Överspänningsskydd för nätaggregat

Överspänningsskydd för strömförsörjningen är verkligen användbart - vissa PSU-fel kan orsaka skadliga höga spänningar på utrustningen. Överspänningsskydd förhindrar att detta händer på både linjära regulatorer och switchade nätaggregat.

Även om moderna nätaggregat nu är mycket pålitliga, finns det alltid en liten men reell chans att de kan gå sönder.

De kan misslyckas på många sätt och en särskilt oroande möjlighet är att seriepasselementet, dvs huvudpasstransistorn eller FET, kan gå sönder på ett sådant sätt att det kortsluts. Om detta händer kan en mycket hög spänning som ofta kallas överspänning uppträda på kretsen som drivs och orsaka katastrofala skador på hela utrustningen.

Genom att lägga till lite extra skyddskretsar i form av överspänningsskydd är det möjligt att skydda sig mot denna osannolika men katastrofala möjlighet.

De flesta nätaggregat som är designade för mycket tillförlitlig drift av högvärdig utrustning kommer att inkludera någon form av överspänningsskydd för att säkerställa att eventuella strömavbrott inte leder till skada på utrustningen som drivs. Detta gäller både linjära strömförsörjningar och även switchade strömförsörjningar.

Vissa nätaggregat kanske inte innehåller överspänningsskydd och dessa bör inte användas för att driva dyr utrustning - det är möjligt att göra lite elektronisk kretsdesign och att utveckla en liten överspänningsskyddskrets och lägga till detta som en extra artikel.

Grunderna för överspänningsskydd

Det finns många sätt på vilka en strömförsörjning kan gå sönder. Men för att förstå lite mer om överspänningsskydd och kretsproblem är det lätt att ta ett enkelt exempel på en linjär spänningsregulator som använder en mycket enkel zenerdiod och en seriepasstransistor.

Grundläggande serieregulator med zenerdiod och emitterföljare

Även om mer komplicerade försörjningar ger bättre prestanda, förlitar de sig också på en serietransistor för att passera utströmmen. Den största skillnaden är det sätt på vilket regulatorspänningen appliceras på transistorns bas.

Typiskt är inspänningen sådan att flera volt faller över seriespänningsregulatorelementet. Detta gör det möjligt för seriepasstransistorn att reglera utspänningen adekvat. Ofta är spänningen som faller över seriepasstransistorn relativt hög - för en 12 volts strömförsörjning kan ingången vara 18 volt eller ännu mer för att ge den erforderliga regleringen och rippelavvisning, etc.

Detta innebär att det kan finnas en betydande nivå av värme som avleds i spänningsregulatorelementet och i kombination med eventuella transienta spikar som kan uppstå vid ingången, betyder detta att det alltid finns en risk för fel.

Transistorseriepassanordningen skulle vanligtvis misslyckas i ett tillstånd med öppen krets, men under vissa omständigheter kan transistorn utveckla en kortslutning mellan kollektorn och emittern. Om detta inträffar, kommer den fullständiga oreglerade inspänningen att visas i spänningsregulatorns utgång.

Om den fulla spänningen dök upp på utgången, kan det skada många av de IC som finns i kretsen som matas. I detta fall kan kretsen mycket väl vara bortom ekonomisk reparation.

Sättet på vilket omkopplingsregulatorer fungerar är mycket olika, men det finns omständigheter där hela uteffekten kan visas på strömförsörjningens utgång.

För både linjärt reglerade strömförsörjningar och switchade strömförsörjningar är någon form av överspänningsskydd alltid att rekommendera.

Typer av överspänningsskydd

Som med många elektroniska tekniker finns det flera sätt att implementera en viss förmåga. Detta gäller för överspänningsskydd.

Det finns flera olika tekniker som kan användas, var och en med sina egna egenskaper. Prestanda, kostnad, komplexitet och funktionssätt måste alla vägas upp när man bestämmer vilken metod som ska användas under konstruktionsstadiet för elektroniska kretsar.

• SCR Kofot: Som namnet antyder skapar kofotskretsen en kortslutning över strömförsörjningens utgång om ett överspänningstillstånd uppstår. Typiskt används tyristorer, dvs SCR:er för detta eftersom de kan koppla om stora strömmar och förbli på tills eventuell laddning har spridits. Tyristorn kan kopplas tillbaka till en säkring som blåser och isolerar regulatorn från att ha någon ytterligare spänning på den.

  Thyristor kofots överspänningsskyddskrets

  I denna krets är Zener-dioden vald så att dess spänning är över utgångens normala driftspänning, men under spänningen där skada skulle uppstå. I denna ledning flyter ingen ström genom Zenerdioden eftersom dess genomslagsspänning inte har uppnåtts och ingen ström flyter in i tyristorns grind och den förblir avstängd. Strömförsörjningen kommer att fungera normalt.

  Om seriepasstransistorn i strömförsörjningen misslyckas, kommer spänningen att börja stiga - frånkopplingen i enheten säkerställer att den inte stiger omedelbart. När den stiger kommer den att stiga över punkten där Zenerdioden börjar leda och ström kommer att flöda in i tyristorns grind vilket får den att triggas.

  När tyristorn utlöses kommer den att kortsluta strömförsörjningens utgång till jord, vilket förhindrar skador på kretsen den driver. Denna kortslutning kan också användas för att spränga en säkring eller annat element, ta strömmen från spänningsregulatorn och isolera enheten från ytterligare skador.

  Ofta placeras en viss frånkoppling i form av en liten kondensator från tyristorns gate till jord för att förhindra skarpa transienter eller RF från enhetens ström från att komma vidare till gate-anslutningen och orsaka en falsk trigger. Detta bör dock inte göras för stort eftersom det kan bromsa kretsavfyrningen i ett verkligt fall av fel och skyddet kan vara på plats för långsamt.

  Anmärkning om Thyristor Crowbar överspänningsskydd:

  Tyristorn eller SCR, Silicon Controlled Rectifier kan användas för att ge överspänningsskydd i en strömförsörjningskrets. Genom att detektera högspänningen kan kretsen avfyra tyristorn för att placera en kortslutning eller kofot över spänningsskenan för att säkerställa att den inte stiger till hög spänning.

  Läs mer om Thyristor Kofot Överspänningsskyddskrets.

• Spänningsklämning: En annan mycket enkel form av överspänningsskydd använder en metod som kallas spänningsklämning. I sin enklaste form kan den tillhandahållas genom att använda en zenerdiod placerad över utgången på den reglerade strömförsörjningen. Med Zener-diodspänningen vald att vara något över den maximala skenspänningen, kommer den under normala förhållanden inte att leda. Om spänningen stiger för högt kommer den att börja leda och klämma fast spänningen till ett värde något över rälsspänningen.

  Om en högre strömkapacitet behövs för den reglerade strömförsörjningen kan en zenerdiod med en transistorbuffert användas. Detta kommer att öka strömkapaciteten över den enkla zenerdiodkretsen, med en faktor lika med transistorns strömförstärkning. Eftersom en effekttransistor krävs för denna krets kommer de sannolika strömförstärkningsnivåerna att vara låga - möjligen 20 - 50.

  Zenerdiod överspänningsklämma
  (a) - enkel zenerdiod, (b) - högre ström med transistorbuffert

• Spänningsbegränsning: När överspänningsskydd krävs för strömförsörjning i switchläge, används SMPS kläm- och kofotsteknikerna mindre utbrett på grund av kraftförlustkraven och komponenternas möjliga storlek och kostnad.

  Lyckligtvis misslyckas de flesta switchade regulatorer i lågspänningstillstånd. Men det är ofta klokt att införa spänningsbegränsande möjligheter i händelse av överspänningsförhållanden.
  
  Ofta kan detta uppnås genom att känna av överspänningstillståndet och stänga av omvandlaren. Detta är särskilt tillämpligt i fallet med DC-DC-omvandlare. När du implementerar detta är det nödvändigt att införliva en avkänningsslinga som är utanför huvud-IC-regulatorn - många switchade regulatorer och DC-DC-omvandlare använder ett chip för att uppnå större delen av kretsen. Det är mycket viktigt att använda en extern avkänningsslinga, eftersom om switch-mode-regulatorchippet är skadat och orsakar överspänningstillståndet, kan avkänningsmekanismen också skadas.

  Uppenbarligen kräver denna form av överspänningsskydd kretsar som är specifika för den speciella kretsen och switchade strömförsörjningschips som används.

Alla tre teknikerna används och kan ge effektivt överspänningsskydd för strömförsörjningen. Var och en har sina egna fördelar och nackdelar och valet av teknik måste göras beroende på den givna situationen.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC