CC BY
48
УДК 621.316.93
В. И. ДОМАНОВ, А. Р. ШИРИЕВ
СИНТЕЗ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЗАЩИТЫ
Рассматриваются существующие схемы защиты электронных устройств от перенапряжения и переполюсовки, анализируются их недостатки и достоинства, на основании выявленных недостатков составлена схема защиты. Исследуется работа усовершенствованной схемы защиты в разных режимах.
Рис. 1
Рис. 2
Ключевые слова: обратная полярность, повышенное напряжение, перенапряжение, переполюсовка,
схема защиты.
В ряде случаев к надёжности работы электронных схем предъявляются высокие требования, поэтому они защищаются, в том числе по цепям питании. Такие задачи возникают и в том случае, если изготавливаются отдельные модули и возникает возможность его неправильного подключения при монтаже. Существуют схемы, которые сохраняют работоспособность при неправильном подключении источника питания ввиду своей схемотехники, но повышенное напряжение опасно для большинства схем.
Известны устройства, предназначенные для снижения помех, например, фильтры нижних частот в цепях питания [1]. В цепях, которые сами создают помехи, применяются нелинейные устройства для снижения генерируемых помех, например диод, подключённый параллельно индуктивности [2]. Эти устройства предельно просты и достаточно эффективно ограничивают помехи. Однако они неприменимы для подавления или ограничения импульсных помех, возникающих в цепях питания коммутационных устройств, когда, например, автоматика отключает перегрузку или (особенно) короткое замыкание в нагрузке. Кроме того, источники перенапряжений в цепях питания РЭА могут находиться и за пределами РЭА. В частности, это могут быть импульсы разряда статического электричества.
Существуют различные пути решения этой задачи, один из них - схема защиты от перенапряжения и неверной полярности, состоящая из предохранителя, диода, шунтирующего питание в случае неверной полярности, тиристора, шунтирующего питание при превышении входного напряжения определённого порога (рис. 1) [3].
Недостатком такой схемы является необходимость замены предохранителя после неверного подключения, кроме того, в большинстве случаев
© Доманов В. И., Шириев А. Р., 2013
Рис. 3
ток короткого замыкания пробивает тиристор или диод (в зависимости от вида сработавшей защиты) и, несмотря на то, что в целом схема защиты выполнила своё назначение и защитила основное устройство от выхода из строя, само устройство защиты нуждается в ремонте. Помимо того тиристор может открыться от помехи в питании, и даже если помеха имеет малую продолжительность, тиристор не закроется, что приведёт к сгоранию предохранителя и отключению питания с защищаемого устройства, несмотря на то, что к этому моменту напряжение питания вернулось к нормальному состоянию.
Известно устройство защиты от перенапряжений в сети питания с постоянным напряжением [4]. В случае появления в сети питания импульса перенапряжения положительной полярности (рис. 2), мощность которого меньше мощности, предельно допустимой для ограничителя 4 и плавкой перемычки 5, а напряжение которого больше напряжения пробоя этого ограничителя, произойдёт его пробой, что обеспечит снижение напряжения помехи до заданного уровня. После прекращения импульса перенапряжения устройство придёт в своё первоначальное состояние, а ограничитель 4 вернётся в непроводящее состояние. Если мощность импульса перенапряжения будет больше мощности, допустимой для плавкой перемычки 5, то она перегорит, и погасание светодиода 6 будет свидетельствовать о неисправности устройства защиты. Если мощность импульса перенапряжения будет больше допустимой мощности для ограничителя напряжения 4, он сгорит, образуя короткое замыкание, светодиод 6 погаснет, что свидетельствует о неисправности устройства защиты.
В случае появления в сети питания импульса перенапряжения отрицательной полярности (рис. 2), мощность которого меньше мощности, предельно допустимой для ограничителя 3 и плавкой перемычки 5, а напряжение которого больше напряжения пробоя этого ограничителя, то произойдёт пробой и обеспечит снижение напряжения помехи до заданного уровня. После прекращения импульса перенапряжения устройство придёт в своё первоначальное состояние. Если мощность импульса перенапряжения будет больше мощности, предельно допустимой
для плавкой перемычки, то она перегорит, и све-тодиод 6 погаснет, что будет свидетельствовать о неисправности устройства защиты. Если мощность импульса перенапряжения будет больше предельно допустимой мощности для ограничителя напряжения 3, то он сгорит, образуя короткое замыкание. При этом должна сгореть и плавкая перемычка 5, так как её предельно допустимая мощность меньше, чем у ограничителя напряжения, либо ограничитель сгорит на обрыв. Светодиод 6 погаснет, так как оборвётся цепь для тока, что свидетельствует о неисправности устройства защиты. Оператор или пользователь должен заменить неисправное устройство защиты.
Недостатком этой схемы является перегорание предохранителя при достаточно мощной помехе, и всё напряжение будет приложено к защищаемому устройству, что может привести к его выходу из строя. В этом случае устройство защиты не выполнит свою функцию. Также к недостаткам такой схемы можно отнести необходимость замены предохранителя.
Для предотвращения этих недостатков предлагается устройство, отключающее нагрузку в случае выхода параметров питающего напряжения за допустимые границы.
Схема предназначена для защиты от повышения напряжения и неправильного монтажа питания. В зависимости от применённых компонентов она может защищать устройство с питанием от 5 до 250 В постоянного тока от неверной полярности питания и повышенного напряжения от 30 до 400 В, включая возможность подключения переменного напряжения частотой 50 Гц.
Устройство защиты состоит из двух частей. Первая выполняет защиту от неправильного подключения питания. За основу взята схема, предложенная фирмой International Rectifier, рис. 3. В случае соблюдения полярности напряжение через обратный диод попадает на исток транзистора, а на его затвор поступает положительное напряжение, открывающее этот транзистор, в случае же неверного подключения источника питания транзистор будет оставаться закрытым, поскольку на затворе оказывается потенциал меньше, чем на истоке. Существует схема защиты, состоящая из диода, включённого последовательно с источником питания.
Схема защиты на основе полевого транзистора более эффективна, поскольку падение напряжения на диоде 0.7 В, а падение напряжения на открытом транзисторе на порядок меньше и составляет примерно 0.02 В. При токах в 4 А мощность, теряемая на диоде, Р = 0.7 х 4 = 2.8 Вт.
Помимо проблем, связанных со снижением КПД и необходимости повышения напряжения источника питания, необходимо обеспечивать охлаждение диода. Схема же с полевым транзистором лишена этих недостатков.
Чтобы схема могла работать при более высоких напряжениях (до 250 В), в цепь затвора устанавливается резистор, и между затвором и истоком стабилитрон на 9 В, как показано на рис. 4. При подключении резистор Я1 (2 Вт) ограничивает ток через стабилитрон, который не позволяет напряжению питания превысить значение 9 В, и транзистор УТ1 открывается. В случае обратной полярности питания стабилитрон будет выполнять роль диода и не позволит разности потенциалов затвора и истока превысить 1 В, резистор Я1 также ограничивает ток в этой цепи, а транзистор УТ1 останется закрытым.
Для обеспечения защиты от повышенного напряжения используется вторая часть схемы рис. 5, состоящая из стабилитронов УБ2-УБ3, резисторов К2-Я4 транзистора УТ2 и микросхемы 1С1. Основой схемы защиты от перенапряжения является микосхема 11431. Эта микросхема представляет из себя трёхвыводной программируемый шунтирующий регулятор. Выходное напряжение может быть установлено между 2.5 и 36 В двумя внешними резисторами (на рис. 5 это Ю-Я4).
Напряжение отключения защищаемого устройства задаётся резистивным делителем Я3 Я4 и определяется по формуле
КЗ + К4
и =-х 2.5
откл у} л
К 4
Если напряжение находится в пределах, заданных резисторами Ю-Я4, то транзистор УТ2 открыт, в случае превышения на входе микросхемы 1С1 больше 2,5 В, транзистор, содержащийся в микросхеме, открывается, и напряжение на затворе УТ2 падает до 2 В, и транзистор закрывается. Диод УБ2 предназначен для защиты микросхемы 1С 1 от повышенного напряжения.
Рис. 6
VD3 защищает транзистор от превышения напряжения на затворе. Для корректной работы устройства необходимо, чтобы полевой транзистор VT2 не был низковольтным, поскольку низковольтные транзисторы начинают открываться напряжением 2-3 В, в результате срабатывание микросхемы IC1 не приводит к полному закрытию транзистора VT2.
Рассмотрим случай подачи на вход устройства переменного напряжения амплитудой 50 В. Поскольку устройство предназначено для защиты и не является преобразователем, то в случае
недопустимых параметров входного напряжения защищаемое устройство будет отключаться. На рис. 6 изображены графики входного переменного напряжения частотой 50 Гц, амплитудой 50 В и выходного напряжения. Когда напряжение достигает 4.5 В, открываются полевые транзисторы УТ1-УТ2, далее по мере возрастания напряжения на входе также возрастает напряжение на ножке ге£' микросхемы ТЬ431, полученное с рези-стивного делителя Ю-Я4. Когда напряжение на ножке ref превысит значение 2.5 В, встроенный в микросхему транзистор откроется, и напряжение на затворе транзистора УТ2 падает до двух вольт, транзистор УТ2 закрывается. Когда напряжение на входе вновь опуститься до значения, при котором напряжение резистивного делителя Ю-Я4 опуститься ниже 2.5 В, транзистор микросхемы закроется, напряжении на затворе полевого транзистора УТ2 поднимется до значения напряжения питания (не выше 12 В вследствие работы стабилитрона), полевой транзистор УТ2 откроется. Дальнейшее уменьшение напряжения ниже 4.5 В приведёт к тому, что транзисторы УТ1-УТ2 закрываются и остаются закрытыми в течение времени отрицательной полуволны. Далее процесс повторяется по циклу.
В результате работы устройства защиты отсекаются отрицательные полуволны и напряжение выше 14,5 В (для данного значения резистивного делителя Я3-Я4). Таким образом, можно сказать, что устройство защиты успешно выполняет функцию защиты от превышения напряжения питания на входе, а также от подключения к источнику питания с напряжением питания выше предельно допустимого, в том числе выполняет
защиту от подачи переменного напряжения вместо постоянного. После возвращения параметров питающего напряжения к допустимому уровню устройство автоматически подключает защищаемое устройство к источнику питания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Источники электропитания РЭА. Справочник / под ред. Г. С. Найвельта. - М. : Радио и связь, 1985. - 160 с.
2. Казаков, Л. А. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник / Л. А. Казаков. - М. : Радио и связь, 1991.- 305 с.
3. Костюнин, А. В., Каушлы К. М., Беляков В. А., Иванова Л. В.Устройство защиты от перенапряжений. Заявка РФ №93054916, Н 02 Н 9/04.
4. Колосов, В. А. Устройство защиты от перенапряжений в сети питания с постоянным напряжением. Патент РФ 2145759, Н 02 Н 9/04.
5. Колоколов, М. В., Глащенков Г. А. Устройство для защиты от импульсных перенапряжений. Патент РФ №1705947, Н 02 Н 9/04.
Шириев Анатолий Ринатович, аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ульяновского государственного технического университета. Доманов Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ульяновского государственного технического университета.
