Protecție pentru sursa de alimentare și designul său electronic de încărcare
Protejarea sursei de alimentare și a încărcării acesteia de defectele celeilalte necesită componente și funcții precum siguranța, blocarea subtensiunii, barele și clemele.
Protecția energiei electrice este ca o asigurare: plătiți pentru aceasta, dar sperăm că nu veți avea nevoie de ea. Dar nu este o simplă „achiziție”. Prima întrebare de protecție este: „Ce caut să protejez și împotriva ce eveniment (e)?” Răspunsul este dublu: alimentarea și componentele sale necesită protecție împotriva defecțiunilor de încărcare, în timp ce sarcina necesită protecție împotriva defecțiunilor de alimentare.
A doua întrebare este „Ce fel de defecte?” Acestea pot fi curent sau tensiune excesivă, variind de la un scurtcircuit și curenții mari asociați, până la tranzitorii și vârfuri de tensiune datorate ESD (descărcare electrostatică) sau chiar fulger. Unele defecțiuni se datorează defecțiunii componentelor, unde altele se pot datora unei greșeli de cablare. În cele din urmă, în unele cazuri, modul de avarie poate fi chiar o tensiune de alimentare prea mică.
Componentele care trebuie adăugate la un circuit sau sistem pentru a asigura protecția circuitului primesc puține aprecieri. Nu îmbunătățesc funcționalitatea și nici nu adaugă glamourul, atracția sau performanța produsului. Acestea ocupă spațiu, adaugă costuri, complică factura materialelor (BOM) și, de obicei, stau liniștiți fără să facă nimic. Aceasta este situația până când sunt necesare, când se așteaptă să reacționeze rapid și să protejeze alte componente din circuit de disfuncționalitate sau chiar distrugere.
Protejarea împotriva oricăror probleme posibile de energie este complexă, costisitoare și în general inutilă. Rolul inginerului de proiectare este de a evalua dacă este necesară protecția împotriva defecțiunilor; la urma urmei, există puține motive pentru a proteja un smartphone împotriva vârfurilor de șină de alimentare cauzate de fulgere.
Există multe componente și tehnici legate de protecție din care să alegeți. Majoritatea sunt pasivi, dar unii sunt activi. Acest articol se va concentra numai pe tipurile pasive sau în cea mai mare parte pasive.
La fel ca în majoritatea problemelor de proiectare, există perspective suprapuse pe același subiect de bază. Pentru protecția energiei electrice, îl puteți privi mai întâi în termeni de condiții potențiale de defecțiune, apoi în opțiunile de gestionare a acestora sau în ceea ce privește diferitele componente de protecție și apoi defecțiunile pentru care sunt utilizate. Un circuit sau sistem poate utiliza unul sau mai multe niveluri și tipuri de protecție. Multe dintre aceste caracteristici de protecție sunt încorporate în sursa de alimentare, indiferent dacă este vorba de un convertor DC-DC IC sau de o unitate AC-DC mai mare. În alte cazuri, cum ar fi atunci când un inginer proiectează o sursă de alimentare din componente individuale, este posibil să fie necesară adăugarea unora dintre ele.
Începe cu supracurent și siguranțe
Indiferent dacă este rezultatul unui scurtcircuit extern sau în interiorul acestuia, supracurentul este o preocupare majoră. Poate iniția o cascadă de eșecuri suplimentare, poate pune utilizatorii în pericol și chiar poate declanșa un incendiu. Cea mai veche soluție este o siguranță (numită și o legătură fuzibilă) (Fig. 1) cu o funcționare aparent simplă: atunci când curentul de curent depășește pragul curent al siguranței, curentul provoacă supraîncălzirea firului special din siguranță (încălzirea I 2 R), topirea și deschiderea, reducând astfel curentul la zero.
Odată ce siguranța se deschide, fluxul curent este complet întrerupt și poate fi restaurat numai prin înlocuirea siguranței în sine, care este fie un beneficiu, fie un negativ, în funcție de aplicație. Întreruptorul mai complex este o alternativă la siguranța care nu necesită înlocuire după activare. Unele întrerupătoare sunt activate termic, altele sunt activate magnetic; în ambele sensuri, la fel ca siguranța, întrerupătorul este un dispozitiv declanșat de curent.
Deși siguranța este „antică”, este ieftină, fiabilă, ușor de proiectat și eficientă. Siguranțele de bază sunt disponibile cu ratinguri sub 1 A până la sute de amperi (Fig. 2). În timp ce siguranțele au o tensiune nominală, aceasta este în primul rând pentru ratingul de contact și spațiere fizică, deoarece siguranța în sine este declanșată numai de curentul care îl traversează și nu de tensiune.
2. Siguranțele vin într-o gamă largă de factori de formă și curenți/tensiuni nominale (nu la scară): siguranțele mai mari (50 A și mai mari) sunt adesea adăpostite în cilindri numiți cartușe (a); siguranțe „3AG” cu curent redus de până la aproximativ 250 V ac (b); siguranțe 15- și 20-A de tip lamă utilizate în mod obișnuit pentru circuitele auto (12 V c.c.) (c); și siguranțe înșurubabile de tip „S” și „T” de modă veche de 20 și 30 A utilizate în liniile electrice de 120 V c.a.) (d). (Sursele imaginii: Sunstore/Marea Britanie; Sursa: Electric Wholesaler/Ireland; RONA Langdon Hardware Ltd/Canada; și reviseOmatic.org)
Pentru unele dispozitive, siguranța nu este o alegere bună (gândiți-vă la circuitele interne de alimentare cu energie limitată ale unui smartphone), în timp ce este cea mai bună alegere în altele și este adesea utilizată împreună cu alte tehnici de protecție. Siguranța este adăugată frecvent pentru a ajuta un produs să îndeplinească cerințele de siguranță reglementare, datorită funcționalității sale directe.
Rețineți că, în ciuda principiului lor simplu, acestea sunt oferite în numeroase variante și subtilități, cum ar fi cât timp durează până când reacționează și deschide circuitul (care este o funcție atât a timpului curent, cât și a celui scurs). Fișele tehnice cu siguranțe au multe diagrame care arată performanța în diferite condiții, iar siguranțele de specialitate sunt disponibile pentru situații unice.
Blocare subtensiune (UVLO)
UVLO se asigură că un convertor de alimentare (sau cc-cc) nu încearcă să funcționeze atunci când propria tensiune de intrare este prea mică (Fig. 3). Acest lucru se face din două motive. În primul rând, circuitele din sursa de alimentare sau ale convertorului pot funcționa defectuos sau pot acționa într-un mod nedeterminat dacă tensiunea de curent continuu de intrare este prea mică și unele componente de putere mai mare pot fi de fapt deteriorate. În al doilea rând, împiedică alimentarea/convertorul să utilizeze energie primară dacă nu poate produce o putere de ieșire validă.
3. O sursă de alimentare nu ajunge „instantaneu” la puterea maximă, ci are în schimb intervalele și timpul de tranziție de pornire și oprire. UVLO se asigură că alimentarea nu încearcă să furnizeze o ieșire completă atunci când tensiunea sa de intrare este sub minimul necesar pentru o funcționare corectă. (Sursa: Texas Instruments)