Захист джерела живлення та його електронна конструкція навантаження
Для захисту джерела живлення та його навантаження від несправностей один одного потрібні такі компоненти та функції, як запобіжник, блокування під напругою, ломи та затискачі.
Захист електроенергії - це як страхування: ви платите за це, але сподіваєтесь, що він вам не потрібен. Але це не проста "покупка". Перше питання захисту: "Що я хочу захистити і від якої події (подій)?" Відповідь двояка: подача та її компоненти потребують захисту від несправностей навантаження, тоді як навантаження потребує захисту від несправностей подачі.
Друге питання: "Які види несправностей?" Це можуть бути надмірні струм або напруга, починаючи від короткого замикання та пов'язаних з ним сильних струмів, до перехідних процесів та стрибків напруги, спричинених електростатичним розрядом (ESD) або навіть блискавкою. Деякі несправності спричинені несправністю компонента, де інші можуть бути пов’язані з помилкою проводки. Нарешті, в деяких випадках режим несправності може бути навіть занадто низькою напругою живлення.
Компоненти, які повинні бути додані до схеми або системи для забезпечення захисту ланцюга, отримують невелику оцінку. Вони не покращують функціональність, а також не додають гламуру, привабливості або продуктивності продукту. Вони займають простір, додають витрат, ускладнюють специфікацію матеріалів (BOM) і зазвичай сидять спокійно, нічого не роблячи. Така ситуація до тих пір, поки вони не знадобляться, коли від них очікується швидка реакція та захист інших компонентів схеми від несправності або навіть руйнування.
Захист від будь-яких можливих проблем із електроенергією є складним, дорогим і взагалі непотрібним. Роль інженера-проектувальника оцінити, чи потрібен захист від несправностей; врешті-решт, є мало причин захищати смартфон від стрибків електропередач, спричинених блискавкою.
На вибір є багато компонентів та технік, пов’язаних із захистом. Більшість - пасивні, але деякі активні. Ця стаття буде зосереджена лише на пасивних або переважно пасивних типах.
Як і у більшості питань дизайну, думки, що перекриваються, існують щодо однієї і тієї ж основної теми. Що стосується захисту живлення, ви можете розглянути його спочатку з точки зору можливих станів несправності, а потім варіантів боротьби з ними, або з точки зору різних компонентів захисту, а потім несправностей, для яких вони використовуються. Схема або система може використовувати один або кілька рівнів і типів захисту. Багато з цих функцій захисту вбудовані в джерело живлення, будь то мікросхема перетворювача постійного струму або більший блок змінного струму. В інших випадках, наприклад, коли інженер проектує запас з окремих компонентів, можливо, доведеться додати деякі з них.
Починається з перенапруги та запобіжників
Чи є наслідком короткого замикання, яке є зовнішнім для джерела живлення, або всередині нього, надмірний струм є основною проблемою. Це може ініціювати каскад додаткових збоїв, поставити користувачів під загрозу і навіть розвести вогонь. Найдавніше рішення - запобіжник (також званий плавким зв’язком) (Рис. 1) з очевидно простою роботою: коли струм струму перевищує поріг струму запобіжника, струм призводить до перегріву спеціального дроту всередині запобіжника (нагрівання I 2 R), розплавлення та розімкнення, таким чином зменшуючи струм до нуля.
Як тільки запобіжник перегорить, поточний потік повністю відключається, і його можна відновити, лише замінивши сам запобіжник, що є або перевагою, або мінусом, залежно від застосування. Більш складний автоматичний вимикач є альтернативою запобіжнику, який не потребує заміни після активації. Деякі вимикачі термічно активовані, деякі - магнітно; в будь-якому випадку, як і запобіжник, вимикач є струмовим пристроєм.
Хоча запобіжник «старовинний», він недорогий, надійний, простий у проектуванні та ефективний. Основні запобіжники доступні з номіналами від 1 А до сотень ампер (Рис. 2). Хоча запобіжники мають номінальну напругу, це в першу чергу для номіналу контакту та фізичного інтервалу, оскільки сам запобіжник спрацьовує лише через струм, що проходить через нього, а не напруга.
2. Запобіжники мають широкий діапазон форм-факторів та номіналів струму/напруги (не в масштабі): більші запобіжники (50 А і вище) часто розміщуються в циліндрах, які називаються картриджами (a); слабкострумові запобіжники “3AG” на приблизно 250 В змінного струму (b); лопатеві запобіжники 15- і 20-А, що зазвичай використовуються для автомобільних ланцюгів (12 В постійного струму) (c); і старомодні запобіжні запобіжники типу «S» і «T», розраховані на 20 і 30 А, що використовуються в лініях електропередачі змінного струму 120 В) (d). (Джерела зображення: Sunstore/Великобританія; Джерело: Електрична гуртова торгівля/Ірландія; RONA Langdon Hardware Ltd/Канада; та reviseOmatic.org)
Для деяких пристроїв запобіжник не є хорошим вибором (згадайте внутрішні схеми живлення смартфона з обмеженою енергією), тоді як він є найкращим вибором для інших і часто використовується разом з іншими методами захисту. Запобіжник часто додають, щоб допомогти виробу відповідати нормативним вимогам безпеки через пряму функціональність.
Зверніть увагу, що, незважаючи на їх простий принцип, вони пропонуються у багатьох варіантах та тонкощах, наприклад, скільки часу потрібно, щоб він зреагував та розімкнув ланцюг (що є функцією як поточного, так і минулого часу). В таблицях даних запобіжників є багато діаграм, що показують ефективність роботи в різних умовах, а спеціальні запобіжники доступні для унікальних ситуацій.
Блокування низької напруги (UVLO)
UVLO гарантує, що перетворювач джерела живлення (або постійного струму) не намагається працювати, коли його власна вхідна напруга занадто низька (Рис.3). Це робиться з двох причин. По-перше, схеми всередині джерела живлення або перетворювача можуть вийти з ладу або діяти невизначено, якщо вхідна напруга постійного струму занадто низька, а деякі компоненти більшої потужності насправді можуть бути пошкоджені. По-друге, це заважає джерелу живлення/перетворювача використовувати основне живлення, якщо він не може виробляти дійсну вихідну потужність.
3. Блок живлення не "миттєво" виходить на повну потужність, а натомість має перехідні діапазони ввімкнення та вимкнення та час. UVLO гарантує, що джерело живлення не намагається забезпечити повний вихід, коли його вхідна напруга нижче мінімуму, необхідного для належної роботи. (Джерело: Texas Instruments)