от перегрузки

Защита от снижения выходного напряжения ниже 9,6В выполнена на компараторе DA1.1. Напряжение с выхода бока питания попадает через делитель напряжения R4-R6 на инвертирующий вход компаратора. На не инвертирующий вход подается опорное напряжение 1,9В. Подходящего стабилитрона под руками не нашлось, поэтому использовал индикаторный красный светодиод. Конденсатор С5 обеспечивает задержку срабатывания защиты на время, достаточное для запуска блока питания.

Защита от повышения выходного напряжения выше 14,8В выполнена на компараторе DA1.2. Напряжение с выхода бока питания попадает через делитель напряжения R11 – R13 на не инвертирующий вход компаратора. На инвертирующий вход подается опорное напряжение 3,9В от стабилитрона D4. Резистор R10 обеспечивает необходимый режим работы стабилитрона. Задержки срабатывания этой защиты не предусмотрено.

Защита от перегрева радиаторов выполнена на компараторе DA1.3. В качестве датчика температуры S1 используется 2 последовательно соединенных термостата типа KSD301-65 с температурой срабатывания 65°С и нормально замкнутыми контактами. При размыкании контактов хотя бы одного из термостатов напряжение на не инвертирующем входе  компаратора благодаря цепочке R16 – LED3 станет около 2,5-2,7В, что, при опорном напряжении на инвертирующем входе 1,9В, приведет к остановке ИБП. Светодиод выведен на переднюю панель для контроля срабатывания этой защиты.

Защита от перегрузки выполнена на компараторе DA1.4. Величина потребляемого тока контролируется по ширине импульсов тока силовых транзисторов с помощью датчика тока Т1. Диоды Шоттки D6 – D8 выпрямляют напряжение с датчика. Конденсатор С9 обеспечивает некоторую задержку срабатывания защиты. Подстроечный резистор R20 позволяет плавно установить ток срабатывания защиты.

            Диоды D1, D3, D5, D7 образуют схему «монтажного ИЛИ», что обеспечивает  развязку каналов защиты друг от друга.  Транзисторы VT1 – VT2 образуют схему «защелки» и обеспечивают удержание ИБП в отключенном состоянии при срабатывании хотя бы одного из каналов защиты.  Светодиод LED2 красного цвета выведен на переднюю панель и сигнализирует об аварийной остановке ИБП. Диоды D2 обеспечивает удержание «защелки» во включенном состоянии.

            Узел защиты питается напряжением +15В от источника питания дежурного режима через интегральный стабилизатор типа 7805. Мощность, которая выделяется при работе стабилизатора, составляет около  0,7Вт, поэтому его желательно установить на небольшой радиатор.

            Датчик тока Т1 намотан на ферритовом кольце диаметром 10мм (я использовал ферритовое кольцо желтого цвета, снятое со старой материнской платы) проводом 0,25 – 0,33мм в эмалевой изоляции. Всего намотано 25 витков в 2 провода. Далее конец одного провода соединяется с началом другого, в результате получается средняя точка датчика.

            Настройку узла защиты удобно выполнять отдельно по каждому каналу, для этого необходимо временно отключить один из выводов диода D2.

            Настройка защиты от снижении выходного напряжения выполняется подстроечным резистором R4. Для этого на выходе блока питания устанавливается напряжение необходимой величины и вращением оси R4 добиваются срабатывания защиты. После этого подстроечный резистор заменяем постоянным с таким же сопротивлением. Далее возвращаем  D2  на свое место и подбираем емкость конденсатора С5, начиная с меньшей, чем указано, величины, добиваясь устойчивого запуска ИБП с подключенной защитой без нагрузки.

            Настройку защиты от превышения выходного напряжения начинаем с отключения одного из выводов диода D2. На выходе блока питания устанавливается напряжение необходимой величины и вращением оси R11 добиваются срабатывания защиты. После этого подстроечный резистор заменяем постоянным с таким же сопротивлением.

            Канал защиты от перегрева настройки не требует. Достаточно проверить его работу, размыкая цепочку термостатов S1.

            При установке термостатов желательно нанести тонкий слой теплопроводящей пасты на место будущей их установки. Это позволит немного увеличить скорость срабатывания защиты.

            Настройку защиты от перегрузки начинают со снятия зависимости выходного напряжения датчика тока Т1 от тока нагрузки. Зависимость оказалась практически линейной, что позволило достаточно точно определить напряжение на выходе датчика при желаемой величине тока срабатывания. Я решил ограничиться величиной тока в 25А, а расчетное напряжение в моем случае оказалось 10,65В. Впоследствии эту величину пришлось уточнить  — 10,58В. С лабораторного блока питания подается напряжение рассчитанной величины в точку соединения D6 – D8 – C8 – R17 и вращением оси подстроечного резистора R20 добиваются срабатывания защиты. Далее возвращаем на место диод D2 и ИБП нагружается номинальной нагрузкой. Если при этом наблюдается срабатывание защиты от перегрузки то можно в небольших пределах изменить положение оси подстроечного резистора  R20 в сторону вывода, соединенного с общим проводом. Но увлекаться этим нельзя, так как это приведет к сильному загрублению защиты. В этом случае необходимо увеличить емкость конденсатора С9 до получения устойчивого запуска ИБП с подключенной нагрузкой номинальной величины.

            После окончания настройки необходимо проверить подключенное состояние диода D2. Без него «защелка» не будет удерживаться во включенном состоянии.

            Наличие 2-х светодиодов позволяет достаточно точно определить причину аварийной остановки ИБП и принять соответствующие меры.

            Из-за того, что узел защиты питается от источника питания дежурного режима, он совершенно не зависит от наличия или отсутствия напряжения на выходе ИБП. Поэтому при аварийной остановке «защелка» VT1 – VT2 останется во включенном состоянии. Для ее сброса достаточно отключить питание всего ИБП и дождаться потухания «аварийных» светодиодов. Теперь можно повторить запуск блока питания.

            Весь узел защиты собран на макетной плате подходящих размеров (примерно 50х50мм) и установлен вертикально у задней стенки родного металлического корпуса.


Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Реализация аппаратной защиты по току / Habr

Сегодня моя статья будет носить исключительно теоретический характер, вернее в ней не будет «железа» как в предыдущих статьях, но не расстраивайтесь — менее полезной она не стала. Дело в том, что проблема защиты электронных узлов напрямую влияет на надежность устройств, их ресурс, а значит и на ваше важное конкурентное преимущество — возможность давать длительную гарантию на продукцию. Реализация защиты касается не только моей излюбленной силовой электроники, но и любого устройства в принципе, поэтому даже если вы проектируете IoT-поделки и у вас скромные 100 мА — вам все равно нужно понимать как обеспечить безотказную работу своего устройства.

Защита по току или защита от короткого замыкания (КЗ) — наверное самый распространенный вид защиты потому, что пренебрежение в данном вопросе вызывает разрушительные последствия в прямом смысле. Для примера предлагаю посмотреть на стабилизатор напряжения, которому стало грустно от возникшего КЗ:

Диагноз тут простой — в стабилизаторе возникла ошибка и в цепи начали протекать сверхвысокие токи, по хорошему защита должна была отключить устройство, но что-то пошло не так. После ознакомления со статьей мне кажется вы и сами сможете предположить в чем могла быть проблема.

Что касается самой нагрузки… Если у вас электронное устройство размером со спичечный коробок, нет таких токов, то не думайте, что вам не может стать так же грустно, как стабилизатору. Наверняка вам не хочется сжигать пачками микросхемы по 10-1000$? Если так, то приглашаю к ознакомлению с принципами и методами борьбы с короткими замыканиями!

Цель статьи


Свою статью я ориентирую на людей для которых электроника это хобби и начинающих разработчиков, поэтому все будет рассказываться «на пальцах» для более осмысленного понимания происходящего. Для тех, кому хочется академичности — идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».

Отдельно хотелось сказать о том, что все решения будут аппаратными, то есть без микроконтроллеров и прочих извращений. В последние годы стало совсем модно программировать там где надо и не надо. Часто наблюдаю «защиту» по току, которая реализуется банальным измерением напряжения АЦП какой-нибудь arduino или микроконтроллером, а потом устройства все равно выходят из строя. Я настоятельно не советую вам делать так же! Про эту проблему я еще дальше расскажу более подробно.

Немного о токах короткого замыкания


Для того, чтобы начать придумывать методы защиты, нужно сначала понять с чем мы вообще боремся. Что же такое «короткое замыкание»? Тут нам поможет любимый закон Ома, рассмотрим идеальный случай:

Просто? Собственно данная схема является эквивалентной схемой практически любого электронного устройства, то есть есть источник энергии, который отдает ее в нагрузку, а та греется и что-то еще делает или не делает.

Условимся, что мощность источника позволяет напряжению быть постоянным, то есть «не проседать» под любой нагрузкой. При нормальной работе ток, действующий в цепи, будет равен:


Теперь представим, что дядя Вася уронил гаечный ключ на провода идущие к лампочке и наша нагрузка уменьшилась в 100 раз, то есть вместо R она стала 0,01*R и с помощью нехитрых вычислений мы получаем ток в 100 раз больше. Если лампочка потребляла 5А, то теперь ток от нагрузки будет отбираться около 500А, чего вполне хватит чтобы расплавить ключ дяди Васи. Теперь небольшой вывод…
Короткое замыкание — значительное уменьшение сопротивления нагрузки, которое ведет к значительному увеличению тока в цепи.

Стоит понимать, что токи КЗ обычно в сотни и тысячи раз больше, чем ток номинальный и даже короткого промежутка времени хватает, чтобы устройство вышло из строя. Тут наверняка многие вспомнят о электромеханических устройствах защиты («автоматы» и прочие), но тут все весьма прозаично… Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А. Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А. Даже если произойдет КЗ, то автомат долго будет этого не замечать и отключит нагрузку, только когда все уже сгорит. Это скорее защита от пожара, а не защита техники.

Теперь давайте рассмотрим еще один, часто встречающийся случай — сквозной ток. Покажу я его на примере dc/dc преобразователя с топологией синхронный buck, все MPPT контроллеры, многие LED-драйвера и мощные DC/DC преобразователи на платах построены именно по ней. Смотрим на схему преобразователя:

На схеме обозначены два варианта превышения тока: зеленый путь для «классического» КЗ, когда произошло уменьшение сопротивления нагрузки («сопля» между дорог после пайки, например) и оранжевый путь. Когда ток может протекать по оранжевому пути? Я думаю многие знают, что сопротивление открытого канала полевого транзистора очень небольшое, у современных низковольтных транзисторов оно составляет 1-10 мОм. Теперь представим, что на ключи одновременно пришел ШИМ с высоким уровнем, то есть оба ключа открылись, для источника «VCCIN — GND» это равносильно подключению нагрузки сопротивлением около 2-20 мОм! Применим великий и могучий закон Ома и получим даже при питании 5В значение тока более 250А! Хотя не переживайте, такого тока не будет — компоненты и проводники на печатной плате сгорят раньше и разорвут цепь.

Данная ошибка очень часто возникает в системе питания и особенно в силовой электронике. Она может возникать по разным причинам, например, из-за ошибки управления или длительных переходных процессах. В последнем случае не спасет даже «мертвое время» (deadtime) в вашем преобразователе.

Думаю проблема понятна и многим из вас знакома, теперь понятно с чем нужно бороться и осталось лишь придумать КАК. Об этом и пойдет дальнейший рассказ.

Принцип работы защиты по току


Тут необходимо применить обычную логику и увидеть причинно-следственную связь:
1) Основная проблема — большое значения тока в цепи;
2) Как понять какое значение тока? -> Измерить его;
3) Измерили и получили значение -> Сравниваем его с заданным допустимым значением;
4) Если превысили значение -> Отключаем нагрузку от источника тока.
Измерить ток -> Узнать превысили ли допустимый ток -> Отключить нагрузку
Абсолютно любая защита, не только по току, строится именно так. В зависимости от физической величины по которой строится защита, будут возникать на пути реализации разные технические проблемы и методы их решения, но суть неизменна.

Теперь предлагаю по порядку пройти по всей цепочки построения защиты и решить все возникающие технические проблемы. Хорошая защита — это защита, которую предусмотрели заранее и она работает. Значит без моделирования нам не обойтись, я буду использовать популярный и бесплатный MultiSIM Blue, который активно продвигается Mouser-ом. Скачать его можно там же — ссылка. Также заранее скажу, что в рамках данной статьи я не буду углубляться в схемотехнические изыски и забивать вам голову лишними на данном этапе вещами, просто знайте, что все немного сложнее в реальном железе будет.

Измерение тока


Это первый пункт в нашей цепочке и наверное самый простой для понимания. Измерить ток в цепи можно несколькими способами и у каждого есть свои достоинства и недостатки, какой из них применить конкретно в вашей задаче — решать только вам. Я же расскажу, опираясь на свой опыт, о этих самых достоинствах и недостатках. Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.

1) Токовый шунт. Основа основ, «работает» все на том же великом и могучем законе Ома. Самый простой, самый дешевый, самый быстрый и вообще самый самый способ, но с рядом недостатков:

а) Отсутствие гальванической развязки. Ее вам придется реализовывать отдельно, например, с помощью быстродействующего оптрона. Реализовать это не сложно, но требует дополнительного места на плате, развязанного dc/dc и прочие компоненты, которые стоят денег и добавляют габаритных размеров. Хотя гальваническая развязка нужна далеко не всегда, разумеется.

б) На больших токах ускоряет глобальное потепление. Как я ранее писал, «работает» это все на законе Ома, а значит греется и греет атмосферу. Это приводит к уменьшению КПД и необходимости охлаждать шунт. Есть способ минимизировать этот недостаток — уменьшить сопротивления шунта. К сожалению бесконечно уменьшать его нельзя и вообще я бы не рекомендовал уменьшать его менее 1 мОм, если у вас пока еще мало опыта, ибо возникает необходимость борьбы с помехами и повышаются требования к этапу конструирования печатной платы.

В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E:

Измерение тока происходит путем измерения падения напряжения на шунте, например, при протекании тока 30А на шунте будет падение:


То есть, когда мы получим на шунте падение 60 мВ — это будет означать, что мы достигли предела и если падение увеличится еще, то нужно будет отключать наше устройство или нагрузку. Теперь давайте посчитаем сколько тепла выделится на нашем шунте:


Не мало, правда? Этот момент надо учитывать, т.к. предельная мощность моего шунта составляет 2 Вт и превышать ее нельзя, так же не стоит припаивать шунты легкоплавким припоем — отпаяться может, видел и такое.

Рекомендации по использованию:

  • Используйте шунты, когда у вас большое напряжение и не сильно большие токи
  • Следите за количеством выделяемого на шунте тепла
  • Используйте шунты там, где нужно максимальное быстродействие
  • Используйте шунты только из специальным материалов: константана, манганина и подобных

2) Датчики тока на эффекте Холла. Тут я допущу себе собственную классификацию, которая вполне себе отражает суть различных решений на данном эффекте, а именно: дешевые и дорогие.

а) Дешевые, например, ACS712 и подобные. Из плюсов могу отметить простоту использования и наличия гальванической развязки, на этом плюсы кончаются. Основным недостатком является крайне нестабильное поведение под воздействием ВЧ помех. Любой dc/dc или мощная реактивная нагрузка — это помехи, то есть в 90% случаев данные датчики бесполезны, ибо «сходят с ума» и показывают скорее погоду на Марсе. Но не зря же их делают?

Они имеют гальваническую развязку и могут измерять большие токи? Да. Не любят помехи? Тоже да. Куда же их поставить? Правильно, в систему мониторинга с низкой ответственностью и для измерения тока потребления с аккумуляторов. У меня они стоят в инверторах для СЭС и ВЭС для качественной оценки тока потребления с АКБ, что позволяет продлить жизненный цикл аккумуляторов. Выглядят данные датчики вот так:

б) Дорогие. Имеют все плюсы дешевых, но не имеют их минусов. Пример такого датчика LEM LTS 15-NP:

Что мы имеем в итоге:
1) Высокое быстродействие;
2) Гальваническую развязку;
3) Удобство использования;
4) Большие измеряемые токи независимо от напряжения;
5) Высокая точность измерения;
6) Даже «злые» ЭМИ не мешают работе и не; влияют на точность.

Но в чем тогда минус? Те, кто открывали ссылку выше однозначно его увидели — это цена. 18$, Карл! И даже на серии 1000+ штук цена не упадет ниже 10$, а реальная закупка будет по 12-13$. В БП за пару баксов такое не поставить, а как хотелось бы… Подведем итог:

а) Это лучшее решение в принципе для измерения тока, но дорогое;
б) Применяйте данные датчики в тяжелых условиях эксплуатации;
в) Применяете эти датчики в ответственных узлах;
г) Применяйте их если ваше устройство стоит очень много денег, например, ИБП на 5-10 кВт, там он себя однозначно оправдает, ведь цена устройства будет несколько тысяч $.

3) Трансформатор тока. Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два — не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики. Плюсы — дешево, надежно и можно измерять просто огромнейшие токи. Именно на трансформаторах тока построены системы автоматики и защиты в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на предприятиях, а там тысячи ампер вполне себе нормальное явление.

Честно говоря, я стараюсь их не использовать, ибо не люблю, но в различных шкафах управления и прочих системах на переменном токе все таки ставлю, т.к. стоят они пару $ и дают гальваническую развязку, а не 15-20$ как LEM-ы и свою задачу в сети 50 Гц отлично выполняют. Выглядят обычно вот так, но бывают и на всяких EFD сердечниках:

Пожалуй с методами измерения тока можно закончить. Я рассказал об основных, но разумеется не обо всех. Для расширения собственного кругозора и знаний, советую дополнительно хотя бы погуглить да посмотреть различные датчики на том же digikey.

Усиление измеренного падения напряжения


Дальнейшее построение системы защиты пойдет на базе шунта в роли датчика тока. Давайте строить систему с ранее озвученным значением тока в 30А. На шунте мы получаем падение 60 мВ и тут возникают 2 технические проблемы:

а) Измерять и сравнивать сигнал с амплитудой 60 мВ неудобно. АЦП имеют обычно диапазон измерений 3.3В, то есть при 12 битах разрядности мы получаем шаг квантования:

Это означает, что на диапазон 0-60 мВ, который соответствует 0-30А мы получим небольшое количество шагов:


Получаем, что разрядность измерения будет всего лишь:


Стоит понимать, что это идеализированная цифра и в реальности они будет в разы хуже, т.к. АЦП сам по себе имеет погрешность, особенно в районе нуля. Конечно АЦП для защиты мы использовать не будем, но измерять ток с этого же шунта для построения системы управления придется. Тут задача была наглядно объяснить, но это так же актуально и для компараторов, которые в районе потенциала земли (0В обычно) работают весьма нестабильно, даже rail-to-rail.

б) Если мы захотим протащить по плате сигнал с амплитудой 60 мВ, то через 5-10 см от него ничего не останется из-за помех, а в момент КЗ рассчитывать на него точно не придется, т.к. ЭМИ дополнительно возрастут. Конечно можно схему защиты повесить прямо на ногу шунта, но от первой проблемы мы не избавимся.

Для решения данных проблем нам понадобится операционный усилитель (ОУ). Рассказывать о том, как он работает не буду — тема отлично гуглится, а вот о критичных параметрах и выборе ОУ мы поговорим. Для начала давайте определимся со схемой. Я говорил, что особых изяществ тут не будет, поэтому охватим ОУ отрицательной обратной связью (ООС) и получим усилитель с известным коэффициентов усиления. Данное действия я смоделирую в MultiSIM (картинка кликабельна):

Скачать файл для симуляции у себя можно — тут.

Источник напряжения V2 выполняет роль нашего шунта, вернее он симулирует падение напряжения на нем. Для наглядности я выбрал значение падения равное 100 мВ, теперь нам нужно усилить сигнал так, чтобы перенести его в более удобное напряжение, обычно между 1/2 и 2/3 Vref. Это позволит получить большое количество шагов квантования в диапазон токов + оставить запас на измерения, чтобы оценить насколько все плохо и посчитать время нарастания тока, это важно в сложных системах управления реактивной нагрузкой. Коэффициент усиления в данном случае равен:


Таким образом мы имеем возможность усилить сигнал наш сигнал до требуемого уровня. Теперь рассмотрим на какие параметры стоит обратить внимание:
  • ОУ должен быть rail-to-rail, чтобы адекватно работать с сигналами около потенциала земли (GND)
  • Стоит выбирать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного сигнала. У моего любимого OPA376 этот параметр равен 2В/мкс, что позволяет достигать максимальное выходное значение ОУ равное VCC 3.3В всего за 2 мкс. Этого быстродействия вполне достаточно, чтобы спасти любой преобразователь или нагрузку с частотами до 200 кГц. Данные параметры стоит понимать и включать голову при выборе ОУ, иначе есть шанс поставить ОУ за 10$ там, где хватило бы и усилителя за 1$
  • Полоса пропускания, выбираемого ОУ, должна быть как минимум в 10 раз больше, чем максимальная частота коммутации нагрузки. Опять же ищите «золотую середину» в соотношение «цена/ТТХ», все хорошо в меру

В большинстве своих проектов я использую ОУ от Texas Instruments — OPA376, его ТТХ хватает для реализации защиты в большинстве задач и ценник в 1$ вполне себе хорош. Если вам необходимо дешевле, то смотрите на решения от ST, а если еще дешевле, то на Microchip и Micrel. Я по религиозным соображениям использую только TI и Linear, ибо оно мне нравится и сплю так спокойнее.

Добавляем реализм в систему защиты


Давайте теперь в симуляторе добавим шунт, нагрузку, источник питания и прочие атрибуты, которые приблизят нашу модель к реальности. Полученный результат выглядит следующим образом (картинка кликабельная):

Скачать файл симуляции для MultiSIM можно — тут.

Тут уже мы видим наш шунт R1 с сопротивлением все те же 2 мОм, источник питания я выбрал 310В (выпрямленная сеть) и нагрузкой для него является резистор 10.2 Ом, что опять по закону Ома дает нам ток:


На шунте как видите падают, ранее посчитанные, 60 мВ и их мы усиливаем с коэффициентом усиления:


На выходе мы получаем усиленный сигнал с амплитудой 3.1В. Согласитесь, его уже и на АЦП можно подать, и на компаратор и протащить по плате 20-40 мм без каких либо опасений и ухудшения стабильности работы. С этим сигналом мы и будем далее работать.

Сравнение сигналов с помощью компаратора


Компаратор — это схема, которая принимает на вход 2 сигнала и в случае если амплитуда сигнала на прямом входе (+) больше, чем на инверсном (-), то на выходе появляется лог. 1 (VCC). В противном случае лог. 0 (GND).

Формально любой ОУ можно включить как компаратор, но такое решение по ТТХ будет уступать компаратору по быстродействию и соотношению «цена/результат». В нашем случае, чем выше быстродействие, тем выше вероятность, что защита успеет отработать и спасти устройство. Я люблю применять компаратор, опять же от Texas Instrumets — LMV7271. На что стоит обратить внимание:
  • Задержка срабатывания, по факту это основной ограничитель быстродействия. У указанного выше компаратора это время около 880 нс, что достаточно быстро и во многих задачах несколько избыточно по цене в 2$ и вы можете подобрать более оптимальный компаратор
  • Опять же — советую использовать rail-to-rail компаратор, иначе на выходе у вас будет не 5В, а меньше. Убедиться в этом вам поможет симулятор, выберите что-то не rail-to-rail и поэкспериментируйте. Сигнал с компаратора обычно подается на вход аварии драйверов (SD) и хорошо бы иметь там устойчивый TTL сигнал
  • Выбирайте компаратор с выходом push-pull, а не open-drain и другие. Это удобно и имеем прогнозируемые ТТХ по выходу

Теперь давайте добавим компаратор в наш проект в симуляторе и посмотрим на его работу в режиме, когда защита не сработала и ток не превышает аварийный (кликабельная картинка):

Скачать файл для симуляции в MultiSIM можно — тут.

Что нам нужно… Нужно в случае превышения тока более 30А, чтобы на выходе компаратора был лог. 0 (GND), этот сигнал будет подавать на вход SD или EN драйвера и выключать его. В нормальном состоянии на выходе должна быть лог. 1 (5В TTL) и включать работу драйвера силового ключа (например, «народный» IR2110 и менее древние).

Возвращаемся к нашей логике:
1) Измерили ток на шунте и получили 56.4 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 2.88В;
3) На прямой вход компаратора подаем опорный сигнал с которым будем сравнивать. Его задаем с помощью делителя на R2 и выставляет 3.1В — это соответствует току примерно в 30А. Данным резистором регулируется порог срабатывания защиты!
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В > 2.88В. На прямом входу (+) напряжение выше, чем на инверсном входе (-), значит ток не превышен и на выходе лог. 1 — драйвера работают, а наш светодиод LED1 не горит.

Теперь увеличиваем ток до значения >30А (крутим R8 и уменьшаем сопротивление) и смотрим на результат (кликабельная картинка):

Давайте пересмотри пункты из нашей «логики»:
1) Измерили ток на шунте и получили 68.9 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 3.4В;
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В < 3.4В. На прямом входу (+) напряжение НИЖЕ, чем на инверсном входе (-), значит ток превышен и на выходе лог. 0 — драйвера НЕ работают, а наш светодиод LED1 горит.

Почему аппаратная?


Ответ на этот вопрос простой — любое программируемое решение на МК, с внешним АЦП и прочее, могут попросту «зависнуть» и даже если вы достаточно грамотный софтописатель и включили сторожевой таймер и прочие защиты от зависания — пока оно все обработается ваше устройство сгорит.

Аппаратная защита позволяет реализовать систему с быстродействием в пределах нескольких микросекунд, а если бюджет позволяет, то в пределах 100-200 нс, чего достаточно вообще для любой задачи. Также аппаратная защита не сможет «зависнуть» и спасет устройство, даже если по каким-то причинам ваш управляющий микроконтроллер или DSP «зависли». Защита отключит драйвер, ваша управляющая схема спокойно перезапустится, протестирует аппаратную часть и либо подаст ошибку, например, в Modbus или запустится если все хорошо.

Тут стоит отметить, что в специализированных контроллерах для построения силовых преобразователей есть специальные входы, которые позволяют аппаратно отключить генерацию ШИМ сигнала. Например, у всеми любимого STM32 для этого есть вход BKIN.

Отдельно стоит сказать еще про такую вещь как CPLD. По сути это набор высокоскоростной логики и по надежности оно сопоставимо с аппаратным решением. Вполне здравым смыслом будет поставить на плату мелкую CPLD и реализовать в ней и аппаратные защиты, и deadtime и прочие прелести, если мы говорим о dc/dc или каких-то шкафах управления. CPLD позволяет сделать такое решение очень гибким и удобным.

Эпилог


На этом пожалуй и все. Надеюсь вам было интересно читать данную статью и она даст вам какие-то новые знания или освежит старые. Всегда старайтесь заранее думать какие модули в вашем устройстве стоит реализовать аппаратно, а какие программно. Часто реализация аппаратная на порядки проще реализации программной, а это ведет с экономии времени на разработке и соответственно ее стоимости.

Формат статьи без «железа» для меня новый и попрошу высказать ваше мнение в опросе.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о