Info Guide
#09
31 июля 2006 |
|
DIY - Схема защиты компьютера от перенапряжения.
Для чего и зачем это нужно Данная схема защищает компьютер от пе─ ренапряжения по цепи питания +5В, т.е. всю основную логику компа. Она позволит вам спокойно использовать самодельные импульс─ ные преобразователи напряжения, как прави─ ло, понижающего типа,из высокого (с выпря─ мителя вторички) в 5В. Но для полной эффективности защиты всё же необходимо выполнять ряд требований, и данный электронный узел лишь их часть! Напомню всем, что импульсные преобра─ зователи (по)могут серьезно (с)экономить электричество, что начинает становится ак─ туальным и у нас в стране, с (пока ещё ве─ сьма) недорогой её ценой. А по надёжности хорошо продуманные дискретные блоки не ус─ тупают хорошим интегральным аналогам и сравнимы с обычными стабилизаторами,хотя и более громоздки, а варианты с понижающим трансформатором уступают (по сути, только) весом и габаритами,обеспечивая ещё бОльшую развязку с сетью, безопасность и надёж─ ность. Поэтому, если данные недостатки вас не смущают, то задумайтесь над реализацией импульсного блока.Это позволит вам с боль─ шей пользой расходовать запас мощности трансформатора, использовать трансы с (от─ носительно) высоким напряжением, которые (возможно) давно лежат у вас без дела, и серьёзно облегчить температурный режим (в случае внутреннего блока питания),не гово─ ря уже об избытке мощности для расширения. Но это в дальнейшем... Не секрет, что многие любители электро─ ники и экспериментов с ней, которые прошли школу опыта, так и не связав её с теорией, и насобирали шишек фатальных результатов, не станут изготавливать свой импульсный блок питания. Самые разумные из них не захотят подвергать риску свою (питаемую) технику, от недостатка собственых знаний при проектировании/изготовлении блока. Бо─ лее смелые могут напрактиковаться на стан─ дартных, опубликованных, описанных схемах и не задумываться о безопасности компа. А самые недоверчивые (и ленивые) просто пос─ тавят КРЕНку - трёхлапый интегральный ста─ билизатор - и забудут про все эти темы,ос─ вободившись от минусов и отвергая возмож─ ные плюсы.К последним можно отнести и тех, кто купит современный ИБП от PC, и меня в том числе. Но зачем мне тогда писать об этом? Ведь у меня есть такой блок, и он меня ни разу не подвёл,и запаса его мощно─ сти мне вполне хватит. Дело принципа... Во-первых,мне нравится электроника и эффективное её применение. Во-вторых, моей системе (будущей) нужен свой собственный блок, с электронным упра─ влением, а сделать я его хотел на основе (кажется) польского ИБП ватт на 100, и то─ лько на 12 В, т.е. мне надо ещё преобразо─ ватель из 12 в 5 В и, конечно, без лишних потерь. Сам импульсник сделан отлично, с многокаскадной входной/выходной фильтраци─ ей, электронным управлением и естественным охлаждением (бесшумен), и не хотелось бы снижать его параметры (в целом,как готово─ го,отдельного блока) простейшим импульсным ляпом. Но как человек осторожный,я не могу исключать какое-либо повреждение и возмо─ жность перенапряжения и должен защитить комп от досадного, пусть и случайного,неп─ редсказуемого (а не то,что нелепого) выхо─ да из строя. Используя современные компо─ ненты,весьма доступные по цене,можно стро─ ить очень эффективные и несложные преобра─ зователи с элементами защиты, но качество реализации определяется производителем и не даёт полной гарантии (конечно, случаи брака очень редки,но вы хотели бы,чтобы на вас такой случай выпал?). Также нельзя ис─ ключать повреждения статикой при доставке (не вы же лично чип сопровождали). Поэтому не зря в современной электронике (самой разной - но фирменой, известных марок) очень много цепей защиты - буквально пре─ дохранителей, на токи даже в миллиамперы! Какой из этого можно сделать вывод?.. Пра─ вильно! Используйте,дублируйте защиту,при─ чём делайте это максимально грамотно,и то─ гда можете создавать новое,пусть и неизве─ данное, пусть и не столь проработанное, но с защитой всегда обращайтесь корректно и анализируйте результаты её работы! Вернёмся к нашей теме.Хотите свой импу─ льсник,либо приглянувшийся несложный вари─ ант на современном чипе, и боитесь за наг─ рузку - тогда соберитесь,проработайте схе─ мы защиты, реализуйте их (они все достато─ чно просты и потому очень надёжны), и спо─ койно собирайте импульсник! Описание Представленная здесь схема защиты явля─ ется независимым узлом,шунтирующим 5-воль─ товое питание системы при некотором поро─ говом напряжении (перенапряжении). Схема обладает триггерным эффектом, и при сраба─ тывании резко снижает напряжение питания, так что работа системы становится невозмо─ жной (происходит как бы замыкание питания, но не короткое). Схемотехника защиты более чем классическая, в основе аналог мощного стабилитрона, образованного цепью обратной связи с колектора на базу транзистора, че─ рез собственно стабилитрон, корорый откры─ вается при превышении напряжения лавинно─ го, контролируемого пробоя (согласно своим техническим параметрам) и задаёт ток базы транзистора,который,при пересчёте на коэф─ фициент его усиления (разумеется Hfe) даст ток коллектора. В общем, при повышении на─ пряжения выше некоторого значения часть тока от БП будет стекать через мощный тра─ нзистор (мимо нагрузки, впустую). Крутизна зависимости этого тока от напряжения,прик─ ладываемого к нагрузке будет очень большой - экспоненциальной, т.к. напряжение на от─ крытом стабилитроне почти не меняется и вся разница изменения напряжения приклады─ вается к БЭ переходу транзистора, который и диктует данную зависимость тока базы (а в пересчёте, пропорционально и ток коллек─ тора) от напряжения.А поскольку транзистор мощный и может пропускать через себя беше─ ный ток, то, соответственно,этот ток может сжечь предохранитель (на входе самого БП, при работе на перегрузку),если,конечно сам БП сможет обеспечить такой ток. Ну, а если не сможет и продолжит работу, то нагрузка всё равно будет защищена, и напряжение не превысит критического значения. Правда, часть энергии будет бесполезно стекать - рассеиваться в виде тепла через защиту - мощный транзистор на радиаторе. Следует упомянуть, что любая подобная защита строится на некотором минимальном перенапряжении. Т.е.таком превышении номи─ нального напряжения, при котором устройст─ во может стабильно работать.Это напряжение меньше максимально допустимого,но само та─ кое превышение уже ясно определяет необхо─ димость срабатывания защиты.В нашем случае я решил усовершенствовать схему и ввести триггерный эффект. Дело в том, что эффект срабатывания вышеописаной защиты при проб─ лемах почти (а скорее вовсе) не заметен. Ну, поконтрастней стала картинка, погромче звук (причём еле-еле),потеплее корпус сис─ темы (давно вы его щупали, он и так греет─ ся...). Прежде чем БП совсем накроется,мо─ жет пройти много времени,а сам уход напря─ жения в бОльшую сторону может быть посте─ пенным и незаметным при эксплуатации.Кроме того,если защита будет шунтировать большой ток, то выделяемую мощность (весьма боль─ шую) надо будет где-то в компе рассеивать, ничего не перегревая. Отсюда возрастают размеры радиатора и, соответственно, всего узла защиты.Не очень приятен такой теневой расход энергии. Есть и ещё кое-что.Большой шунтирующий ток (возможный при срабатыва─ нии) в цепи колектора требует пропорциона─ льно большого тока базы и, соответственно, мощного стабилитрона в её цепи, опять же,с заметными габаритами. А при нормальном, предаварийном напряжении эксплуатации че─ рез него будет утекать заметный ток потерь (имеется в виду напряжение, когда сам ста─ билитрон уже пробит,но на базе ещё не дос─ таточно большое напряжение и силовой тран─ зистор ещё закрыт). Чтобы устранить такие недостатки, я мо─ дернизировал схему, добавив триггерный эф─ фект,и это улучшило её характеристики. Те─ перь стабилитрон открывает переход у тири─ стора,а тот,срабатывая,почти замыкает базу и коллектор силового транзистора. В итоге напряжение питания резко падает,и система, наглядно для срабатывания защиты, переста─ ёт работать. Маленькое падение напряжения на транзисторе, при возможно большом токе, снижает рассеиваемую мощность потерь и на─ грев, что позволяет сделать узел защиты более компактным, хотя размеры тиристора своё берут... Поскольку цепь управления тиристора весьма слаботочная, то можно ис─ пользовать слабый стабилитрон, и потери на ток узла защиты, пока он не сработает, бу─ дут малы. А открываясь, сам тиристор выде─ рживает амперы тока, являясь импульсным ключом,и максимальный ток при срабатывании защиты может достигать сотен ампер (в цепи коллектора,в импульсе от разряда конденса─ торов в цепях питания БП и компа),и напря─ жение питания будет уже гораздо ниже пре─ дельного, не повредит микросхемы. Далее о паразитах... Паразитный эффект тиристоров - это по─ ложительная обратная связь,которая снижает их помехоустойчивость. Она основана на па─ разитной ёмкости в п/п переходе, в резуль─ тате которой, при быстром нарастании нап─ ряжения на закрытом тиристоре, формируется паразитный импульс тока управления (как ток заряда паразитной ёмкости),который мо─ жет открыть тиристор, в нашем случае запу─ стив лавинообразный процесс срабатывания защиты (если напряжение вдруг очень быстро подскочет, пусть и на маленькое значение). В нашем случае это можно расценивать как плюс,ведь при аварийно долго открытом клю─ че в ИБП ток и, соответственно, напряжение на нагрузке будут стремительно возрастать, тогда и должен сработать узел защиты. Но для исключения влияния помех всё же лучше ограничить скорость возростания напряже─ ния,для чего и служат конденсаторы на схе─ ме. В любом случае, электролиты в цепи пи─ тания ограничат скорость изменения напря─ жения,и нельзя брать его пульсацию за эта─ лон, ведь режимы нормальной и аварийной работы по пульсации могут быть похожи или плавно сменять друг друга. Согласно характеристикам, для данного напряжения на тиристоре существует опреде─ лённый предел тока управления, превышение которого вызовет лавинообразный процесс открывания. Но мало кто знает, хотя, каза─ лось бы,само собой,что при недостатке это─ го управляющего тока (даже небольшом, т.е. при граничном значении тока, когда его ма─ лейшее превышение вызовет открывание), ти─ ристор может сохранять своё закрытое сос─ тояние сколько угодно долго. Дело в от─ ношении коэффициента размножения заряда, который напрямую зависит от управляющего тока. В нашем случае этот ток зависит от напряжения и слегка плавает от температуры (коэффициент температурной зависимости на─ пряжения стабилизации стабилитрона и неко─ торая температурная зависимость переходов тиристора и силового транзистора. Транзис─ тор влияет на температурную стабильность тем, что его базовый переход отсекает часть падения напряжения питания в цепи с тиристором). А так как при эксплуатации температура сильно не меняется (примерно комнатная),а само изменение (относительная зависимость от температуры) слабое, то порог срабатывания будет почти стабилен. Впрочем, базовый переход силового транзис─ тора до срабатывания закрыт низкоомным со─ противлением, а после срабатывания уже не важно,как будет плавать напряжение от тем─ пературы, всё равно оно будет низким. До срабатывания потерь энергии через силовой транзистор нет. Пороги напряжения срабатывания Некоторая сложность заключается в самом выборе этого порога, таким, чтобы до него нелегко было добраться при эксплуатации. А добраться до него поможет колебательный процесс в выходном CLC фильтре ИБП, совме─ стно с колебанием тока нагрузки. Пик нарастания напряжения (в процессе нормальной работы) придётся на момент ком─ мутации тока в ИБП (когда ток максималь─ ный), если при этом нагрузка резко спадает (с максимальной почти до нуля). Тогда эне─ ргия,запасённая в понижающем и фильтрующем дросселях, начинает заряжать выходной кон─ денсатор,из которого ток почти не выходит (нагрузки почти нет). Естественный скачок напряжения в этот момент не должен превы─ шать сотые доли В (в идеале, а на практике в схемах он составляет десятые доли В, в не самых лучших схемах). Но в следующие периоды накачки энергии скачок продолжает─ ся, т.к.схема сравнения напряжения (усили─ тель ошибки) весьма инерционна (кроме слу─ чаев с упрощёнными схемами - считанные транзисторы, где все процессы синхронны). Инерционность (за счёт конденсаторов, шун─ тирующих усилители ошибки) подавляет поме─ хи и паразитную генерацию (кроме схем, где эта генерация является основой синхронно─ сти). Но в любом случае через 2-3 периода на─ качки пик напряжения скачка пройдет. Необ─ ходимо знать,на сколько может за это время подпрыгнуть напряжение, и предусмотреть порог защиты выше максимального, рабочего всплеска напряжения. Я всегда стараюсь де─ лать выходные и входные фильтры (ёмкости и индуктивности) из расчёта колебаний напря─ жения на сотую долю вольта. Простейший способ повысить помехоустойчивость защиты (уменьшить скачок напряжения) - добавить параллельно питанию несколько электролити─ ческих конденсаторов. Если вы точно знаете номиналы конденсаторов и индуктивностей и максимальное значение (пик нарастания) ра─ бочего тока ИБП, то максимальный скачок напряжения на выходе (при переключении ИБП и падении нагрузки от макс. до мин.) будет равен: ------------------------------- |Uвых^2*Cвых+Iпик^2*(Lпон+Lфил) U= |------------------------------ - Uвых | Cвых | Iпик, как правило,вдвое больше максима─ льного тока нагрузки. Формула учитывает перераспределение энергии из индуктивностей в выходные ёмко─ сти. Но на самом деле начнутся колебатель─ ные процессы с участием предфильтрующих ёмкостей. Однако пик прироста напряжения в них не превысит расчитанный выше, только следует к нему прибавить ещё два значения, рассчитанные аналогично, но при Lфил=0, на случай инерционности усилителей ошибки и влияния цепей обратной связи в ИБП,считая, что энергия фильтрации (накопленная при работе на полную нагрузку) уже израсходо─ вана и больше не накапливается (нагрузки уже почти нет). Кроме этого надо добавить 0.1 В как запас изменения напряжения на кривой стабилизации,при изменении тока на─ грузки во всём (или почти всём) рабочем диапазоне. И полученый прирост считать по─ мехой, неаварийной,рабочей помехой,её надо прибавить к номинальному значению напряже─ ния,при работе на среднюю нагрузку. Думаю, это должно быть 5 В. И уже полученное зна─ чение считать минимальной границей сраба─ тывания защиты. Максимальное значение не должно быть больше 5.5 В. Конечно, для современных се─ рий это нормально (для ALS - 1533, напри─ мер: 5 В+-10%), но для старых уже перебор на 0.25 В и даже перегрев (для 155). При таких перенапряжениях старые серии работа─ ют в тяжёлом режиме, их характеристики (в частности, помехоустойчивость) ухудшаются, особенно у 155 серии,но само по себе такое напряжение не повредит их при непродолжи─ тельном воздействии. Во всяком случае, можно собрать просте─ нькую, узловую схемку, которая своим попи─ скиванием укажет на выход напряжения из рабочей зоны ( +-0.25 В). Это что касается медленного и небольшого нарушения, незаме─ тного для защиты, а серьёзное однозначно вызовет срабатывание и блокировку питания. Но,что ещё важно,сам ИБП должен определять падение выходного напряжения и отключаться по перегрузке.Это также можно организовать простым узлом. Такое действие нужно в це─ лом для отключения аварийного режима рабо─ ты,если ток будет недостаточен,чтобы сжечь предохранитель. Собственно - какой смысл отключать БП, в случае неисправности это может оказаться невыполнимо - если электроника неисправна. Конечно,на случай сбоя от мощного электро─ магнитного импульса (представьте, каким он должен быть) или утечки конденсаторов - потеря ёмкости, повышение уровня пульсаций (вполне реально)...Но это такая редкость,а более реальна перегрузка БП техническими наворотами,если вам иногда что-то приходи─ тся запитывать от компа, подключать и про─ верять новые приводы и прочую обвеску.Тог─ да отключение по перегрузке, либо при слу─ чайном замыкании оправдано. Т.е.отключение при недопустимо низком напряжении,по пере─ грузке,допустим, менее 4.5 В. Хотя уже при таком напряжении возможны сбои в работе, и 155 серия не сможет быстро скоммутировать логику, думаю,этот порог оправдан. До него непросто добраться при нормальной работе, и про помехи можно забыть. Только предус─ мотрите блокировку при включении - когда напряжение питания нарастает - и,желатель─ но,такую блокировку,которая не снизит быс─ тродействие данного узла уже после включе─ ния.Т.е.через секунду после включения бло─ кировка не должна никак снижать реакцию на достижение нижнего порога выключения БП. И,разумеется,такое выключение должно обла─ дать памятью,а не "выключать самого себя", иначе мы получим неопределённый саморегу─ лирующийся полуколебательный процесс с не─ известным будущим. Думаю,схема отключения по нижнему поро─ гу - это тема отдельной статьи. Но допустим, вам неизвестны параметры деталей, и вы не сможете правильно рассчи─ тать всплеск напряжения на выходе БП.Можно сказать - всё очень просто. Действительно - судите сами. Вам хотелось бы защитить комп? Вероят─ но, да,раз вы досюда дочитали... Вам хоте─ лось бы подвергать схему компа воздействию напряжения более 5.5 В? Думаю, не очень... Следовательно,смысл определять всплеск на─ пряжения - чтобы понизить порог приведён─ ной мной схемы. Это похвально. Но помните, что возможен плавный выход за нормальные пределы, и лучше собрать схему индикации для распознавания этого. Если используемый вами ИБП приводит к частому срабатыванию моей схемы, то либо вы должны его заменить или переделать, либо попробовать поднять порог срабатывания моей схемы (добавить один германиевый диод,либо диод Шотки). Но последнее обстоятельство не вполне разум─ но, ведь налицо аварийная ситуация и надо что-то предпринимать,а не избегать её пре─ вышением порога. Следует попробовать доба─ вить больше конденсаторов на выход ИБП или (если не поможет) вообще его переделать/ заменить другим. Как это бывает Давайте рассмотрим варианты работы ИБП и защиты. Возьмём простейший ИБП понижаю─ щего типа,на нескольких транзисторах.Такие обычно работают синхронно с паразитным ко─ лебанием напряжения нагрузки,используя это для определения момента открывания и зак─ рывания ключа.В них выходная пульсация на─ пряжения является неотъемлемой частью ра─ боты, и чем больше это напряжение сглажено большими ёмкостями, тем более паразитный эффект приобретает рабочая частота в этих блоках. Ведь амплитуда управления падает,а цепи обратной связи не самые лучшие (как правило, упрощены). В отличие от других,это наиболее "шумя─ щие" блоки, и более чем необходимо ставить на их выходе LC фильтр. Дело тут не только в очень заметном ослаблении помех (в том числе и на входном LC фильтре),а в том,что броски тока нагрузки могут сильно сместить рабочую фазу управления:в таких упрощённых блоках - и на несколько периодов (синхрон─ ных с колебанием тока в нагрузке).Ключ бу─ дет коммутировать недоразряженную индукти─ вность и приоткрытый диод Шотки, а это вы─ зовет лишние мощные помехи и перегрев клю─ ча, впрочем, как и колебания исходного на─ пряжения и переходных процессов при вклю─ чении, критичных для упрощённых схем. В такие моменты выходное напряжение паразит─ но может пульсировать (с очень низкой - не рабочей частотой) и вызвать срабатывание защиты. Если подобные казусы продолжаются неко─ торое заметное время (без срабатывания за─ щиты),ключ в итоге может сдохнуть.Тут воз─ можны варианты: - обрыв - напряжение питания падает до 0 или около того, система явно перестаёт ра─ ботать; - замыкание - срабатывает защита, и нап─ ряжение падает. Ключ начинает выгорать, и должен сдохнуть предохранитель, но это мо─ жет перерасти в последний вариант: - проводимость,когда ключ превращается в неуправляемое сопротивление и продолжает выгорать,а на нагрузке напряжение колебле─ тся (если защита не сработала) или не ме─ няется (если сработала), но предохранитель может не сгореть - смотря какой ток в ава─ рийной ситуации и смотря как вылетел ключ, а система может продолжать работать, если ей этого тока и напряжения достаточно. Как правило,последний вариант самый ма─ ловероятный,и вследствие перегрева уже до─ хлого ключа он в итоге обрывается (см. пе─ рвый вариант),хотя бывает и возврат к зам─ кнутому состоянию - второй вариант. Нас интересует эффективность защиты и возможность использования таких блоков.Для повышения надёжности и снижения вероятнос─ ти вышеупомянутых событий следует поста─ вить LC фильтр на выходе.Бывает достаточно пары витков в толстом ферритовом колечке (сечением около сантиметра), но лучше уве─ личить до десяти,это если вы не знаете па─ раметры феррита и не можете рассчитать грамотно фильтр. А уже после колечка - па─ раллельно нагрузке - лепить столько кондё─ ров, сколько посчитаете нужным - разумно несколько десятков миллифарад. В то время как конденсатор до кольца,как неотъемлемую часть самого ИБП,следует разве что удвоить (по сравнению с номиналом схемы,которую вы решили повторить).Что касается входного LC фильтра, то он,по сути,только гасит взаим─ ные ВЧ помехи сети (со вторички транса и выпрямителя) и самого ИБП,для чего и жела─ телен. Но есть ещё кое-что... Предохранитель! Его выбор определяет эффективность защиты в целом.Если вы просто пересчитаете потре─ бляемую нагрузкой мощность под более высо─ кое напряжение на входе ИБП и накинете 50% на возможные потери и переходные процессы, то получите не совсем тот номинал предох─ ранителя,который будет хорошо работать. Вы с удивлением можете заметить, что он пери─ одически (а иногда очень часто) будет сго─ рать. Причин может быть три: - отсутствие входного LC фильтра, либо его неэффективность (насыщение слишком ма─ лого по сечению ферритового колечка,недос─ таточно витков - надо десятки); - влияние самого упрощённого ИБП,который при включении выкачивает мощность большим током, из ещё не выросшего напряжения вто─ рички; - бросок тока вторички на заряд входных кондюков (в том числе и самого LC фильт─ ра). Поэтому следует поставить входной LC фильтр, который заодно поможет сэкономить энергию потерь тока на входном предохрани─ теле.В ряде случаев это позволяет понизить ток предохранителя на один-два номинала,но не всегда, т.к. упрощённые схемы ИБП хара─ ктерны короткими перегрузками по току. Предохранитель лучше ставить последова─ тельно со входной индуктивностью (входного LC фильтра), где колебания тока, согласно физике индуктивности, будут наименьшими. Подробнее Теперь вспомним,что самым критичным яв─ ляется режим замыкания ключа в случае его пробоя. К счастью, этот процесс более чем инерционный,за счёт понижающей индуктивно─ сти ИБП. Однако неисправностью может быть трещина в этой индуктивности, и тогда ско─ рость нарастания тока и напряжения будет очень большой. Но на самом деле всё равно процесс будет затянут, так как феррит ни─ куда не исчез. Как вы думаете,возможно ли, чтобы феррит неожиданно раскололся и высы─ пался,оставив каркас обмотки на месте? На─ верное, не просто так это возможно, и на корпусе самого ИБП должны быть следы меха─ нического или прочего воздействия. Более реально к.з. в витках, но опять же не про─ сто так. Но,как бы там ни было,наша схема защиты сработала, и сделала это раньше,чем напря─ жение на выходе ИБП достигло опасного зна─ чения. А вот дальше произошло падение нап─ ряжения на выходе - за счёт триггерного эффекта, после чего напряжение снова стало расти. Во-первых,потому,что предохранители сразу не сгорают, и цепь цела. Во-вторых, потому,что ключ только открылся, и ток ещё не фатально высок,хотя наверняка уже завы─ шен, либо ключ не вполне сдох (только на─ чал).Также потому,что индуктивность не по─ зволяет току быстро нарастать. И в-послед─ них - сопротивление переходов узла защиты вызывает пропорциональное падение напряже─ ния на выходе,и оно хоть и мало, но растёт от пропускаемого тока. Кстати, в упрощенных схемах в случае срабатывания узла защиты по помехе (мала сглаживающая ёмкость) это будет трагедией для ещё живого ключа. Ведь напряжение на выходе упало, и схема управления оставит ключ открытым,"надеясь" что напряжение до─ стигнет порога выключения ключа. Но наша защита этого уже не допустит. Тогда либо сгорит предохранитель, если ток,пропускае─ мый ключом, окажется достаточно большим (и сам ключ не успеет перегреться, что вполне реально в продуманной схеме); либо сгорит сам ключ,если не сумеет обеспечить большой ток или если схема управления не обеспечит нужный ток управления и не будет блокиро─ вана - вполне возможный вариант в простых ИБП. Тут мы опять подходим к неисправности самого ключа и собственно вопросу эффекти─ вности защиты. Допустим, ключ перегрелся, и ему уже не важен ток управления. Вследствие теплового пробоя ток через него стал расти.Структура полупроводника разрушается, но неизвестно, как именно.С одной стороны,ток сумеет пре─ высить критический и сжечь предохранитель (не важно,входной или выходной), и аварий─ ное состояние закончится обрывом. С другой стороны, достаточно сгоревший ключ может стать тепловой пушкой и излучать - рассеи─ вать много тепла, пропуская значительный ток который придётся рассеивать в узле за─ щиты. Не будем рассматривать вариант не─ управляемого сопротивления, недостаточного для срабатывания защиты. Во-первых, налицо будут сбои системы (от занижения питания). Во-вторых, это должна детектировать другая схема. В-третьих, недолго это продлится... Самым опасным является пик нарастания то─ ка,когда ключ и предохранитель ещё не сдо─ хли. Если сопротивление несдохшего ключа окажется слишком низким,то схема защиты не сможет удержать выходное напряжение в нор─ мальных пределах.Конечно,это маловероятно, но если вы влепите современный ключ (на─ пример, IRFZ44), то всё возможно,тогда по─ заботьтесь об ограничении тока отдельным узлом, даже таким же ключом с ограничением по управлению.Главное условие максимальных используемых токов:ток схемы защиты больше тока схемы ограничения, и ток схемы огра─ ничения больше тока предохранителя. Отсюда ясно, что в аварийной ситуации либо сгорит предохранитель, либо ток будет ограничен его номиналом. Если вы не знаете, как ограничить ток, используйте хотя бы резисторы - простейший вариант. Допустим, вы получаете из 12 В 5. Тогда пустите 1 В на рассеиваемую тепловую мощность резистором (при пересчёте на мак─ симальную нагрузку) и соберите преобразо─ ватель из 11 В в 5. Тогда при срабатывании защиты и замыкании ключа максимальный ток не превысит 10-кратного: 12 В питание (да─ же если не сядет!) минус 2 В на схеме за─ щиты - получаем 10 В в аварийном режиме вместо 1 В в обычном. И уже ясно, на какой ток должна быть рассчитана схема защиты (в пике). Само собой, предохранитель будет на меньший ток и сгорит при затянутых процес─ сах. А если нет, и ток будет меньше,придё─ тся рассчитать радиатор для схемы защиты, чтобы она могла долго выдерживать такой аварийный режим. К счастью, сам компьютер при этом работать не будет - напряжение занижено, и перегрев его микросхемам не страшен, токи в микрухах слишком малы и не опасны даже при большой окружающей темпе─ ратуре. KSA-7G Подбор компонентов Если проанализировать параметры деталей на моей схеме, то можно подумать, что её собрали не раздумывая - из чего попало. Я действительно взял транзистор, уже закреп─ лённый на радиаторе,и решил использовать в этой схеме за ненадобностью. Но последнее рассудил исходя из справочника и измерения коэффициента его усиления - буквально 10. Для высоковольтного транзюка все равно ма─ ловато будет,а если взять большую утечку и невысокое быстродействие,не слишком удобно использовать такой ключ,разве что в особых модулях промышленности прошлого века (от─ куда он и есть). Он мне просто не нужен, а зачем выбрасывать - сюда подойдёт. В итоге приведённые параметры радиатора и тока уже были определены, я лишь сопоставил их с рассеиваемой мощностью - измерил падение напряжения при срабатывании. Которое при токе 0.32 А составило 1.4 В. А поскольку транзистор уже был хорошо открыт, а тирис─ тор запросто мог его насытить,я указал во─ зможное падение 2 В при полном токе - 6 А. Кстати, если кто заметил - я указал пара─ метры требуемого транзистора на схеме как равные основным - максимальным.При этом не допускается длительная эксплуатация, но нельзя забывать, что часть энергии рассеи─ вает тиристор, и реально нагрузка на тран─ зюк меньше предельной. На самом деле весь ток пройдёт через транзюк, но часть его через базовый переход, а т.к. напряжение будет - считанные вольты,возможна и долгая эксплуатация в пределах максимальной мощ─ ности. А вообще сюда нужен мощный низкочастот─ ный, низковольтный транзистор, с большим запасом по току - для эффективно быстрого снижения броска напряжения при переключе─ нии, и,возможно,большего прямого тока, из- за возможно низкого сопротивления пробоя ключа). С указанным транзюком схема эффек─ тивна в ненавороченных компах, требующих сравнительно слабые блоки питания, а не современные, как PC-шные. И если нет токо─ ограничевающей цепи в блоке, возможно пов─ реждение логики при сверхсильном пробое... Можно использовать германиевые транзю─ ки, старые и мощные, но они ограничены по току и потому более эффективны в цепях токоограничения. Однако достоинство герма─ ниевых - низкое смещение для открывания - здесь становится недостатком. Им требуется более низкое сопротивление в цепи базы, и повышенные из-за этого рабочие токи узла защиты снижают быстродействие узла.Но итог почти такой же, как у кремниевых, вполне приемлемое использование. Транзисторы в круглом корпусе требуют больше места,и сложней крепёж.Но они более эффективно, надёжно охлаждаются, к тому же их внутренний контакт приварен гораздо бе─ зотказнее, чем у более удобных транзюков в пластмассовых корпусах. Посему здоровые дисковые транзюки - для защиты самые надё─ жные (во всяком случае,из наших).Германие─ вые транзисторы могут заметно влиять на порог срабатывания (разброс между серий), так как открываются уже от сотых долей во─ льта - ещё до порога срабатывания, который становится зависим от температуры БЭ-пере─ хода этих транзисторов. Тиристор, один из самых популярных,так─ же попался под руку. Пожалуй, из его пара─ метров самый неуместный для нас - максима─ льно допустимое напряжение: сотни вольт. Но специально покупать дорогие низковольт─ ные тиристоры нецелесообразно, их быстро─ действие не сильно выигрывает.По току же у нашего вполне нормальное значение - 10 А, которые в базовой цепи формируют огромный ток колектора, либо его насыщение. Разуме─ ется, выбор серии повлияет на порог сраба─ тывания. Наверное,кто-то заметил маленький подвох в схеме. Почему схема всего на 6 А, когда сам тиристор позволяет пропускать целых 10 А? Почему бы вообще транзистор не выбросить и не собрать на одном тиристоре? Конечно, такое возможно, можно выбросить и транзистор, и резистор 10 Ом, а полученная схема с порогом примерно 5.4 В вполне по─ служит защитой, но она не универсальна,и я бы не стал полагаться на очень большой ток. Тиристоры - хорошие ключи, но они "не любят" рассеивать мощность.Транзисторы го─ раздо эффективней с этим справляются,и им─ пульсные токи с транзисторной схемой,как и быстродействие узла защиты в целом - боль─ ше. Схему на одном тиристоре действительно можно использовать,но с ограничением пико─ вого тока до 10 А (к примеру, как рассмат─ ривалось выше),а рассеиваемый ток защиты я бы не стал допускать больше 8 А, и, конеч─ но,придётся ставить радиатор. А в транзис─ торной схеме вы можете использовать тран─ зисторы "по вкусу" и комбинировать приборы под нужный ток. Конденсаторы выбраны за свою популяр─ ность и выполняют главное условие - они должны быть много больше паразитной ёмкос─ ти внутри тиристора. Резистор,шунтирующий переход тиристора, много меньше его внутреннего сопротивления и задаёт границу срабатывания за счёт заметного разбаланса тока в управляющей цепи при его увеличении от напряжения. Резистор,шунтирующий переход транзисто─ ра,не допускает его открывание до срабаты─ вания защиты, исключая лишний ток утечки и растраты энергии через силовой транзистор до срабатывания. Самым значимым является стабилитрон,по─ скольку он отсекает напряжение,приложенное к схеме, оставляя остаток тиристору и сов─ сем чуть-чуть транзюку.Чем ниже его сопро─ тивление,тем круче характеристика его ста─ билизации и стабильнее порог срабатывания схемы в целом. Наши стабилитроны не самые лучшие по характеристикам, а некоторые не иначе как позором не назовёшь, но для дан─ ной схемы подойдут любые - не миниатюрные, т.е.с током на десятки мА и корпусом боль─ ше, чем резистор МЛТ 0.25. Такой запас по─ зволит не сомневатся в долговременной на─ дёжности и стабильности работы, не считая случайного брака.Вообще,исходя из позорной характеристики некоторых наших стабилитро─ нов и их условного цветового обозначения, бывает трудно поверить, что именно этот стабилитрон - такой-то.Вот и в данном слу─ чае я взял стеклянный стабилитрон,с чёрной и белой полосками,и по справочнику опреде─ лил его как 2С133А, но по замеру напряже─ ния он больше похож на 136-й (если такой вообще существует).Нельзя исключать и опе─ чатку,т.к.справочник - это часть комерчес─ кого издания (впрочем,я во многих,не толь─ ко коммерческих, ошибки находил). Но смысл в том, что полагаться на "слепую" сборку узла защиты нельзя, какие бы детали ни бы─ ли, и нужно определить порог срабатывания. Если он сильно далёк от желаемого, подо─ брать его стабилитроном или цепочкой из стабилитрона и диода,или даже двух диодов, только кремниевых - они ближе к стабисто─ рам, которые также можно использовать. В любом случае следует ограничиться тремя деталями, так как чем их больше, тем хуже температурная стабильность порога (хотя она и слабая). В общем, пробуйте с разными стабилитронами и диодами, даже мощными (но небольшими по габаритам). Схема испытания и настройка Для точного определения порога соберите маленькую схему. Конечно, можно и без неё обойтись, если использовать лабораторный блок питания с регулируемым напряжением и ограничить ток (последовательно от 20 Ом 2 Вт и выше, или настройкой защиты блока). Полученный с нескольких раз результат мож─ но считать вполне точным,но для интереса и удобства лучше со схемой. Вам нужен выпря─ митель 12В. Конечно,лучше стабилизатор,или от компа, но подойдёт и выпрямитель, ведь напряжение сети редко меняется на большое значение в течение маленьких временных ин─ тервалов,и можно провести несколько надёж─ ных измерений. Ещё нужен светодиод (любой) - для индикации срабатывания. Он погаснет при срабатывании защиты. Это позволит по─ дойти к порогу "вслепую" и уже потом поме─ рить напряжение.Обратите внимание на боль─ шую ёмкость,лучше её не занижать,но вполне подойдут два конденсатора по 4700 мкФ. Ре─ зисторы мощные, примерно указанных номина─ лов, подстроечник проволочный. Если нет, сперва грубо подберите сопротивление,а по─ том дополните схему подстроечником,соотве─ тственно его подключив (что-то это уже не похоже на простую,удобную схемку).На прак─ тике не всегда доступны столь мощные подс─ троечные резюки, можно взять от старых ла─ мповых теликов, переменные. Я использовал простой (наверно,полуваттный,коричневый на гетинаксе), но настройка оказалась столь грубовата, что я решил подключить паралле─ льно маленький подстроечник на 4.7 кОм и, почти не снижая его сопротивления, подст─ раивал им "точно". К сожалению,схему я на─ рисовал гораздо раньше, чем сам решил её опробовать,и не стал дорисовывать "точный" подстроечник - просто не уместил. А теперь про сам процесс. Вспомните,что при заданом напряжении для RC цепи процесс перезаряда ёмкости носит экспоненциальный характер, и вначале напряжение на конден─ саторе меняется быстро, а потом скорость изменения напряжения падает почти до нуля. Принято считать переходный процесс закон─ ченным,если напряжение на кондёре достигло 2/3 от заданного (либо от разницы между заданным и бывшим - смотря как считать).Но смысл в том, что напряжение на кондёре в конце процеса стремится к заданному беско─ нечно долго, по сути его не достигая,- ток через ёмкость очень мал и напряжение при этом меняется очень слабо - на сотые доли Вольта. Теперь представьте, что к данной RC цепи подключен ещё один резистор - па─ раллельно ёмкости,тогда напряжение к кото─ рому стремится ёмкость будет определяться полученым делителем - соотношением сопро─ тивлений. В конце заряда почти весь ток будет протекать через резисторы,напряжение установится, а ничтожный ток через ёмкость будет влиять на доли вольт, причём через очень большие промежутки времени. В итоге инерционные цифровые тестеры могут успеть точно померить установившееся напряжение. В нашем случае входные резисторы регулиру─ ются,а выходной узел защиты не регулирует─ ся, и входными мы можем устанавливать нап─ ряжение на узле защиты, к которому будет стремится заряжаться кондендсатор. Допустим,мы установили напряжение заме─ тно ниже порога срабатывания. Тогда после отпускания кнопки,через пару секунд напря─ жение почти перестанет меняться - его лег─ ко измерить. А если установленное напряже─ ние заметно выше порога, то через секунду напряжение конденсатора, стремясь к нему, достигнет порога,и светодиод погаснет - мы не успеем точно измерить момент срабатыва─ ния.Но если теперь мы будем понижать уста─ новленное значение - опуская его ближе к порогу,то процесс заряда кондёра при отпу─ скании кнопки будет всё больше затягивать─ ся, и время для измерения точного значения будет возрастать. Ведь напряжение на кон─ денсаторе будет стремиться превысить порог на такое маленькое значение, при котором токи заряда ничтожно малы и скорость изме─ нения напряжения тоже.Опуская заданное на─ пряжение, регулировкой подстроечника приб─ лижая его к порогу, мы смещаем точку пере─ сечения напряжения порога с пологой частью экспоненциальной кривой заряда, всё больше отдаляя её от начала переходного процесса - затягивая во времени. В итоге получится так,что при некотором значении (подстройке) светодиод будет гас─ нуть через определённое - стабильное время после нажатия кнопки.Чем это время дольше, тем точнее можно измерить порог - подклю─ чите тестер и проверьте напряжение, приба─ вьте 0.01 В для компенсации инерционности измерения (на всякий случай, это типичная погрешность, ведь вы будете мерить на пре─ деле DC 20V). А что если схема срабатывает по помехе? Что если реальный порог всё же выше? Где истина? На самом деле так и есть. Находясь на пороге переключения, схема реагирует на любой достаточно мощный импульс помехи и срабатывает синхронно с ним, но амплитуда его гораздо ниже измеряемого прироста. И всё же - как убедиться в том, что срабаты─ вание не случайно, что реально порог не окажется заметно выше? Всё так же, исходя из экспоненты заряда. Измените значение (резистором) - и получите стабильное сра─ батывание через определённое более или ме─ нее короткое время. При этом сама стабиль─ ность указывает на определённую точку в пересечении кривой заряда и прямой порога, хотя необходим стабильный тепловой режим,а свойства конденсатора могут изменятся во времени, да и сам разряд через транзюк и тиристор будет их подогревать, изменяя по─ рог. Но по прибору легко отследить,что на─ пряжение не превышает определённое значе─ ние, и чем быстрее срабатывает схема, тем измеренное значение меньше - а это не зна─ чит,что помеха стала больше - согласитесь! Просто прибор не успевает измерить более высокое и верное значение до срабатывания. Однако при очень точном подборе резистора и высокой близости к порогу (наивысшая точность измерения) могут влиять помехи. Это будет отражаться во временнОй нестаби─ льности срабатывания схемы - то раньше, то позже, с большим разбросом по времени,спу─ стя определённый непрерывный интервал, в течение которого происходит приближение к порогу на разницу, близкую к воздействию помех. Но даже здесь нельзя исключать вли─ яние тепловых шумов в тиристоре, стабилит─ роне и конденсаторе, а в последнем ещё и электрохимические дефекты ёмкости. Если вас не устраивает порог,в пределах 0.1 В, то подберите сопротивления узла за─ щиты. После пайки дайте деталям остыть - и тогда уже проверяйте порог, иначе неверно измерите.Если разброс ещё больше желаемого - подбирайте стабилитрон,пробуйте варианты с диодами. Перспективы Данную схему защиты легко переделать под другое напряжение - достаточно поме─ нять, подобрать другой стабилитрон. Для Speccy со слабым блоком это единственное отличие. Я, конечно, про защиту 12 В. Что актуально,опять же,при самодельных и имен─ но импульсных блоках. В обычных разница входного и 12 В - невелика, нагрузка тоже небольшая, и КРЕНка вполне справляется с тепловым режимом.Схема испытания тоже ада─ птивна - используйте кондёр на 25 В и ре─ зистор на светодиод 1 кОм 0.5 Вт, источник вольт на 15 - 20. Резисторы вдвое более мощные. Но придётся дольше удерживать кно─ пку для разряда кондёра, или добавить от─ дельный резистор - 100 Ом (отключится от 1 кОм). Если вам понадобилось ещё более высоко─ вольтная защита - пересчитывайте компонен─ ты сами. Заметьте - узел защиты универса─ лен, его можно использовать для защиты це─ пей с отрицательным напряжением. Также мо─ жно построить схему на транзисторе PNP ти─ па и на тиристоре с управлением по аноду - всего 4 варианта, кому надо - догадаются. Ну а если вам нужна более мощная схема - шунтирующая ещё больший ток, - ставьте другие транзистор и радиатор.Тогда вы смо─ жете "защититься" и от ПЦшных БП с их бе─ шеными токами,это тоже актуально.Мне изве─ стны случаи выхода их из строя (буквально недавно, у друга) с тяжёлыми последствиями - сгорел винчестер.Конечно,сборка была без фильтра и варисторов,и с перемычкой вместо обрывного резюка. В итоге - куча неисправ─ ных деталей,включая к.з.в трансе дежурного питания, а предохранитель цел (6А! в блоке 230 Вт). Это уже не первый случай перего─ рания входного керамического резистора при исправном предохранителе. В других устрой─ ствах тоже бывает, низкокачественной сбор─ ки. Кстати, плата того ПЦ БП была с марки─ ровкой LEC-971. Напоследок приемлемые мощные транзюки npn типа для нашего варианта схемы. Судите сами,какие ставить и для чего. Но максима─ льный рабочий (не аварийный) ток ИБП дол─ жен быть в несколько раз ниже Iк: тип Pк,Вт Iк,А КТ802 50 5 КТ803 60 10 КТ805пл. 30 5 КТ808 60 10 КТ808 70 10 КТ812 50 8 КТ819пл. 60 10 КТ819 100 15 КТ828 50 5 КТ834 100 15 КТ838 12 5 КТ839 50 10 КТ840 60 6 КТ841 50 10 КТ844 50 10 КТ845 40 5 КТ846 12 5 КТ847 125 15 КТ848 35 15 КТ854пл. 60 10 КТ857пл. 60 7 КТ858пл. 60 7 КТ863пл. 50 10 КТ864 100 10 КТ866 30 20 КТ872пл. 100 8 КТ878 100 8 КТ879 250 50 2Т886А 75 10 КТ908 50 10 Конечно,есть и другие. Я перечислил ни─ зкочастотные, а также высоковольтные, для бОльшего выбора. Указал пластмассовые, они удобней - меньше, но у них хуже теплоотвод и надёжность контактов внутри корпуса, по─ этому очень аккуратно паяйте выводы, лучше не гните их, соединяйте толстым,многожиль─ ным проводом (1-2 кв. мм). Я не стал пере─ числять транзисторы "супербэта" (2 в 1) из-за их дороговизны и ненадобности в дан─ ной схеме. Конечно, можно их использовать, но они ещё менее надёжны. Если у вас нет транзистора достаточно большой мощности и много менее мощных - используйте их. Сое─ дините параллельно, но каждую базу - отде─ льно через 1 Ом 0.25 Вт, а суммарный ток и мощность раза в 1.5 раза меньше суммы сое─ динённых приборов (с учетом неравномерного распределения, а лучше с ещё большим запа─ сом брать). Итог Как я упоминал, данная схема лишь часть полноценной защиты, поскольку защищает са─ мо питаемое устройство, но не может защи─ тить себя от перегрева. Поэтому хорошо по─ думайте,на что можно рассчитывать в авари─ йной ситуации, если устройство долго будет рассеивать тепло. Можно поставить предох─ ранитель с током в 2-3 раза больше номина─ льного.Ток при включении плавно нарастает, а импульсная перегрузка мала,и вся пробле─ ма в потерях напряжения на самом предохра─ нителе; не жалко 0.1 В - ставьте. 2-3-кра─ тный запас позволит рассчитывать на опре─ делённую рассеиваемую мощность,более кото─ рой предохранитель не выдержит. Этот вари─ ант очень прост и удобен,если использовать предохранитель в цепи индуктивности выход─ ного фильтра (ток почти постоянный), а ко─ нтроль напряжения (стабилизацию) осуществ─ лять уже по выходу, тогда и потери на пре─ дохранителе будут учтены.Но не все импуль─ сные схемы столь благородны. А при хорошей реализации достаточно было бы 2-кратного значения тока предохранителя. Ещё более удачный вариант - предохранитель на входе, тоже в цепи фильтрации, тоже 2-3-кратного значения от потребляемого тока - здесь он, разумеется, будет ещё меньшего значения,но так же не для простых схем, а для схем с мягким запуском. Можно использовать схему выключения при аварийном снижении, но что она выключит, если ключ БП пробит? Можно использовать схемы генераторов тока, выхо─ дящие из насыщения в аварийном режиме, но это отдельные статьи.Помните и о долговре─ менной работе у порога - должна быть инди─ кация этого состояния,и это тоже отдельная статья. На этом пока всё. 22.12.2005 By KSA-7G
Другие статьи номера:
Похожие статьи:
В этот день... 4 октября