Простые схемы электронных предохранителей для блоков питания.
Эффективные средства защиты источников питания от КЗ и перегрузки по току на
мощных полевых переключающих МОП-транзисторах.
Плавный пуск (Soft Start) — нужен ли он блоку питания с быстродействующей защитой.
На странице (ссылка на страницу) мы познакомились с несколькими простыми схемами электронных предохранителей, предназначенных для работы в составе блоков питания. Главное назначение этих устройств — защита как самих БП, так и подключаемых к ним узлов от короткого замыкания (КЗ) или превышения тока, которое может возникнуть в них в силу той или иной причины.
Основными преимуществами таких устройств защиты (по сравнению с плавкими предохранителями) являются возможность введения регулировки тока срабатывания и высокое быстродействие, позволяющее в большинстве случаев предотвратить выход из строя электронного оборудования.
Основной недостаток, как не странно, тот же самый — высокое быстродействие, приводящее к ложным срабатываниям в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке значительной ёмкостной составляющей (например, могучих электролитов, часто являющихся обязательным атрибутом многих усилителей мощности).
Перемещение этих электролитов с выхода на вход электронного предохранителя во многих случаях приводит к положительному результату, однако, если мы хотим поиметь универсальный блок питания с возможностью работы с различными устройствами, в том числе и с электролитами на борту, приходится озадачиваться и таким прибамбасом, как плавный пуск (или Soft Start по буржуйски).
Давайте более подробно рассмотрим две, на мой взгляд, наиболее удачные схемы электронных предохранителей, бегло описанных на странице по ссылке.
Схема, приведённая на Рис.1, относится к устройствам с резистивным датчиком тока, позволяющим заранее произвести точный расчёт номиналов элементов, а также ввести плавную (посредством переменного резистора) или ступенчатую (посредством переключателя) регулировку тока срабатывания. 
Рис.1 Схема электронного предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки по току
На элементах Т1 и Т2 выполнен транзисторный аналог тиристора со стабильным напряжением срабатывания
0,6В. Ток срабатывания этого тиристора, а соответственно и всего предохранителя зависит от номинала резистора R4, который рассчитывается по формуле: R4 (Ом) ≈ 0,6/Iср (А) .
При желании ввести в электронный предохранитель плавную регулировку тока срабатывания, R4 следует заменить на цепочку из последовательно соединённых: постоянного резистора, рассчитанного на максимальный ток, и проволочного переменного номиналом, рассчитанным под минимальный ток срабатывания.
Суммарная мощность, рассеиваемая на этих резисторах при максимальном токе, равна Р(Вт) ≈ 0,6 * Iср (А) .
При включении блока питания и условии отсутствия в нагрузке недопустимых токов предохранитель автоматически устанавливается в рабочее (открытое) состояние. При превышении тока напряжение на R4 достигает уровня открывания Т1 и транзисторный эквивалент тиристора (Т1, Т2) срабатывает и притягивает уровень напряжения на затворе Т3 к напряжению на его истоке, что приводит к закрыванию полевика.
Для возврата электронного предохранителя в рабочее (открытое) состояние необходимо: либо выключить и снова включить источник питания, дождавшись, когда напряжение на его выходе упадёт до нуля, либо нажать кнопку сброса S1.
Если входное напряжение, подаваемое на предохранитель, не превышает 20В, то цепочку R1 D1 допустимо исключить, а нижний вывод R3 подключить к минусу.
Применение источника тока на полевом транзисторе Т4 обусловлено желанием обеспечить ток через светодиод Led1 (индикатор наличия выходного напряжения) на постоянном уровне, независимо от приложенного к предохранителю напряжения. Если электронный предохранитель предполагается использовать при фиксированном напряжении питания, то для простоты этот транзистор можно заменить резистором.
Посредством несложных манипуляций в приведённое выше устройство можно добавить функцию плавный пуск (Soft Start), позволяющую электронному предохранителю избегать ложных срабатываний в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке электролитических конденсаторов значительной ёмкости. Рассмотрим получившуюся схему на Рис.2. 
Рис.2 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (положительная полярность)
В начальный момент включения источника питания конденсатор С3 замыкает цепь затвора полевого транзистора Т3 на его исток, заставляя его находиться в закрытом состоянии. По мере заряда конденсатора напряжение на нём (а соответственно и разница потенциалов между истоком и затвором) плавно растёт, что приводит к постепенному открыванию полевика. Длительность данного переходного процесса (от полного закрытия до полного открывания) составляет 15. 20 миллисекунд, чего вполне достаточно для значительного снижения стартовых токов заряда даже очень ёмких электролитов, расположенных в нагрузке.
Для того чтобы после срабатывания защиты вернуть предохранитель в рабочее состояние и сохранить функцию плавного пуска, необходимо не только сбросить транзисторный аналог тиристора, но и дождаться полного разряда конденсатора С3. В связи с этим кнопка сброса перенесена в цепь питания и выполняет функцию обесточивания всего устройства, а дополнительный резистор R7 ускоряет разряд С3 до комфортных 0,3. 0,4 секунд.
Диод D3 выполняет функцию устранения выбросов отрицательной полярности, возникающих на конденсаторе С3 при размыкании S1, а D2 — функцию отсечения этого конденсатора от цепи затвора при срабатывании защиты, что позволяет обойтись без потери быстродействия предохранителя. Диоды могут быть любыми с допустимыми напряжениями, превышающими величину напряжения питания.
Включение датчика тока и коммутирующего транзистора в цепь питания (в нашем случае — в положительную цепь), а не земляную шину позволяет с лёгкостью осуществить релизацию защитного устройства для двуполярных источников. Приведём схему предохранителя и для отрицательной шины двуполяного блока питания. 
Рис.3 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (отрицательная полярность)
Всем хороши эти устройства защиты с резистивными датчиками, особенно для цепей с умеренными токами (до 10А). Однако если возникает необходимость предохранять устройства, для которых рабочими являются токи в несколько десятков, а то и сотен ампер, то мощность, рассеиваемая на резистивном датчике, может оказаться чрезмерно высокой. Так, при максимальном токе в нагрузке равном 20А, на резисторе рассеется около 12Вт, а при токе 100А — 60Вт.
Уменьшать уровень срабатывания электронного предохранителя (скажем до 100мВ) посредством введения в схему чувствительного элемента ОУ или компаратора — не самая хорошая затея, ввиду того, что помехи, гуляющие по шинам земли и питания, в сильноточных цепях могут превышать эти пресловутые 100мВ. В таких ситуациях приходится искать другие решения.
Датчик магнитного поля — геркон и несколько сантиметров толстого провода могут стать выходом из положения в источниках питания с максимальными токами вплоть до десятков и сотен ампер.
Рис.4 Датчик тока на герконе
При прохождении тока через обмотку, намотанную поверх датчика (Рис.4), внутри неё возникает магнитное поле, которое приводит к замыканию контактов геркона.
Намотав обмотку из десяти (или любого другого количества) витков и измерив ток срабатывания геркона, можно масштабировать это значение на любой интересующий нас ток.
Так например, если геркон КЭМ-1 при десяти витках замыкается при токе через обмотку около 15А, то, намотав 2 витка, мы увеличим ток срабатывания в 5 раз, т. е. до 75 А, а перемещая геркон внутри катушки, сможем регулировать это ток в некоторых пределах вплоть до 85. 90 А.
К достоинствам герконов также можно отнести и относительно высокое быстродействие. Время срабатывания у них, как правило, не превышает 1. 2 миллисекунд.
Всё, что теперь остаётся — это нарисовать триггерную схему мощного транзисторного ключа, управляемого герконовым токовым датчиком. 
Рис.5 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки с датчиком тока на герконе
Схема, приведённая на Рис.4, довольно универсальна и позволяет осуществлять защиту устройств от перегрузки в широком диапазоне входных напряжений (9. 80 вольт) без изменения номиналов элементов.
Устройство состоит из транзисторной защёлки, выполненной на элементах Т1 и Т2, и находится в устойчивом состоянии до момента подачи на базу транзистора Т2 короткого положительного или отрицательного импульса.
Для того, чтобы включить электронный предохранитель необходимо нажать на нефиксируемый включатель S1, подав на базу Т2 импульс положительной полярности.
Срабатывает защита от импульса отрицательной полярности, который формируют контакты геркона SF1.
Мощный P-канальный полевой транзистор Т1 следует выбирать с некоторым запасом, исходя из тока срабатывания электронного предохранителя. Если транзистор не удовлетворяет токовым и мощностным характеристикам — допустимо использовать параллельное включение нескольких полупроводников.
Цепочка D1 R6 защищает полевик от недопустимых уровней Uзи при входных напряжениях свыше 20В. Если предохранитель предполагается использовать с меньшими подаваемыми напряжениями, то эту цепочку вполне допустимо исключить.
Источник
Универсальные БП с защитой от перегрузок и К.З.
Предлагаю несколько несложных схем универсальных блоков питания для наладки, проверки и ремонта различного радио и электрооборудования. Предлагаемые блоки питания двухполярные, но можно использовать, конечно, и только один канал. Все блоки содержат схемы защиты от перегрузки и короткого замыкания (К.З.) на выходе. Здесь представлены разные варианты схем защиты – схема на реле, тиристоре и вообще без реле и тиристоров. Даны также варианты использования так называемых «составных» транзисторов для значительного увеличения выходного тока блока питания, которые можно использовать и в других схемах.
Блок питания с плавной регулировкой выходного напряжения
Блок питания выдает двухполярное напряжение от 1 до 15..18 В при токе нагрузки до 1 А и содержит схему защиты от перегрузки и короткого замыкания на выходе. Им удобно пользоваться при наладке радиосхем и аппаратуры, так как практически исключается возможность вывода из строя различных активных элементов схемы (транзисторов, микросхем и т.д.) при случайной переплюсовке или неправильном монтаже, а также случайных коротких замыканий.
Принципиальная схема блока представлена на рисунке ниже
При изготовлении блока питания у меня стояла задача сделать его размеры минимально возможными, что послужило причиной достаточно плотной компоновки элементов внутри корпуса. Тем не менее этот блок питания используется уже 3 года и работает без каких либо нареканий. Управляющие транзисторы практически не греются и не требуют, поэтому, применения больших теплоотводов. В качестве теплоотвода используется корпус блока, сделанный из пластин фольгированного двухстороннего текстолита. Транзисторы (VT1) крепятся к задней стенке через изоляционные прокладки из слюды.
В целях экономии места, также, применяется один вольтметр и один амперметр на оба канала. При помощи переключателя типа П2К они могут подключаться к выходу одного из каналов. Применение на выходе постоянно включенного амперметра очень удобно, так как позволяет в любой момент контролировать потребление тока налаживаемой схемы или устройства и, таким образом, вовремя заметить отклонения от нормального режима работы.
Схемы коммутации измерительных приборов переключателями типа П2К:
В качестве индикаторов рабочего режима и срабатывания защиты от перегрузки или короткого замыкания используются светодиоды соответственно зеленого и красного цвета свечения подключенные на выходе схемы последовательно с резисторами 2 кОм. (подключение светодиодов показано на принципиальной схеме блока питания).
Никакого налаживания собранная схема блока питания не требует. Подстроечным резистором R3 устанавливается порог срабатывания схемы защиты. Для этого к выходу каждого канала подключается нагрузка (резистор), соответствующая нужному току, например 0,9А и поворотом движка резистора R3 добиваются срабатывания реле. Чтобы вернуть блок питания в рабочий режим после срабатывания защиты, нужно на несколько секунд выключить блок питания. В схеме можно применить любые другие реле с рабочим напряжением 6 – 12 В и соответствующей группой контактов, например РЭК-53. Тиристоры КУ202 могут быть с любой буквой, можно поставить и КУ101, 104, 105. Операционный усилитель К153УД5 можно заменить на другой, из серии К140 (например К140УД7, К140УД8).
Простой блок питания с дискретным переключением
Эта схема проще, но также содержит узел защиты от перегрузки и К.З. на выходе. Выходное напряжение здесь задается дискретно, при помощи подключения опорных стабилитронов на разное напряжение стабилизации
Рис. 2
Характеристики:
— Uвых = 6 … 25 В (зависит от примененных стабилитронов);
— Iмакс (без теплоотводов) = 200 мА. При применении теплоотводов и «составных» регулирующих транзисторов (описаны далее) – до 2 .. 3 А;
— Уровень пульсаций — около 1 мВ;
— Кстаб = 700.
Стабилитроны VD2 – VD5 задают нужные значения выходного напряжения и переключаются при помощи подходящего кнопочного или галетного преключателя на нужное количество позиций. Ниже приведена примерная таблица соответствия типа стабилитрона и выходного напряжения блока:
Источник
Защита от КЗ для блока питания своими руками
Иногда при наладке самодельных электронных устройств получается короткое замыкание, из за которого может выйти из строя блок питания. Поэтому у блока питания должна быть надежная защита от короткого замыкания, способная в нужный момент быстро отключить замкнувшую нагрузку и уберечь блок питания от поломки.
На этом рисунке изображена схема простого устройства предназначенного для надежной защиты блока питания от короткого замыкания.
Схема защиты блока питания от короткого замыкания
Принцип работы релейной защиты довольно простой. При подаче напряжения на схему в режиме ожидания загорается красный светодиод. После нажатии кнопки S1 ток поступает на обмотку реле, контакты переключаются и блокируют обмотку реле, таким образом схема переходит в рабочий режим, об этом сигнализирует загоревшийся зеленый светодиод, ток поступает на нагрузку. При возникновении короткого замыкания пропадает напряжение на обмотке реле, контакты его размыкаются, нагрузка автоматически отключается, загорается красный светодиод сигнализируя о срабатывании релейной защиты.
Схема предназначена для работы с постоянным выходным напряжением от 8 до 15 вольт, поэтому будет отлично работать с зарядным устройством из компьютерного блока питания, а также с любыми другими трансформаторными или импульсными блоками питания имеющими выходное напряжение в указанном диапазоне.
Данную схему можно считать универсальной, потому что её легко переделать под любое напряжение, достаточно всего лишь заменить реле под нужное вам напряжение, ну и конечно при необходимости подобрать резисторы R1 и R2 под установленные в схему светодиоды.
Печатная плата устройства защиты блока питания от короткого замыкания.
Печатная плата защиты блока питания от короткого замыкания
Посмотрим, как работает готовое устройство защиты блока питания от короткого замыкания. В дежурном состоянии после подачи питания, горит красный светодиод, нагрузка отключена.
Нажимаем кнопку и устройство перейдет в рабочий режим.
Загорелся зеленый светодиод, сигнализируя о подаче питания на нагрузку, в качестве нагрузки я использую обыкновенную 12 вольтовую лампочку.
С помощью отвертки замыкаю между собой центральный контакт с цоколем лампочки, получается короткое замыкание, мгновенно срабатывает защита от КЗ, нагрузка отключается, загорается красный светодиод своим светом сообщая о коротком замыкании.
Радиодетали для сборки
- Реле SRD-12VDC-SL-C, можно использовать аналогичное на другое напряжение
- Резисторы R1, R2 1K сопротивление подбирайте для каждого светодиода
- Светодиоды 5 мм 2 шт. красный и зеленый
- Кнопка любая без фиксации с нормально разомкнутыми контактами
Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!
Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать защиту от короткого замыкания для блока питания
Источник