Protejarea sursei de alimentare și a încărcării acesteia de defectele celeilalte necesită componente și funcții precum siguranța, blocarea subtensiunii, barele și clemele.

Protecția energiei electrice este ca o asigurare: plătiți pentru aceasta, dar sperăm că nu veți avea nevoie de ea. Dar nu este o simplă „achiziție”. Prima întrebare de protecție este: „Ce caut să protejez și împotriva ce eveniment (e)?” Răspunsul este dublu: alimentarea și componentele sale necesită protecție împotriva defecțiunilor de încărcare, în timp ce sarcina necesită protecție împotriva defecțiunilor de alimentare.

A doua întrebare este „Ce fel de defecte?” Acestea pot fi curent sau tensiune excesivă, variind de la un scurtcircuit și curenții mari asociați, până la tranzitorii și vârfuri de tensiune datorate ESD (descărcare electrostatică) sau chiar fulger. Unele defecțiuni se datorează defecțiunii componentelor, unde altele se pot datora unei greșeli de cablare. În cele din urmă, în unele cazuri, modul de avarie poate fi chiar o tensiune de alimentare prea mică.

Componentele care trebuie adăugate la un circuit sau sistem pentru a asigura protecția circuitului primesc puține aprecieri. Nu îmbunătățesc funcționalitatea și nici nu adaugă glamourul, atracția sau performanța produsului. Acestea ocupă spațiu, adaugă costuri, complică factura materialelor (BOM) și, de obicei, stau liniștiți fără să facă nimic. Aceasta este situația până când sunt necesare, când se așteaptă să reacționeze rapid și să protejeze alte componente din circuit de disfuncționalitate sau chiar distrugere.

Protejarea împotriva oricăror probleme posibile de energie este complexă, costisitoare și în general inutilă. Rolul inginerului de proiectare este de a evalua dacă este necesară protecția împotriva defecțiunilor; la urma urmei, există puține motive pentru a proteja un smartphone împotriva vârfurilor de șină de alimentare cauzate de fulgere.

Există multe componente și tehnici legate de protecție din care să alegeți. Majoritatea sunt pasivi, dar unii sunt activi. Acest articol se va concentra numai pe tipurile pasive sau în cea mai mare parte pasive.

La fel ca în majoritatea problemelor de proiectare, există perspective suprapuse pe același subiect de bază. Pentru protecția energiei electrice, îl puteți privi mai întâi în termeni de condiții potențiale de defecțiune, apoi în opțiunile de gestionare a acestora sau în ceea ce privește diferitele componente de protecție și apoi defecțiunile pentru care sunt utilizate. Un circuit sau sistem poate utiliza unul sau mai multe niveluri și tipuri de protecție. Multe dintre aceste caracteristici de protecție sunt încorporate în sursa de alimentare, indiferent dacă este vorba de un convertor DC-DC IC sau de o unitate AC-DC mai mare. În alte cazuri, cum ar fi atunci când un inginer proiectează o sursă de alimentare din componente individuale, este posibil să fie necesară adăugarea unora dintre ele.

Începe cu supracurent și siguranțe

Indiferent dacă este rezultatul unui scurtcircuit extern sau în interiorul acestuia, supracurentul este o preocupare majoră. Poate iniția o cascadă de eșecuri suplimentare, poate pune utilizatorii în pericol și chiar poate declanșa un incendiu. Cea mai veche soluție este o siguranță (numită și o legătură fuzibilă) (Fig. 1) cu o funcționare aparent simplă: atunci când curentul de curent depășește pragul curent al siguranței, curentul provoacă supraîncălzirea firului special din siguranță (încălzirea I 2 R), topirea și deschiderea, reducând astfel curentul la zero.

designul
1. Există multe simboluri schematice pentru siguranță; acestea sunt câteva dintre ele. (Sursa: Slideplayer.com)

Odată ce siguranța se deschide, fluxul curent este complet întrerupt și poate fi restaurat numai prin înlocuirea siguranței în sine, care este fie un beneficiu, fie un negativ, în funcție de aplicație. Întreruptorul mai complex este o alternativă la siguranța care nu necesită înlocuire după activare. Unele întrerupătoare sunt activate termic, altele sunt activate magnetic; în ambele sensuri, la fel ca siguranța, întrerupătorul este un dispozitiv declanșat de curent.

Deși siguranța este „antică”, este ieftină, fiabilă, ușor de proiectat și eficientă. Siguranțele de bază sunt disponibile cu ratinguri sub 1 A până la sute de amperi (Fig. 2). În timp ce siguranțele au o tensiune nominală, aceasta este în primul rând pentru ratingul de contact și spațiere fizică, deoarece siguranța în sine este declanșată numai de curentul care îl traversează și nu de tensiune.

2. Siguranțele vin într-o gamă largă de factori de formă și curenți/tensiuni nominale (nu la scară): siguranțele mai mari (50 A și mai mari) sunt adesea adăpostite în cilindri numiți cartușe (a); siguranțe „3AG” cu curent redus de până la aproximativ 250 V ac (b); siguranțe 15- și 20-A de tip lamă utilizate în mod obișnuit pentru circuitele auto (12 V c.c.) (c); și siguranțe înșurubabile de tip „S” și „T” de modă veche de 20 și 30 A utilizate în liniile electrice de 120 V c.a.) (d). (Sursele imaginii: Sunstore/Marea Britanie; Sursa: Electric Wholesaler/Ireland; RONA Langdon Hardware Ltd/Canada; și reviseOmatic.org)

Pentru unele dispozitive, siguranța nu este o alegere bună (gândiți-vă la circuitele interne de alimentare cu energie limitată ale unui smartphone), în timp ce este cea mai bună alegere în altele și este adesea utilizată împreună cu alte tehnici de protecție. Siguranța este adăugată frecvent pentru a ajuta un produs să îndeplinească cerințele de siguranță reglementare, datorită funcționalității sale directe.

Rețineți că, în ciuda principiului lor simplu, acestea sunt oferite în numeroase variante și subtilități, cum ar fi cât timp durează până când reacționează și deschide circuitul (care este o funcție atât a timpului curent, cât și a celui scurs). Fișele tehnice cu siguranțe au multe diagrame care arată performanța în diferite condiții, iar siguranțele de specialitate sunt disponibile pentru situații unice.

Blocare subtensiune (UVLO)

UVLO se asigură că un convertor de alimentare (sau cc-cc) nu încearcă să funcționeze atunci când propria tensiune de intrare este prea mică (Fig. 3). Acest lucru se face din două motive. În primul rând, circuitele din sursa de alimentare sau ale convertorului pot funcționa defectuos sau pot acționa într-un mod nedeterminat dacă tensiunea de curent continuu de intrare este prea mică și unele componente de putere mai mare pot fi de fapt deteriorate. În al doilea rând, împiedică alimentarea/convertorul să utilizeze energie primară dacă nu poate produce o putere de ieșire validă.

3. O sursă de alimentare nu ajunge „instantaneu” la puterea maximă, ci are în schimb intervalele și timpul de tranziție de pornire și oprire. UVLO se asigură că alimentarea nu încearcă să furnizeze o ieșire completă atunci când tensiunea sa de intrare este sub minimul necesar pentru o funcționare corectă. (Sursa: Texas Instruments)

Pentru a implementa UVLO, un circuit de comparație mic, de putere redusă din cadrul sursei/convertorului compară tensiunea de intrare cu un prag prestabilit și pune unitatea în modul de repaus până când pragul este trecut. Pentru a vă asigura că UVLO nu „vorbește” în jurul pragului, se adaugă o cantitate mică de istereză.

Protecție la supratensiune (OVP)

Deși o sursă sau un convertor de putere este proiectat să producă în mod normal o tensiune de ieșire DC fixă, o defecțiune internă a sursei poate provoca creșterea acestei tensiuni și, eventual, deteriorarea sarcinii la care este conectată sursa. OVP este o funcție care monitorizează ieșirea de alimentare/convertor față de o referință internă și scurtcircuite care ies în cazul în care tensiunea crește peste prag. OVP trebuie să facă mai multe lucruri:

  • Evident, preveniți apariția unei tensiuni excesive la componentele protejate.
  • Nu interferați cu funcționarea normală, ci în schimb fiți „invizibili” pentru sursa de alimentare.
  • Distingeți între fluctuațiile normale de tensiune tranzitorie și supratensiunea excesivă.
  • Fiți rapid și răspundeți înainte ca sarcina să fie deteriorată atunci când apare o situație autentică de supratensiune.
  • Să nu aibă falsuri pozitive (declanșări false), care sunt o pacoste, și nu reușesc să răspundă la condiții reale de supratensiune.

Crowbar

O funcție OVP utilizată pe scară largă este „barba”, presupusă așa numită, deoarece are același efect ca plasarea unei bare de bară metalice peste ieșire și astfel scurtcircuitarea tensiunii de ieșire. Există două tipuri de bare de legătură: una în care stânga, odată declanșată, va fi resetată numai dacă alimentarea este oprită; și una în care se va reseta după ce eroarea este eliminată. Al doilea este util atunci când starea care a declanșat arborele se datorează unui fel de tranzitoriu, mai degrabă decât unei defecțiuni puternice a alimentării. În timp ce majoritatea consumabilelor vin acum cu o bară înclinată încorporată, mulți furnizori oferă un circuit mic, separat, care poate fi adăugat la o sursă existentă, dacă este necesar.

Barba este un circuit de înaltă impedanță în mod normal pe ieșirea de alimentare (sau intrarea sarcinii de protejat) (Fig. 4). Se transformă într-un circuit cu impedanță redusă atunci când apare o situație de supratensiune și o declanșează și rămâne în modul cu impedanță redusă până când curentul scade sub „curentul de menținere”. Ulterior, revine la starea de funcționare normală cu impedanță ridicată. Barba trebuie să fie capabilă să facă față curentului care curge prin ea în timpul în care alimentarea este în stare de supratensiune.

4. Acest circuit al barei funcționează dintr-o sursă de alimentare de 8 V. Dioda Zener setează supraprotecția la 9,1 V la tensiunea respectivă; dioda începe să conducă, provocând un semnal de declanșare pentru a porni tiristorul Q1 (rețineți că siguranța este pentru protecție împotriva curentului excesiv).

Alte bare comune sunt bazate pe protecții la supratensiuni ale tiristorului (TSP). Acestea sunt dispozitive PNPN pe bază de siliciu cu o tensiune de defecțiune care poate fi setată precis de producătorul lor. TSP-urile sunt oferite în multe tipuri de pachete și pot disipa diferite niveluri de supratensiune.

Există, de asemenea, tubul de descărcare a gazului (GDT), care este un spațiu miniatural, de obicei găzduit într-o carcasă ceramică și compatibil cu PCB. Atunci când este declanșat de o tensiune ridicată, fanta de scânteie conduce și tot fluxul de curent este deviat. Spațiile de scânteie pot fi fabricate astfel încât să se protejeze de tensiuni modeste (în jur de 100 V) până la mii de volți. Când situația de supratensiune se elimină, TSP sau GDT revin la modul normal, cu impedanță ridicată.

O completare a arborelui este clema, care împiedică tensiunea să depășească un nivel prestabilit. Clemele sunt adesea denumite supresoare de tensiune tranzitorie (TVS), deoarece acestea pot proteja împotriva unui tranzitoriu de pornire sau tranzitoriu inductiv, mai degrabă decât a unei defecțiuni reale (Fig. 5). Pentru majoritatea clemelor, funcția clemei se eliberează atunci când starea de supratensiune se elimină.

5. Televizorul, care este ușor de aplicat, este plasat între sursa de tensiune și sarcină, fără componente interferente care ar putea afecta performanța acestuia sau pot împiedica calea curentă. (Sursa: Diagramele de cablare ale entuziastilor/http: //rasalibre.co/)

O clemă conduce doar curent suficient pentru a menține tensiunea pe ea la o valoare sigură și dorită atunci când tranzitorul este deasupra tensiunii de conducere a clemei. Trebuie evaluat pentru puterea pe care va trebui să o disipeze pentru un anumit timp, de obicei un eveniment tranzitoriu relativ scurt. Clema TVS - un dispozitiv de joncțiune bipolar din siliciu similar cu o diodă redresoare de bază, dar proiectat pentru a supraviețui situațiilor de tensiune inversă de avarie - este disponibil cu tensiuni de avarie de la 4 la 500 V și în diferite puteri nominale pentru a oferi diferite capacități de protecție la supratensiune. Un TVS este un dispozitiv de joncțiune bipolar.

Comparativ cu o clemă, tensiunea scăzută de menținere a barei de racire îi permite să transporte curent de defect mai mare fără a disipa o putere mare, astfel încât să poată manipula curenți mai mari și să o facă pentru perioade mai lungi (Fig. 6). Este, de asemenea, mai ușor să configurați circuitul astfel încât bara de racire să provoace și o siguranță care să sufle (și astfel să opriți complet fluxul de curent), dacă se dorește.

6. Răspunsul de bază al unei palete și al unei cleme la o supratensiune de scurtă durată arată modul în care palanca trece la un scurtcircuit aproape în timp ce clema se limitează la creșterea tensiunii. (Sursa: Bourns)

O clemă poate fi, de asemenea, construită folosind un varistor de oxid de metal (MOV), un dispozitiv supresor bidirecțional semiconductor cu tensiune tranzitorie. Conduce (de exemplu, comutatoare) la o tensiune legată de dimensiunea și numărul de boabe speciale dintre conductorii săi. Tensiunile de defecțiune MOV variază de la aproximativ 14 V la peste 1000 V, cele mai mari fiind destinate să manevreze mai mulți kilovolt-amperi (kVA), cum ar fi de la o creștere a trăsnetului.

MOV-urile sunt cu cost redus, acționare rapidă, ușor de utilizat și oferite în mai multe tensiuni nominale, iar propriul lor mod de defecțiune este scurtcircuitul (ceea ce este preferat în majoritatea proiectelor cu siguranță la eroare). Cu toate acestea, ele pot disipa cantități mici de energie, deci sunt potrivite doar pentru situații OVP pe termen scurt și tranzitorii

În general, barele sunt mai bune pentru defecțiunile pe termen lung, în timp ce clemele sunt cele mai potrivite pentru evenimente tranzitorii, mai degrabă decât defecțiunile directe ale alimentării. Multe surse de alimentare comerciale încorporează atât o rangă, cât și o clemă. În cazul în care preocuparea este defecțiunea totală și fluxul de curent mare asociat, care ar depăși în curând gradul de disipare al barei sau clemei, proiectarea ar trebui să includă, de asemenea, o siguranță sau un întrerupător. Siguranța/întrerupătorul va sufla în cele din urmă de la supracurentul legat de tensiunea în exces și astfel va oferi protecție multi-factor.

Nu uitați de protecția termică

În cele din urmă, există problema protecției la suprasarcină termică. Prin natura sa, orice sursă de alimentare generează căldură, deoarece este mai puțin de 100% eficientă și chiar și o sursă eficientă generează o cantitate potențial supărătoare. De exemplu, o sursă de 100 W eficientă la 90% disipează încă 10 W, care este foarte capabil să încălzească o incintă mică, sigilată. Din acest motiv, alimentarea trebuie să fie proiectată cu o răcire activă suficientă (de exemplu, printr-un ventilator) sau răcire pasivă (realizată prin fluxul de aer de convecție și căile de răcire conductive).

Dar ce se întâmplă atunci când ventilatorul cedează, calea fluxului de aer este blocată sau este introdusă o altă sursă de căldură în incintă? Alimentarea poate depăși temperatura nominală, ceea ce îi scurtează durata de viață și poate provoca chiar disfuncționalități imediate. Soluția este un senzor din interiorul sursei (ca dispozitiv discret sau încorporat într-un CI) care detectează temperatura ambiantă și pune alimentarea într-un mod de repaus dacă depășește o limită prestabilită. Unele implementări permit alimentării să reia funcționarea dacă temperatura scade, în timp ce altele nu.

Nu este surprinzător că protecția alimentării cu energie electrică este un subiect nuanțat. Există probleme de manipulare a curentului, tensiunii și puterii, disiparea de către circuitul sau componentele de protecție și durata defecțiunilor, precum și plasarea componentelor de protecție, costul și amprenta. Dar protecția este, de asemenea, o bună practică inginerească și adesea impusă de standardele de reglementare. Din nou, este ca asigurarea: vine sub multe forme și acoperă multe tipuri de evenimente proaste. Sperăm să nu aveți nevoie de el, dar există o șansă să aveți din mai multe motive posibile.

Gursimran Singh Chawla, Școala de Inginerie Chameli Devi, „Siguranțe și tipul său în sistemul de alimentare”