Схема надежной защиты блока питания от опасного короткого замыкания
Защита блока питания - важнейший элемент обеспечения безопасности любой электрической схемы. В этой статье мы рассмотрим принципы построения надежных схем защиты, помогающих избежать пожароопасных ситуаций.
Основные принципы построения схемы защиты блока питания от короткого замыкания
Короткое замыкание (КЗ) представляет большую опасность для блока питания и подключенной к нему схемы. При КЗ резко возрастает сила тока, что может привести к перегреву элементов схемы, возгоранию изоляции и даже пожару. Поэтому в большинстве случаев требуется защита от КЗ.
Суть проблемы коротких замыканий и их опасность
При коротком замыкании происходит следующее:
- Резкое увеличение силы тока (в десятки и сотни раз)
- Снижение напряжения на элементах схемы (тем сильнее, чем ближе к месту замыкания)
Это приводит к таким негативным последствиям как:
- Перегрев и выход из строя элементов схемы
- Повреждение изоляции и возгорание проводников
- Механические разрушения в местах с повышенными динамическими нагрузками
Опасность короткого замыкания очевидна - это угроза здоровью и даже жизни людей, а также потеря дорогостоящего оборудования.
Принцип действия типовых схем защиты
Большинство схем защиты блоков питания от КЗ построены по схожей схеме:
- Датчик тока - резистор малого сопротивления, на котором возникает пропорциональное падение напряжения при протекании тока
- Схема сравнения - элемент, сравнивающий напряжение на датчике тока с пороговым значением
- Ключевой элемент - транзистор, тиристор и др., размыкающий цепь при превышении порога по току
- Индикация срабатывания защиты - световая или звуковая
При КЗ ток возрастает, на датчике тока растет напряжение. Схема сравнения активирует ключевой элемент, размыкающий цепь и прекращающий дальнейший рост опасного тока КЗ.
Особенности защиты импульсных источников питания
В импульсных блоках питания применяется несколько иной подход к построению защиты от КЗ:
- Ток контролируется непосредственно в первичной цепи трансформатора
- Напряжение сравнивается с порогом и при превышении происходит отключение или ограничение мощности ШИМ-контроллера
Такой способ позволяет контролировать весь контур блока питания, однако применим только в импульсных источниках с ШИМ-регулированием.
Достоинства и недостатки различных решений
Разные способы построения защиты от КЗ имеют как преимущества, так и недостатки:
| Схема на основе | Плюсы | Минусы |
| Биполярный транзистор |
|
|
| Полевой транзистор |
|
|
Таким образом, при выборе элементной базы защиты приходится искать компромисс между простотой, дешевизной, габаритами и другими критериями.
Примеры реализации схем защиты на различных элементах
Рассмотрим конкретные примеры построения защиты блоков питания от КЗ с использованием различных типов компонентов.
На биполярных транзисторах
Простейший вариант защиты можно реализовать на двух биполярных транзисторах:
Здесь в качестве датчика тока выступает резистор R1. Транзистор VT1 является ключевым элементом, а VT2 - элементом сравнения. В исходном состоянии VT1 открыт благодаря напряжению на базе через R2. При превышении порогового напряжения на R1 открывается транзистор VT2, закрывая VT1. Ток через нагрузку прерывается.
К недостаткам можно отнести протекание полного тока КЗ через транзистор VT1.
На полевых транзисторах
Применение в качестве ключа полевого транзистора позволяет уменьшить мощность рассеивания. Схема защиты при этом может быть следующей:
Здесь в качестве датчика тока также выступает резистор R1. Полевой транзистор VT1 выполняет функцию ключа, а биполярный VT2 - сравнивает напряжение на шунте с пороговым значением. При превышении порога срабатывает защита.
Достоинства: возможность коммутировать большие токи при меньших габаритах радиатора.
На тиристорах
Еще один распространенный вариант защиты строится на тиристоре:
Здесь в качестве датчика используется делитель напряжения на выходе P1-R4. Ключевым элементом является тиристор VS1. При снижении выходного напряжения из-за роста тока КЗ транзистор VT1 перестает открывать тиристор VS1 и ток в нагрузке прерывается.
Недостаток - такая схема применима только в нестабилизированных блоках питания.
Таким образом, применение различных компонентов дает разнообразные варианты построения защиты схемы блока питания для ПК или другого устройства от опасных коротких замыканий. Каждый из подходов имеет свои плюсы и минусы.