Protecții în sursele de alimentare: componente simple, dar eficiente.

6 MARTIE 2018

Dispozitivele bazate pe energie electrică trebuie să aibă protecții. Unele din protecțiile în sursele de alimentare sunt obligatorii, iar altele sunt opționale, fiind prevăzute la intrarea sursei, în interior și la ieșirea sursei pentru a nu afecta sarcina conectată la sursă. Orice sursă ar trebui să aibă specificate clar în documentația însoțitoare ce tipuri de protecție are și cum acționează (dacă se limitează performanțele, dacă sursa se oprește, cum revine la normal după încetarea condiției de activare a protecției (automat sau manual). Protecțiile pot fi: (1) Protecția la scurtcircuit, (2) Protecția la depășirea puterii sau la suprasarcină, (3) Protecția la supracurent, (4) Protecția la supratemperatură, (5) Protecția la subtensiune și supratensiune, (6) Protecția ce limitează tensiunea și curentul absorbit pe intrare la pornire. Sursele de alimentare considerate surse de calitate au cât mai multe din tipurile de protecție, ceea ce se reflectă în costul lor. Pe de altă parte, dispozitivele ce reprezintă sarcini pentru surse trebuie protejate la supratensiuni, supraîncălzire și la perturbații.

Câteva componente relativ mici: termistoare, varistoare, condensatoare, bobine de șoc, siguranțe, diode, supresoare de descărcări electrice… pot asigura protecții sigure la costuri eficiente. Totuși, aceste componente de care depinde funcționarea în siguranță, trebuie să aibă caracteristici garantate asupra limitelor electrice și de mediu de lucru. Componentele care asigură protecțiile trebuie să îndeplinească obligatoriu 3 condiții: eficiența funcției, densitate mare de putere admisă și fiabilitate foarte mare.

TDK EPCOS dispune de soluții pentru electronica surselor de alimentare ce operează cu comutare (SMPS), de la filtre EMC pe liniile de intrare, la condensatoare de filtrare la ieșire și inductoare. Gama de produse oferite de EPCOS pentru aplicații în surse de alimentare cu comutare include filtre de mod comun, filtre de ferită, miezuri de ferită în forme E, I, U și de inel, condensatoare de filtrare, termistoare, varistoare, senzori de temperatură, protecții la descărcări electrice, condensatoare DC Link cu film și aluminiu, transformatoare de putere și de uz în aparate casnice.
În proiectarea unei surse de alimentare cu comutare, componentele pasive sunt adăugate după alegerea circuitelor integrate de control și de reglare a tensiunii / curentului, dar alegerea componentelor pasive, ce acompaniază aceste circuite, va avea un efect enorm asupra performanței globale. Dimensiunea fizică, căldura generată, pute­rea de ieșire, eficiența și costul se bazează și pe alegerea atentă a componentelor pasive externe.

Zone de interes pentru care TDK EPCOS dispune de soluții și componente sigure și fiabile

1. Protecția la scurtcircuit (SCP – Short Circuit Protection)
Se referă la ieșirea sursei sau la interiorul sursei și se realizează prin control electronic.
Această protecție este obligatorie. Fără această protecție se poate distruge sursa de alimentare și genera chiar un incendiu. Protecția la scurtcircuit este cea mai simplă formă de protecție prevăzută în orice sursă de alimentare. Se realizează printr-un circuit electronic activ sau componentă care acționează cât mai repede să limiteze curentul, până când o siguranță fuzibilă mai lentă, calibrată la un curent maxim, poate întrerupe efectiv curentul. La sursele de alimentare, se protejează etajul de ieșire din sursă la scurtcircuite accidentale între bornele de ieșire sau la un scurtcircuit în sarcină. Protecția la scurtcircuit (SCP) și protecția la supra­curent (OCP) sunt adesea folosite interschimbabil, dar există o diferență. Scurtcircuitul este un tip de supracurent, deci protecția la scurtcircuit este o parte a protecției la supracurent curent.

În aplicațiile cu motor (sarcina inductivă) sunt necesare mai multe tipuri de protecție a tranzistoarelor de putere la ieșirea sursei de alimentare, a motorului sau a oricărei părți a sistemului de control. Protecția legată de curent este esențială. Aceasta previne nu numai posibilele deteriorări ale tranzistoarelor de putere, ci și demagnetizarea motorului în cazul apariției unei defecțiuni sau instabilitate a controlului. Scurtcircuitul poate apare într-o sursă: între liniile de alimentare (+) și (-) prin circuitul de intrare, între liniile de alimentare (+) și (-) prin circuitul de ieșire, între linia (+) și GND. Supracurentul este cerut în mod normal pentru o perioadă scurtă de timp la pornirea cu sarcină inductivă (motor, bobină de releu, traf), sarcină capacitivă (condensatorul descărcat de pe intrarea unei surse de alimentare), sarcină rezistivă (rezistența rece are valoare mai mică decât încălzită, ex. filament bec, rezistențe de încălzire cuptoare). Pentru unele surse se specifică că pot da la ieșire un curent de câteva ori mai mare, doar pentru o durată limitată de timp. 

Bateriile nu au protecții. Ele limitează curentul prin rezistența lor internă. Sacrificați o baterie alcalină AAA. Când scurtcircuitați prima dată bateria, se va produce un curent de circa 3.5A, ceea ce e destul de impresionant. Apoi, în decurs de 60 de secunde curentul scade la aproximativ 2.5A.
Bateria devine destul de caldă, și credem că nu poate da foc la ceva și nu va exploda. Puterea generată a fost de circa 5W, deci nu este mare, deși puterea este concentrată într-o zonă destul de mică. Atenție să nu faceți asta cu o baterie mai mare. Bateriile mai mari au o rezistență internă scăzută și, vor produce mai mult curent decât o baterie AAA. O baterie mai mare se poate încălzi până la punctul în care devine periculos. Mare precauție la încercarea asta cu baterii care au o rezistență internă deosebit de scăzută, cum ar fi bateriile plumb-acid sau nichel-cadmiu!

Termistoarele EPCOS PTC sunt indicate și pentru limitarea creșterii temperaturii la limită. Sunt oferite în capsule SMD 0805, 0603 și 0402 pentru acest scop. Tipurile seriei B59721A* în capsula 0805 au temperaturi de răspuns de 70 până la 130°C în trepte de 10 K. Rezistența lor nominală e de 680 Ω. Temperaturile seriei B59641A * (0603) și B59421A * (0402) sunt respectiv între 75 și 145°C sau 75 și 135°C, în pași de 10 K. Rezistența nominală a acestor componente este de 470 Ω. Tensiunea de lucru maxim admisibilă e de 32Vcc pentru toate tipurile.

Termistoarele PTC protejează simplu împotriva scurtcircuitelor. În afară de curenții de pornire, un alt pericol îl reprezintă curenții continuu excesiv de mari sau scurtcircuitul în interiorul unui aparat. De regulă, riscurile provin din condensatoarele defecte sau din semiconductoare de putere. Aceste cauze de pericol sunt eliminate de termistoare EPCOS PTC conectate în serie. PTC-urile au o caracteristică de temperatură pozitivă, adică au o rezistență scăzută la temperatura ambiantă. Curenții excesivi încălzesc treptat PTC-urile care trec la o stare foarte rezistivă și limitează astfel curentul. Aceste componente ceramice sunt practic siguranțe cu auto-resetare: imediat ce curentul scade, se răcesc și se vor reîntoarce la starea lor conductivă de rezistență scăzută.

Condensatoarele EPCOS X1 și X2 din seria B32913* și bobinele de șoc EPCOS cu compensare de curenți de mod comun din seria B82727* pentru filtrare pe intrare și protecția la perturbații pe liniile de alimentare.

2. Protecția la depășirea puterii sau la suprasarcină (OPP/OLP – Over Power/Over Load Protection)
Se referă la ieșirea sursei și se realizează prin control electronic. Protecția la depășirea cererii de putere (OPP) și Protecția la încărcare (OLP) sunt două nume diferite care se referă la același lucru. Aceasta este o protecție opțională care oprește sursa de alimentare în cazul în care se solicită o putere prea mare la ieșire, peste un nivel maxim de capabilitate a sursei, care ar duce la distrugerea ei încălzire excesivă.
În cazul surselor de alimentare de nivel inferior, bazate pe topologia half-bridge, această protecție este asigurată de circuitul integrat al controlerului PWM – dacă este prevăzută.
La sursele de alimentare cu circuit activ PFC, această protecție este implementată pe controlerul PFC. În ambele cazuri, circuitul monitorizează cu adevărat curentul total tras de sursa de alimentare din rețeaua de alimentare. Dacă curentul crește peste o valoare configurată, protecția se activează, oprind alimentarea.

3. Protecția la supracurent (OCP – Over Current Protection)
Se referă la ieșirea sursei și se realizează prin control electronic. Această protecție este obli­ga­torie, dacă nu este implementată protecția de limitare a puterii (OPP). Protecția la supracurent se bazează pe un circuit specializat ce măsoară tensiunea pe un senzor de curent (șunt, o rezistență foarte mică). Tensiunea de pe șunt se măsoară și se compară cu un nivel fixat pentru a limita curentul. Protecția la supracurent se face în unul din 5 moduri: (1) curent constant (în timp ce tensiunea la ieșire tinde la zero), (2) fold-back (tensiunea la ieșire scade spre zero, iar curentul de ieșire se reduce), (3) fold-forward (tensiunea la ieșire tinde spre zero, în timp ce curentul la ieșire crește pentru a alimenta sarcini inductive la pornirea sursei), (4) hiccup (tensiunea la ieșire cade la zero, dacă curentul de ieșire crește până la o limită stabilită în etajul de ieșire, dar după un timp scurt se revine iar la valoarea normală. La ieșire fiind efectiv niște tranziții on/off, pierderea de putere prin căldură disipată este minimă, comparativ cu limitarea la curent constant), (5) oprirea funcționării (căderea) sursei la un curent maxim atins (shutdown). Exceptând modul (5) sursa revine, de obicei, la operarea normală la încetarea suprasolicitării.
Se pot folosi termistoare PTC pentru protecția la supracurent cât și limitarea curentului la pornire.

Seria TDK EPCOS ETFV de varistoare ThermoFuse™ constă dintr-un varistor disc în serie cu o siguranță cuplată termic. În cazul supraîncălzirii varistorului, siguranța termică se activează și deconectează circuitul de alimentare. Acest lucru crește fiabilitatea și protejează echipamentul. Atât carcasa, cât și acoperirea varistorului sunt realizate din material ignifug.

4. Protecția la supratemperatură (OTP – Over Temperature Protection)
Se referă la întreaga sursă și chiar la sarcină și se realizează prin control electronic. Această pro­tecție este opțională. Nu toate sursele au prevăzută această protecție care acționează la depășirea unei temperaturi limită în interior, pentru a opri funcțio­narea sursei, pentru că nu poate disipa căldura eficient.
Verificați caracteristica curent dat la ieșire în funcție de temperatura sursei pentru a vă asigura de alimentarea fără întrerupere. Temperatura se măsoară cu un senzor simplu (termistor NTC sau PTC) ales să activeze protecția la un prag. O sursă cu protecție la supratemperatură are doi senzori de temperatură: (1) pentru depășirea temperaturii în interiorul sursei sau pe radiatorul etajului de ieșire și (2) pentru controlul vitezei unui ventilator inclus. Sunt disponibile surse (încărcătoare de baterii) care au și un senzor de temperatură extern, atașabil la sarcină (pentru a limita curentul de încărcare dacă bateria se încălzește excesiv).

5. Protecția la subtensiune și supratensiune la ieșire (UVP și OVP – Under & Over Voltage Protection)
Se referă la ieșirea sursei și se realizează prin control electronic. Protecția la subtensiune (UVP) este opțională, dar protecția la supratensiune (OVP) este obligatorie în toate sursele de alimentare. Subtensiunea poate apare la conectarea bruscă a sarcinii (ex. condensator descărcat). Funcția NLO (No-Load Operation) – de operare fără sarcină este o protecție necesară ce permite alimentarea cu energie și funcționarea corectă a sursei chiar dacă nu există un consumator la ieșire.
Aceasta nu este chiar o “protecție”, ci mai degrabă o cerință de proiectare, fiindcă sursele cu comutare în lipsa unei sarcini pot avea tensiuni la nivele mai mari decât cele nominale. Alt caz este al surselor cu mai multe ieșiri de tensiune ce trebuie să aibă măcar un consumator pe una din ieșiri, pentru ca nivelele de tensiune să fie nominale la toate ieșirile și să nu acționeze protecția OVP.

Varistorul ThermoFuse are trei fire terminale. Două sunt conectate la liniile active, iar al treilea terminal poate fi utilizat pentru semnalizarea de stare. Seria T cuprinde în prezent varistoare tip disc cu diametre de 14 mm și 20 mm și sunt proiectate pentru tensiuni maxime între 130 și 1000 VRMS. Varistoarele ThermoFuse pot rezista la vârfuri de curenți de până la 10.000 A (8/20 μs) și pot absorbi până la 410 J (2 ms). Aplicații majore pentru ThermoFuse sunt: Surse de alimentare, Invertoare în sisteme solare, Aplicații de iluminat, Sisteme de comunicații și date, Suprimarea tensiunii tranzitorii (TVSS), Aparate de uz casnic.

Protecțiile la sub și supratensiune sunt realizate de același circuit care monitorizează tensiunea la ieșire pentru ca aceasta să fie în limite sigure.
De exemplu, aceste protecții monitorizează ieșirile de +12V, + 5V și +3.3V și închid sursa de alimentare în cazul în care oricare dintre aceste ieșiri este deasupra (OVP) sau sub (UVP) o anumită valoare, numită “punct de declanșare”. Sunt protecțiile de bază disponibile în aproape toate sursele de alimentare, inclusiv în modele ieftine, deoarece toate circuitele integrate de monitorizare (controloare PWM) implementează aceste protecții și, deoarece specificațiile surselor ATX necesită OVP.

Protecția OPV poate fi de tip crowbar (întrerupere prin scurtcircuit voit) sau clamp (limitare de scurtă durată la un nivel). (1) Protecția numită crowbar e o schemă simplă ce scurtcircuitează ieșirea sursei printr-un tiristor în serie cu o siguranță ultrarapidă, dacă tensiunea la ieșire depășește un anumit nivel. Sursa nu revine în funcționare după dispariția supratensiunii, deoarece siguranța nu are revenire automată. Varistoarele ThermoFuse acționează la fel: forțează arderea siguranței înseriată cu ieșirea sursei. Dacă sursa de tensiune are frecvente depășiri de tensiune și de lungă durată, varistorul disc le limitează, se încălzește și se poate atinge punctul de topire al siguranței.

Aplicația tipică pentru Varistoare EPCOS ThermoFuse Seria T, de protecție la supratensiuni. Varistoarele ThermoFuse forțează arderea siguranței înseriată cu alimentarea. Dacă sursa de tensiune are frecvente depășiri de tensiune și de lungă durată, varistorul disc le limitează, se încălzește și se poate atinge punctul de topire al siguranței.

(2) Protecția de tip clamp este bazată pe componente ce limitează tensiunea la un nivel prestabilit pe durate scurte, repetitive, absorbind vârfuri mari de curent și disipând putere mare. Protecția la supratensiuni pe intrare se realizează cu varistoare (MOV – Metal Oxide Varistor). Este o metodă simplă de a menține tensiunea în limite non distructive, pentru alimentarea circuitelor la tensiuni cu nivele mici sau de protejare a contactelor mecanice. Varistoarele multistrat sau așa-numitele suprimatoare de tensiune tranzitorie ceramice (CTVS – Ceramic Transient Voltage Suppressors). CTVS sunt rezistoare dependente de tensiune cu o curbă caracteristică simetrică V/I a căror rezistență scade odată cu creșterea tensiunii.
Datorită aplicării lor ca dispozitive de protecție la supratensiune, acestea sunt adesea denumite TVS (supresoare de tensiune tranzitorie) pe bază de siliciu. Se conectează în paralel cu dispozitivul sau circuitul electronic care trebuie protejat. CTVS formează un șunt de rezistență redusă atunci când tensiunea crește peste o valoare de prag specifică tipului CTVS și astfel împiedică creșterea suplimentară a supratensiunii tranzitorii.

Seria EPCOS B722 cu varistoare (MOV) de la TDK aprobate pentru temperaturi de funcționare de 105°C (anterior 85°C). Seria de varistoare B722 a fost recertificată în conformitate cu UL 1449, ediția a 4-a și IEC 61051. Ridicarea temperaturii de funcționare admisibile la 105°C modifică, de asemenea, categoria climatică de la 40/85/56 la 40/105/56. Inflamabili­tatea incintei epoxidice este conformă cu UL 94 V-0. Alte carac­teristici: Gamă largă de tensiuni nominale de la 11 VRMS la 1100 VRMS, Capabilitate ridicată de curent de supratensiune de până la 20 kA (8/20 μs). Aplicații: Surse de alimentare și convertoare pentru aplicații electronice industriale, Dispozi­tive de telecomunicații, Aparate de uz casnic.

6. Protecția ce limitează tensiunea și curentul absorbit pe intrare la pornire (ICL – Inrush Current Limiter)
Se referă la intrarea sursei și se realizează prin termistoare NTC. Această protecție este obliga­torie. Sursele de alimentare cu comutare absorb la pornire un curent foarte mare (20 … 60A) din rețeaua AC sau dintr-o baterie pentru un timp scurt (zeci de msec). Limitarea curentului la pornire este importantă pentru a proteja capacitoarele și elementele de redresare de pe intrare. Limitarea curentului la pornire este realizată cu termistoare NTC și rezistoare cu rezistență mică înseriate pe intrare, evitând astfel distrugerea capacitoarelor, a inductanțelor din filtre și elementelor de redresare din etajul de intrare al sursei, ce au o impedanță extrem de mică. La pornire termistorul e rece și are o rezistență relativ mare. Curentul care îl parcurge îl încălzește și rezistența scade. Datorită acestui comportament apare protecția pe intrare, evitându-se intervenția siguranțelor.

Termistor EPCOS ICL-NTC, termistor EPCOS PTC și varistor EPCOS din seria ETFV. Aceste componente protejează în siguranță intrările surselor de alimentare la supracurenții de pornire și supratensiuni accidentale.

Termistoarele EPCOS NTC sau PTC oferă soluții rentabile și extrem de fiabile pentru astfel de pro­bleme. Termistoarele NTC sunt utilizate ca limitatoare de curent de pornire (ICL) în special pentru surse de alimentare în clasa de ieșire de până la 100W. Datorită variațiilor mari de temperatură ale termistorului NTC când limitează curentul absorbit, este necesar un timp de răcire de 30 … 120 secunde, în care acesta revine la rezistența nominală. De aceea se recomandă ca repornirea sursei să nu se facă imediat după o oprire. Sarcina limitării pe intrare poate fi realizată de ex. cu seria EPCOS B57153S*. Protecția la supratensiuni se face cu diferite varistoare. Seria EPCOS B7221* acoperă toate tensiunile tipice ale surselor de alimentare.

Info WEB:

https://en.tdk.eu/tdk-en
https://en.tdk.eu/tdk-en/530040/products/product-catalog/protection-devices/current-protection/ptc-thermistors-for-overcurrent-protection
https://en.tdk.eu/tdk-en/373562/tech-library/articles/applications–cases/applications–cases/reliable-protection-and-stabilization/171624
https://en.tdk.eu/tdk-en/180382/tech-library/publications/protection-devices

Ecas Electro ( www.ecas.ro) este distribuitor auto­rizat al produselor TDK EPCOS:

Capacitoare aluminiu, Capacitoare film, Capacitoare de putere, Ferite, Filtre, Filtre absorbante de tensiuni foarte mari, Inductoare, Supresoare ceramice pentru tensiuni tranzitorii, Termistoare NTC, Termistoare PTC, Transformatoare, Varistoare.

Constantin Savu
Director General
Ecas Electro

Detalii tehnice: ing. Emil Floroiu | emil.floroiu@ecas.ro

Detalii tehnice și comerciale: birou.vanzari@ecas.ro

ECAS Electro | www.ecas.ro

 

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *