Защита блока питания от КЗ — схемы на транзисторах и реле для регулируемого БП

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (сокращенно КЗ) — аварийный режим электрической цепи, представляющий собой соединение двух точек этой цепи с разностью потенциалов. Так как это аварийный режим работы, то ни конструкцией агрегата, ни шнуром питания не предусмотрено его нахождение под напряжением.

Возникновение процесса короткого замыкания связано с резким увеличением силы тока, вплоть до максимально возможного значения, при этом масштаб увеличения характеризуется мощностью источника тока. Увеличение тока в режиме короткого замыкания также сопровождается уменьшением значения напряжения, так как происходит падение напряжения.

Важно! Увеличение силы тока вызывает повышенный сильный перегрев проводников. Соответственно, для надежности электроснабжения в случае короткого замыкания любая (без исключения) цепь должна иметь надежные средства и быстродействующую аппаратуру для аварийного отключения потенциально опасного участка от источника напряжения.

Причины возникновения короткого замыкания

Профессиональный инструмент

Несмотря на то, что этот нежелательный аварийный процесс считается случайным, на его создание могут повлиять следующие причины, связанные с некачественным монтажом или неправильной работой электрооборудования (цепей). Вот основные причины коротких замыканий:

• Снижение качества изоляции токоведущих жил. Это одна из наиболее частых причин перехода сети в режим короткого замыкания, которое происходит из-за пересыхания, механического повреждения или разрушения изоляции между проводниками разного потенциала.

Чаще всего все вышеперечисленные причины снижения сопротивления изоляции и ее разрушения связаны с воздействием на нее вредных факторов, на которые она не рассчитана. Например, при длительном воздействии солнечных лучей на изоляцию, которая боится ультрафиолета, происходит высыхание, трещины и, как следствие, короткое замыкание.

Следует отметить! Любой утеплитель имеет свой срок использования, его старение приводит к аварийным режимам.

• Изменения физических параметров электрической сети, например перенапряжение. Такое явление возможно во время грозы, а именно удар молнии в токонесущий проводник.
• Неправильное подключение, ошибки при монтаже или прокладке кабеля, с несоответствием характеристикам, заявленным производителем.

Любой электромонтер или электрик не застрахован от ошибочных, неправильных действий при монтаже электропроводки или при выполнении эксплуатационных изменений. В низковольтных цепях такие неисправности менее опасны, чем в высоковольтных цепях с мощными источниками энергии, например на высоковольтных электростанциях.

Даже при наличии современных элементов и устройств защиты от чрезмерной нагрузки процесс короткого замыкания в высоковольтных цепях опасен не только для оборудования, но и для обслуживающего персонала из-за возникновения мощной электрической дуги.

• Длительная эксплуатация электрооборудования и электропроводки в режиме перегрузки или в условиях высоких температур окружающей среды. Это приводит к перегреву изоляции между обмотками электрооборудования, а значит, уменьшается сопротивление изоляции, которое в какой-то момент достигает критического значения.

Монтаж качественными материалами, правильная организация работ в электроустановках, а также своевременное техническое обслуживание, с заменой поврежденных участков линии, снизят риск возникновения коротких замыканий.

Для сборки понадобятся следующие детали:

• Операционный усилитель LM358
• Чип-стабилизатор TL431
• Кнопка Beat
• Светодиоды
• Транзистор IRFZ441N
• Переменный резистор 50кОм
• Резисторы: 3 кОм, 200 кОм, 1 кОм — 2 детали

Изготовление устройства защиты от короткого замыкания

Схема монтируется методом поверхностного монтажа. В качестве шин используются толстые металлические жилы. Слева вход питания от устройства, справа выход на нагрузку.

Проверка в работе и настройка

Подключаем цепь к цепи. В качестве нагрузки используется лампа накаливания. В роли источника — регулируемый источник постоянного тока на напряжение 5-15 В.

Когда устройство выключено, светодиод горит. Если при нажатии на кнопку лампочка не загорается, порог переменного резистора установлен слишком высокий. Нужно взять отвертку и поставить правильную.

Теперь, если вы нажмете кнопку, свет включится. Схема работает. Стоит только закрыть розетку лампы, как прибор тут же отключит ее от источника питания. И он будет ждать, пока кнопка снова не включится.

Одна полезная функция схемы

Эта схема может работать не только с защитой от короткого замыкания, но и с защитой от чрезмерной нагрузки двигателя. Для наглядности вместо лампы накаливания будем подключать двигатель постоянного тока. Нажимаем кнопку, вал двигателя крутится как надо.

Теперь, если вы затормозите вал двигателя пальцем, напряжение в цепи «упадет», и устройство отключит двигатель, тем самым защитив его и источник питания.

Эта функция может быть очень полезна для различных целей.

Принцип работы защиты от короткого замыкания

Большинство схем представляют собой отдельный узел, который можно использовать на любом устройстве (с поправкой на номинальный ток). Его можно встроить в существующий блок питания или собрать в отдельном корпусе.

Короткое замыкание сопровождается двумя явлениями:

• текущий рост;
• падение напряжения (чем ближе к месту КЗ, тем больше снижение, а в месте КЗ оно равно нулю).

Большинство устройств безопасности используют первую функцию. Датчик тока обычно представляет собой резистор номиналом от нескольких сотых до единиц Ом. Проходящий ток создает пропорциональное падение напряжения на шунте — чем больше ток, тем больше напряжение.

Схема сравнения сравнивает это напряжение с заданным уровнем и при достижении порога выдает сигнал на открытие ключевого элемента, ток прерывается. Блок индикации подает световой или звуковой сигнал о работе защиты. Недостаток такого решения в том, что до установки измерительного шунта может произойти короткое замыкание, и тогда защита не сработает.

При переключении блоков питания с ШИМ-регулированием защита может быть построена несколько иначе.

Ток измеряется непосредственно в цепи импульсного трансформатора. Напряжение также сравнивается с установленным значением, при превышении которого срабатывает ШИМ-регулятор. Генерация либо полностью прекращается, либо напряжение падает до безопасного уровня.

Недостатком является ограниченный диапазон (только БП с регулировкой PWR) и привязка к конкретной схеме БП. Но избыточный ток контролируется на всех участках цепи.

Виды коротких замыканий

Короткое замыкание в быту:

• однофазный – возникает при приближении фазного провода к нулю. Эти короткие замыкания случаются чаще всего. Обозначается как однофазный с заземлением K(1)
• двухфазный — (К2) возникает при сближении одной фазы с другой, относится к асимметричным процессам. Существует также 2-фазный заземленный К (1.1) в системах с заземленной нейтралью;
• трехфазный – возникает при одновременном замыкании трех фаз. Самый опасный вид короткого замыкания. Это единственный вид КЗ, при котором не происходит перекоса фаз, процесс продолжается симметрично;

Вот типичная картина последствий короткого замыкания: расплавленная или сгоревшая изоляция, запах гари, следы плавления или горения внутри электроприбора.

Виды светодиодных лент для квартир и домов

В реальных условиях короткое замыкание происходит в таких ситуациях:

• Повреждение изоляции проводника. Это может произойти из-за износа изоляции, а также механического воздействия на нее. Жилы кабелей закрываются напрямую или через короб оборудования.
• Неправильное подключение электроприборов к сети. Этот случай характеризуется предположением об ошибке со стороны мастера или владельца квартиры, из-за чего и происходит короткое замыкание.
• Вода проникает в электроприбор. Конечно, нельзя допускать попадания воды на электроприборы, ведь она является хорошим проводником электричества и замыкает контакты.

При ремонтных работах при ремонте стен происходит короткое замыкание, если провода случайно повреждены. Аварии случаются и в квартирах и домах со старой электропроводкой. В результате чрезмерного нагревания он повреждается из-за воздействия воды или грызунов.

Примеры схем и их описание

Схемы защиты блока питания от короткого замыкания или перегрузки по выходу построены на другой элементной базе. Их можно разделить по типу элемента, используемого в качестве ключа.

На биполярном транзисторе

На биполярный транзистор можно установить простую защиту от короткого замыкания. В качестве измерительного шунта использовали сопротивление 0,5 Ом.

В исходном положении транзистор Т1 открыт (через резистор R1). Транзистор Т2 закрыт. При увеличении тока через шунт и достижении на нем напряжения, достаточного для открытия транзистора Т2, напряжение на дне Т1 падает почти до нуля, он закрывается и прерывает ток.

При этом загорается светодиод и сигнализирует о коротком замыкании. Когда ток падает ниже предела, цепь возвращается в исходное положение.

При напряжении питания выше 25 и ниже 8 вольт может потребоваться подбор резистора R1 таким образом, чтобы ключевой транзистор был благополучно открыт. Резистор R3 можно использовать готовый керамический или из нихрома.

Ток срабатывания задается выбором сопротивления шунта — чем оно выше, тем при меньшем токе сработает защита. На рабочий ток также влияет сопротивление резистора R2 и коэффициент усиления транзистора Т2, который можно использовать как любой маломощный прибор в npn-структуре. Рабочий ток ограничен максимальным током ключевого коллектора, который можно использовать как мощный npn-транзистор.

КТ819	10
КТ729А(Б)	30(20)
2Н5490	7
2Н6129	7
2Н6288	7
БД291	6
БД709	6

Неотъемлемым недостатком такого схемного решения является то, что через ключ протекает ток полной нагрузки (и ток короткого замыкания, пока транзистор не закроется). Поэтому ключевой элемент необходимо устанавливать на радиатор соответствующего размера.

На полевом транзисторе

Этот недостаток можно несколько компенсировать, если в качестве ключа использовать полевой транзистор. Сопротивление в открытом состоянии заметно ниже, а значит, и мощность, рассеиваемая на нем, тоже меньше. И ток нагрузки ограничен в меньшей степени.

Защита от короткого замыкания на полевых транзисторах.

Здесь ключ находится в шине отрицательного выходного напряжения. В выходном положении полевой транзистор открыт напряжением, подаваемым через светодиод. Ток в этой цепи очень мал, светодиод не горит. Транзистор Т2 закрыт.

При увеличении тока потребления напряжение на шунте R1 начинает расти, при его увеличении до уровня открытия Т2 ключ Т1 закрывается, и ток через светодиод будет увеличиваться, что свидетельствует о срабатывании защиты. Уровень запуска регулируется подбором шунтирующего резистора.

Ток защиты также можно регулировать изменением резистора R4. Если вместо него установить потенциометр, можно создать регулируемую защиту по току. Вы не можете использовать переменную или элемент настройки, такой как R1.

Транзистор Т2 малой мощности. T1 должен быть рассчитан на полный ток нагрузки. Можно использовать транзисторы из таблицы или другие подходящие по току и напряжению.

ИРФЗ40	50
ИРФЗ44	41-55 (в зависимости от версии)
ИРФЗ46	46-55 (в зависимости от версии)
ИРФЗ48	61-72 (в зависимости от версии)

Если рабочий ток превышает 8..10 ампер, ключ необходимо установить на радиатор.

Читайте также: Принцип работы и нюансы монтажа отопления «Зебра» (Zebra)

На тиристоре

Если нет мощного транзистора, защиту можно смонтировать и на тиристоре. Особенности этой схемы:

• используется второй признак короткого замыкания — снижение напряжения;
• защита работает в цепи выпрямленного (пульсирующего) напряжения (без сглаживающих конденсаторов)

Вторая особенность связана с тем, что тиристор отключается при очередном падении напряжения до нуля в конце полупериода. При постоянном напряжении он не закроется, пока не будет отключена нагрузка (или отключено питание). Поэтому область применения этой схемы ограничена трансформаторными зарядными устройствами (аккумуляторы не нуждаются в выравнивании напряжения).

При работе схемы в начале каждого полупериода напряжение на делителе P1R4 увеличивается, транзистор Т1 открывается, подавая напряжение на управляющий электрод тиристора. VS1 тоже открывается, посылая в нагрузку полуволну синусоиды. Когда напряжение падает, транзистор закрывается.

Тиристор также закрывается, так как в момент перехода через ноль ток через него падает до уровня меньше тока удержания. В новом полупериоде все повторяется снова. Если выходное напряжение упадет из-за короткого замыкания, то транзистор не сможет открыться, и тиристор тоже не откроется.

Когда ток снизится до номинального уровня, выходное напряжение восстановится и тиристор снова откроется. Ток (точнее, напряжение) срабатывания задается потенциометром Р1.

Импульсный блок питания — подборка схем для самостоятельного изготовления

К недостаткам схемы можно отнести низкое быстродействие — если закрытие происходит в начале полупериода, то перед выключением необходимо дождаться его окончания — это 0,01 секунды (плюс время срабатывания тиристора), что довольно много много.

Другая проблема заключается в том, что если неисправность возникает в электрически удаленной точке и мощность источника высока, требуемое снижение напряжения может не произойти. Кроме того, может не произойти падение напряжения из-за перегрузки по току, и возникнет ложная тревога.

На реле

Простую защиту можно выполнить на одном электромагнитном реле. Его особенность в том, что реле является измерительным органом, пороговой схемой и ключевым элементом одновременно.

В исходном положении контакты реле находятся в положении, указанном на схеме. Положительная шина разомкнута, выходного напряжения нет. При нажатии кнопки S1 реле срабатывает, переключающий контакт замыкается и обмотка реле самоблокируется во включенном положении. Загорится зеленый светодиод.

В случае короткого замыкания или перегрузки, достаточной для падения выходного напряжения, напряжение упадет до уровня ниже напряжения удержания реле (оно всегда ниже напряжения срабатывания), реле сработает, напряжение потребителя исчезнет , зеленый светодиод погаснет, а красный загорится. Схема вернется в исходное положение, и для подачи напряжения на выход необходимо снова нажать на кнопку.

Помимо недостатков, характерных для всех схем, отслеживающих падение напряжения из-за перегрузки по току, у этого решения есть свои недостатки. Ток срабатывания не регулируется — только подбором реле. Для выбора необходимо иметь инвентарь предметов. Во-вторых, точность установки уровня срабатывания будет низкой.

Рабочий ток зависит от состояния механической части реле — упругости пружины, трения в механизме поворота якоря и т.д. И может изменяться под воздействием окружающей среды или просто с течением времени. Также следует учитывать механический износ и подгорание контактов реле при повторных операциях.

Для наглядности рекомендуем серию тематических видео.

Приведенные схемы не являются исчерпывающими. Другие узлы можно найти в литературе и Интернете, но рассмотренные принципы построения являются основополагающими, и понимание их работы позволит понять работу других, более сложных схем.

Регулируемый блок питания с защитой от кз своими руками

Этот лабораторный блок питания собран на специализированной микросхеме LM723. Он позволяет регулировать выходное напряжение от 2 до 30 В, имеет защиту от короткого замыкания и обеспечивает ток до 20 А.

Сердцем устройства является микросхема, представляющая собой стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок. Поскольку выходная мощность микросхемы невелика, она снабжена мощным ключом, смонтированным на транзисторах VT1-VT5. Резисторы R4, R6, R8, R10 токовыравнивающие. Они компенсируют дисперсию коэффициента передачи транзисторных ключей.

Датчик тока установлен на резисторах R5, R7, R9, R11, включенных параллельно. Он подключен к контактам 2 и 3 микросхемы. Как только напряжение на этих выводах станет больше 0,6 В, сработает защита по току и закроет силовые транзисторы. Резистор R2 служит для регулировки выходного напряжения. Мощные транзисторы установлены на обычный радиатор площадью примерно 1000 см2. Изолировать их от радиатора не нужно.

Вместо указанных на схеме 2N3055 можно установить КТ819. Диоды выпрямителя должны выдерживать ток 30 А и обратное напряжение не менее 50 В. Трансформатор выдает напряжение 35 В и выдает ток 25 А.

Вот мы и завершили краткий обзор схем защиты от короткого замыкания, которые можно использовать в заводских и самодельных блоках питания и зарядных устройствах. Несмотря на то, что конструкции довольно простые, они вполне справятся со своей задачей и сохранят жизнь блоку питания при неаккуратном обращении.