Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.
Автор: Blaze, cornage@bk.ru
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.
↑ следующая новость | предыдущая новость ↓
Когда мы включаем блок питания, напряжения на выходе не сразу достигают нужного значения, а примерно через 0.02 секунды, и чтобы исключить подачу пониженного напряжения на компоненты ПК, существует специальный сигнал «power good», также иногда называемый «PWR_OK» или просто «PG», который подаётся, когда напряжения на выходах +12В, +5В и +3.3В достигают диапазона корректных значений. Для подачи этого сигнала выделена специальная линия на ATX разъёме питания, подключаемого к материнской плате (№8, серый провод).
Ещё одним потребителем этого сигнала является схема защиты от подачи пониженного напряжения (UVP) внутри БП , о которой ещё пойдёт речь – если она будет активна с момента включения на БП, то она просто не даст компьютеру включиться, сразу отключая БП, поскольку напряжения будут заведомо ниже номинальных. Поэтому эта схема включается только с подачей сигнала Power Good.
Этот сигнал подаётся схемой мониторинга или ШИМ-контроллером (широтно-импульсная модуляция, применяемая во всех современных импульсных БП, из-за чего они и получили своё название, английская аббревиатура – PWM, знакомая по современным кулерам – для управления их частотой вращения подаваемый на них ток модулируется подобным образом.)
Диаграмма подачи сигнала Power Good согласно спецификации ATX12V.
VAC – входящее переменное напряжение, PS_ON# – сигнал "power on", который подаётся при нажатии кнопки включения на системном блоке."O/P" – сокращение для "operating point", т.е. рабочее значение. И PWR_OK – это и есть сигнал Power Good. T1 меньше чем 500 мс, T2 находится между 0.1 мс и 20 мс, T3 находится между 100 мс and 500 мс, T4 меньше или равно 10 мс, T5 больше или равно 16 мс и T6 больше или равно 1 мс.
Защита в обоих случаях реализована при помощи одной и той же схемы, мониторящей выходные напряжения +12В, +5В и 3.3В и отключающей БП в случае если одно из них окажется выше (OVP – Over Voltage Protection) или ниже (UVP – Under Voltage Protection) определённого значения, которое также называют «точкой срабатывания». Это основные типы защиты, которые в настоящее время присутствуют фактически во всех блоках питания, более того, стандарт ATX12V требует наличия OVP.
Некоторую проблему составляет то, что и OVP, и UVP обычно сконфигурированы так, что точки срабатывания находятся слишком далеко от номинального значения напряжения и в случае с OVP это является прямым соответствием стандарту ATX12V:
Т.е. можно сделать БП с точкой срабатывания OVP по +12В на 15.6В, или +5В на 7В и он всё ещё будет совместим со стандартом ATX12V.
Такой блок питания будет длительное время выдавать , допустим, 15В вместо 12В без срабатывания защиты, что может привести к выходу из строя компонентов ПК.
С другой стороны, стандарт ATX12V чётко оговаривает, что выходные напряжения не должны отклоняться более чем на 5% от номинального значения, но при этом OVP может быть конфигурирована производителем БП на срабатывание при отклонении в 30% по линиям +12В и +3.3В и в 40% – по линии +5В.
Производители выбирают значения точек срабатывания используя ту или иную микросхему мониторинга или ШИМ-контроллера, потому что значения этих точек жёстко заданы спецификациями той или иной конкретной микросхемы.
Как пример возьмём популярную микросхему мониторинга PS223, которая используется в некоторых блоках питания, которые до сих присутствуют на рынке. Эта микросхема имеет следующие точки срабатывания для режимов OVP и UVP:
| Выход | Минимум | Обычно | Максимум |
| +12 V | 13.1 V | 13.8 V | 14.5 V |
| +5 V | 5.7 V | 6.1 V | 6.5 V |
| +3.3 V | 3.7 V | 3.9 V | 4.1 V |
| Выход | Минимум | Обычно | Максимум |
| +12 V | 8.5 V | 9.0 V | 9.5 V |
| +5 V | 3.3 V | 3.5 V | 3.7 V |
| +3.3 V | 2.0 V | 2.2 V | 2.4 V |
Другие микросхемы предоставляют другой набор точек срабатывания.
И ещё раз напоминаем вам, насколько далеко от нормальных значений напряжения обычно сконфигурированы OVP и UVP. Для того, чтобы они сработали, блок питания должен оказаться в весьма сложной ситуации. На практике, дешёвые БП, не имеющие кроме OVP/UVP других типов защиты, выходят из строя раньше, чем срабатывает OVP/UVP.
В случае с этой технологией (англоязычная аббревиатура OCP – Over Current Protection) есть один вопрос, который следовало бы рассмотреть более подробно. По международному стандарту IEC 60950-1 в компьютерном оборудовании ни по одному проводнику не должно передаваться более 240 Вольт-ампер, что в случае с постоянным током даёт 240 Ватт. Спецификация ATX12V включает в себя требование о защите от превышения по току во всех цепях. В случае с наиболее нагруженной цепью 12Вольт мы получаем максимально допустимый ток в 20Ампер. Естественно, такое ограничение не позволяет изготовить БП мощностью более 300Ватт, и для того, чтобы его обойти, выходную цепь +12В стали разбивать на две или более линий, каждая из которых имела собственную схему защиты от перегрузки по току. Соответственно, все выводы БП, имеющие +12В контакты, разбиваются на несколько групп по количеству линий, в некоторых случая на них даже наносится цветовая маркировка, чтобы адекватно распределять нагрузку по линиям.
Однако во многих дешёвых БП с заявленными двумя линиями +12В на практике используется только одна схема защиты по току, а все +12В провода внутри подключаются к одному выходу. Для того, чтобы реализовать адекватную работу такой схемы, защита от нагрузки по току срабатывает не при 20А , а при, например, 40А, и ограничение максимального тока по одному проводу достигается тем, что в реальной системе нагрузка в +12В всегда распределена по нескольким потребителям и ещё большему количеству проводов.
Более того, иногда разобраться, используется ли в данном конкретном БП отдельная защита по току для каждой линии +12В можно, только разобрав его и посмотрев на количество и подключение шунтов, используемых для измерения силы тока (в некоторых случаях количество шунтов может превышать количество линий, поскольку для измерения силы тока на одной линии могут использоваться несколько шунтов).
Различные типы шунтов для измерения силы тока.
Ещё одним интересным моментом является то, что в отличие от защиты от повышенного/пониженного напряжения допустимый уровень тока регулируется производителем БП, путём подпаивания резисторов того или иного номинала к выходам управляющей микросхемы. А на дешёвых БП, несмотря на требования стандарта ATX12V, эта защита может быть установлена только на линии +3.3В и +5В, либо отсутствовать вовсе.
Как следует из её названия (OTP – Over Temperature Protection), защита от перегрева выключает блок питания, если температура внутри его корпуса достигает определённого значения. Ей оснащены далеко не все блоки питания.
В блоках питания можно увидеть термистор, прикреплённый к радиатору (хотя в некоторых БП он может быть припаян прямо к печатной плате). Этот термистор соединён с цепью управления скоростью вращения вентилятора, он не используется для защиты от перегрева. В БП, оборудованных защитой от перегрева, обычно используется два термистора – один для управления вентилятором, другой, собственно для защиты от перегрева.
В качестве англоязычного названия встречаются аббревиатуры OPP – Over Power Protection или OLP – Over Load Protection )Это опциональный вид защиты, реализуемый при помощи PWM-контроллера или микросхемы мониторинга, а на БП с активным PFC – контроллером PFC. В любом случае, мониторингу подвергается количество тока, который БП потребляет из электрической сети. Если его величина превосходит определённое значение, БП отключается.
Защита от короткого замыкания (SCP – Short Circuit Protection) – вероятно, самая старая из подобных технологий, потому что её очень легко реализовать при помощи пары транзисторов, не задействуя микросхему мониторинга. Эта защита обязательно присутствует в любом БП и отключает его в случае короткого замыкания в любой из выходных цепей, во избежание возможного пожара.
Это не совсем «защита» (NLO – No Load Operation), а просто конструктивная особенность, позволяющая БП включаться и работать без нагрузки на его выходах.
Здравствуйте, друзья! Лабораторный блок питания является прибором первой необходимости для начинающего радиолюбителя и по этому я хочу представить вашему вниманию свою новую самоделку. Очень простой и надежный лабораторный блок питания с регулятором напряжения от 1,5 до 30 вольт, максимальной силой тока 5А и защитой от короткого замыкания с звуковой сигнализацией. Источником питания для приведенной ниже схемы может служить любой трансформатор или импульсный блок питания, например от ноутбука с выходным напряжением от 16 до 40 вольт и максимальной силой тока до 5А.
Схема лабораторного блока питания 1,5-30В 5А с защитой от КЗ
Как работает блок питания?
Напряжение от источника питания проходя через диодный мост Br1 выпрямляется и поступает на регулятор напряжения состоящий из транзистора Т1, резистора R1 и переменного резистора Р1. На выходе из регулятора получается 12 вольт. Этим напряжением постоянно питается вентилятор, реле К1 и вольт амперметр V/A1.
В режиме ожидания от диодного моста Br1 через постоянно замкнутые контакты реле К1 подается напряжение на звуковой сигнализатор короткого замыкания в результате чего в бипере SP1 раздается постоянный звуковой сигнал, что свидетельствует о исправной системе защиты от короткого замыкания.
При кратковременном нажатии кнопки START S1 подается напряжение через резистор R2 на базу транзистора Т2 в результате, чего транзистор Т2 открывается и подает питание на обмотку реле К1, контакты реле К1 переключаются и происходит самоблокировка реле К1. В момент срабатывания реле К1 отключается звуковой сигнализатор короткого замыкания, а в место него подключается регулятор напряжения на микросхеме LM338T. Далее напряжение через шунтирующий диод D2 поступает на выход блока питания. Регуляция напряжения на выходе из блока питания выполняется переменным резистором Р2. Контроль напряжения и силы тока осуществляется вольт амперметром V/A1. В случае короткого замыкания происходит падение напряжения на базе транзистора Т2, транзистор закрывается в следствии чего, контакты реле переключаются. Нагрузка отключается, а на звуковой сигнализатор короткого замыкания подается питание и раздается звуковой сигнал. После устранения короткого замыкания следует кратковременно нажать кнопку START S1 и блок питания снова перейдет в рабочий режим. И так может продолжаться до бесконечности.
Список радиодеталей для сборки лабораторного блока питания:
- Источник питания любой подходящий трансформатор или импульсный блок питания от 16 до 40 вольт
- Транзисторы Т1, Т2 TIP41C, КТ819Г и их аналоги
- Микросхема LM338T на 5А или LM350T на 3А, LM317T на 1,5А все зависит от мощности источника питания
- Микросхема NE555
- Диодный мост Br1 любой не менее 6А можно заменить диодами.
- Диоды любые D1 0,5А, D2 от 1,5А до 10А зависит от нагрузки возможно параллельное соединение диодов
- Конденсаторы С1, С2, С4 100нф, С3 470мкф 35в, С5 1000мкф 50в
- Резисторы R1, R4 1k, R2 5,1k, R3 270, R5 10k, R6 330, R7 150, R8 200
- Переменные резисторы Р1 10К, Р2 5К
- Реле SRD12VDC-SL-C 12В 10А
- Кнопка START S1 без фиксации на замыкание
- Вентилятор М1 от компьютера
- Бипер SP1 от компьютера или маленький динамик
- Вольт амперметр китайский универсальный с Alliexpress
Внимание: При сборке лабораторного блока питания не изменяйте номиналы конденсаторов С1, С4, С5 иначе не будет срабатывать система защиты от короткого замыкания.
Цоколевка применяемых транзисторов
Возможно вам это пригодиться…
Все детали следует разместить на печатной плате изготовленной по лазерно-утюжной технологии.
Печатная плата лабораторного блока питания 1,5-30В 5А с защитой от КЗ
Как настроить блок питания?
Схема лабораторного блока очень простая, но все равно требуется небольшая настройка. Поставьте переменный резистор Р1 в среднее положение. Включите блок питания в сеть, подключите мультиметр параллельно вентилятору, резистором Р1 установите напряжение 12 вольт. Резистором R3 регулируется напряжение питания звукового сигнализатора короткого замыкания, смотрите по схеме напряжение на входе сигнализатора должно быть 12 вольт.
Тональность сигнализатора изменяется резистором R4 и конденсатором С2. Громкость регулируется подбором резистора R6. Порог срабатывания системы защиты от короткого замыкания подбирается резистором R2. Напряжение на выходе из блока питания изменяется переменным резистором Р2 его ручка выведена на лицевую панель блока питания.
В процессе работы транзистор Т1, микросхема LM338T и диодный мост будут сильно нагреваться, поэтому их следует установить на радиатор, перед установкой обязательно изолировать от радиатора. Как это сделать читайте здесь: Как изолировать транзисторы от радиатора?
Для контроля напряжения и силы тока лучше всего установить вот такой универсальный вольт амперметр.
Кстати, его надо откалибровать. С обратной стороны прибора находится два маленьких переменных резистора один отвечает за вольтаж, второй за ампераж. Делаем так, подключаем параллельно к выходу блока питания мультиметр, включаем в режим вольтметра и сравниваем показания приборов, если показания не соответствуют крутим переменный резистор в разные стороны, чтобы добиться наиболее точных показаний прибора. Чтобы откалибровать амперметр переключите мультиметр в режим амперметра. К блоку питания подключите лампочку последовательно с мультиметром и сверьте показания приборов.
Все компоненты лабораторного блока питания легко помещаются в корпусе от компьютерного блока питания.
Так выглядит готовое устройство. Для чего я установил два выключателя и кнопку на крыше блока питания? Красный выключатель сеть, он отключает трансформатор от сети 220В. Синяя кнопка START предназначена для перевода блока питания в рабочий режим.
Черный выключатель линия, чтобы отключать потребители от блока питания без откручивания проводов от разъемов. Справа два разъема типа «Banana» для подключения потребителей. На передней панели находится переменный резистор Р2 для регулировки выходного напряжения. И очень важная деталь это универсальный вольт амперметр.
В своем лабораторном блоке питания я установил трансформатор на 1,5 ампера. Его мощности вполне хватает, чтобы зарядить небольшой 12 вольтовый аккумулятор от бесперебойника емкостью 7А, его я установил на аккумуляторный шуруповерт. Если вы хотите собрать мощное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками, тогда надо увеличить мощность лабораторного блока питания до 10 ампер.
Как увеличить мощность лабораторного блока питания до 10 ампер?
Чтобы увеличить мощность лабораторного блока питания достаточно параллельно микросхеме LM388T подключить мощный 12 амперный транзистор MJE13009. И соответственно заменить источник питания на более мощный трансформатор или импульсный блок питания. Схема будет выглядеть так.
Схема лабораторного блока питания 1,5-30В 10А с защитой от КЗ
Печатная плата будет выглядеть так.
Печатная плата лабораторного блока питания 1,5-30В 10А с защитой от КЗ
А для любителей чего либо измерять, я решил снять пару осциллограмм в разных режимах работы блока питания.
На этой осциллограмме напряжение на выходе из блока питания снижено до 12 вольт.
Осциллограмма трансформаторного лабораторного блока питания. Напряжение на выходе 12 вольт.
А здесь максимальное напряжение на выходе из блока питания 25 вольт.
Осциллограмма трансформаторного лабораторного блока питания. Напряжение на выходе 25 вольт.
P. S. Все схемы и печатные платы в этой статье я разработал самостоятельно. И прежде чем написать я убедился в 100% работоспособности лабораторного блока питания во всех режимах. Если у вас, что то не получилось, проверьте все ли вы сделали правильно…
Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!
Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как работает лабораторный блок питания.