Protecțiile sunt absolut necesare atât în sursele de alimentare cu putere cât și în consumatorii dintr-un sistem, indiferent de complexitatea acestuia.
Sursele de alimentare trebuie să aibă protecții la ieșire, la: scurtcircuit (SCP), supratensiune (OVP), subtensiune (ULP), supracurent (OCP), depășirea puterii (OPP/OLP).
Sursele de alimentare trebuie să fie robuste: să poată fi solicitate și să nu se defecteze la porniri/opriri (manuale sau de la distanță) frecvente și repetate în timp. Pornirile și opririle repetate stresează componentele electronice reducând durata de utilizare (ex. Becul economic fluorescent sau cu LED-uri care conține o sursă cu comutare, nu suportă porniri/opriri frecvente, iar becul se arde prematur dacă nu are prevăzute protecții. Becul cu halogen nu este afectat de acest regim on/off). Puțini fabricanți specifică această caracteristică, dar ar fi normal un minim de 10.000 porniri/opriri cu sarcina nominală conectată, pe toată durata de viață estimată (altă caracteristică nespecificată de toți fabricanții de surse).
Sursele de alimentare și alte dispozitive alimentate cu putere electrică trebuie să aibă protecție la supratemperatură (OTP), mai ales când funcționează la putere maximă și în condiții de mediu cu temperatură ridicată.
Sursele de alimentare trebuie să aibă consum propriu mic de putere electrică în starea de așteptare a pornirii (standby), sub un nivel impus de standarde (ErP, EISA), pentru a nu fi considerate vampiri energetici. Un exemplu tipic este un invertor DC/AC conectat la o baterie de 12Vcc, pe care o poate epuiza energetic în așteptare, deoarece, chiar fără sarcină are un consum propriu semnificativ. (De ex. Invertorul Meanwell A301-600-F3 consumă 600mA fără sarcină, dar invertorul Steca Solarix MPPT 2010 consumă doar 10mA fără sarcină. Bineînțeles că, la caracteristici superioare prețul e mai mare!).
Protecția la supratensiune la ieșire (OVP – Over Voltage Protection)
Protecția la supratensiune la ieșirea sursei este realizată de un circuit care monitorizează tensiunea la ieșire pentru ca aceasta să fie în limite sigure. Protecția la supratensiune (OVP) este obligatorie la toate sursele, iar pentru consumatori este obligatorie pe intrare. Nivelul de declanșare al protecției poate fi fixat mai sus de tensiunea nominală, dar acest nivel la care acționează protecția OVP poate reprezenta un nivel periculos, la care se distrug componente electronice. Astfel, se poate specifica la o sursă că variația normală a nivelului ieșirii este ±5% din nivelul nominal, dar protecția trebuie să acționeze la nivel cu cel puțin 2Vcc mai sus de acest nivel, dar respectând nivelul maxim de tensiune admisă de sarcină, când sursa poate fi funcțională, dar sarcina este afectată.
Protecția la supratensiune se poate realiza simplu prin două metode: (1) protecția crowbar este protecție la supratensiune care scurtcircuitează ieșirea dacă tensiunea la ieșire depășește un nivel setat (schema este simplă: un circuit sesizează nivelul tensiunii și comandă un dispozitiv SCR – Silicon Controlled Rectifier care va scurtcircuita ieșirea și va activa o siguranță ultrarapidă). Circuitul trebuie să asigure o întârziere relativ mică, pentru a evita distrugerea sarcinii. Siguranța va rămâne întreruptă și nu se asigură revenirea automată la modul normal de operare a sursei după dispariția supratensiunii, dar se poate indica optic că s-a acționat la o supratensiune. Pot apărea false depășiri ale tensiunii de ieșire la deconectarea unei sarcini inductive sau la descărcări electrostatice imprevizibile sau la prag de declanșare a protecției fixat la nivel apropiat de nivelul nominal al tensiunii. (2) protecţia clamping (clamping circuit) limitează variațiile de tensiune în sus sau în jos față de un nivel de tensiune DC prestabilit, conducând vârfuri de curent mare pe durate scurte (peaks), repetitive, spre un nivel de referință. Se menține simplu tensiunea în limite non distructive pentru circuitele alimentate la tensiuni mici (ex. contactele releelor ce au sarcini inductive, sunt protejate cu diode). De asemenea, pot fi protejate prin protecția clamping componente electronice la descărcări ESD, la perturbații EMI, la tensiuni tranzitorii și fluctuații ce pot apare aleatoriu în sursele de putere, pe firele de conectare la alimentare, de comunicații sau de date.
Protecția la supracurent (OCP – Over Current Protection)
Această protecție este obligatorie. Standardul IEC 60950-1 obligă ca, niciun singur conductor dintr-un echipament de calcul să nu transporte o putere mai mare 240VA (curent maxim 20A, la tensiunea 12V). Protecția la supracurent se bazează pe un circuit specializat OVP și pe un senzor de curent (rezistor de putere mare, dar cu rezistență foarte mică, numit șunt) pe care se măsoară căderea de tensiune și se compară cu un nivel de referință. Se folosesc diverse metode de limitare a curentului: (1) la curent constant când sursa devine un generator de curent (curentul rămâne constant, dar tensiunea va tinde la zero); (2) fold-back (tensiunea tinde spre zero, dar curentul la ieșire se reduce la o valoare mai mică); (3) fold-forward (tensiunea tinde spre zero, în timp ce curentul la ieșire crește, ca în cazul surselor care alimentează motoare electrice, pentru a putea compensa, la pornire, inerția electrică a motoarelor, pompelor sau a sarcinilor capacitive mari); (4) hiccup (la atingerea unei limite a curentului, tensiunea se reduce la zero și după un scurt timp revine la valoarea normală; la ieșire apar variații on/off, ca o oscilație, iar disiparea de putere este minimă); (5) oprirea funcționării sursei (shutdown) la apropierea de nivelul maxim admis pentru curent (current limit shutdown). În funcție de modelul sursei, aceasta poate să revină automat la operare normală, după dispariția cauzei sau poate fi necesară pornirea manuală sau de la distanță.
Protecția la depășirea puterii / protecția la suprasarcină (OPP/OLP – Over Power/Load Protection)
Aceste protecții (OPP/OLP) au nume diferite, dar se referă la același lucru. Această protecție este opțională și acționează pentru oprirea sursei când se solicită o putere la consumator mai mare decât un nivel configurat. Protecția se realizează prin monitorizarea curentului la ieșirea sursei, iar la creșterea curentului peste o valoare fixată, se va declanșa protecția, oprind funcționarea sursei de alimentare.
Protecția la supratemperatură (OTP – Over Temperature Protection)
Această protecție este opțională și acționează la depășirea unui nivel al temperaturii în interior, considerat periculos. Temperatura se monitorizează cu un termistor, iar nivelul la care va acționa protecția este stabilit de fabricant. O sursă cu protecție la supratemperatură poate avea senzorul pus în interior pe etajul de putere pentru a opri sursa sau pentru a controla viteza unui ventilator de răcire forțată. Protecția la supratemperatură se poate referi și la sarcină, cum este cazul încărcătoarelor de baterii la care se reglează curentul de încărcare în funcție de temperatura bateriei, știind că la încălzire bateria se poate deteriora. Încărcătoarele de baterii considerate de calitate, cu nivele de încărcare, se livrează cu un senzor de temperatură extern care se poziționează pe baterie.
Curentul de încărcare va fi corelat cu temperatura bateriei (scade curentul, când crește temperatura bateriei).
Obligatoriu, la alegerea sursei de putere se analizează diagrama dependenței puterii la ieșire în funcție de temperatura ambiantă (puterea scade, la creșterea temperaturii), pentru ca sursa să poată debita puterea cerută de sarcină la temperatura maximă.
Protecția prin termistoare PTC ceramice
Un termistor PTC este un rezistor semiconductor sensibil termic. Valoarea rezistenței crește brusc odată cu creșterea temperaturii, când o temperatură definită (Temperatura de referință, numită Temperatură ferroelectric Curie) a fost depășită. Coeficientul de temperatură pozitiv foarte ridicat (PTC) al rezistenței peste temperatura de referință a dat numele termistor.
Standardele aplicabile sunt EN 60738-1, IEC 60738-1, DIN 44081 și DIN 44082.
Termistoarele PTC ceramice sunt utilizate în locul siguranțelor pentru a proteja la supracurent circuite electronice, dar și motoare și transformatoare. Termistoarele se conectează în serie cu traseul de curent și răspund rapid la creșteri inadmisibile de curent, dar și la creșteri de temperatură. Puterea disipată este limitată prin creșterea rezistenței care va limita curentul, iar în contrast cu siguranțele care întrerup circuitul electric, termistoarele încetează limitarea când se răcesc, dacă curentul scade. Termistoarele PTC ceramice pot avea frecvente cicluri încălzire/răcire, fiind superioare PTC-urilor din materiale plastice.
Considerații la alegerea unui termistor ceramic PTC.
• Curentul maxim limitat (trebuie cât mai apropiat de curentul nominal, pentru o acționare rapidă la creștere) și tensiunea maximă ce poate apare (până la 1000V) pentru a ști puterea maximă ce trebuie disipată; ca precauție se înseriază un rezistor de valoare mică care va limita curentul în caz de scurtcircuit al PTC.
• Dimensiunile PTC proporționale cu disiparea puterii maxime, pentru o revenire rapidă, dar și să permită poziționarea în montajul electronic.
• Curenții de valori mari se admit fără schimbarea valorii rezistenței, dacă dimensiunile sunt mari și asigură o răcire eficientă prin plasarea bine aleasă în mediu. EPCOS produce termistoare PTC care asigură o suprafață mare pentru o bună disipație, ce pot asigura o disipație de până la 200W per componentă. O răcire cu ventilator poate fi utilă.
• Temperatura ambiantă la care operează PTC pentru ca limitarea să nu se facă datorită în principal datorită variației temperaturii mediului; EPCOS oferă termistoare PTC pentru protecție la supracurent cu temperaturi de referință 80, 120, 130 și 160°C, iar curentul limitat va depinde de această temperatură de referință și de diametrul PTC.
• Rezistență PTC cât mai mică (câțiva ohmi), pentru o variație mică între curentul nominal și cel limitat; se evită folosirea solvenților care afectează suprafața încapsulării PTC și astfel poate scade rezistența nominală.
• Durata perturbației care duce la limitarea curentului este adesea un factor neglijat; termistoarele EPCOS pot avea tensiunea de lucru de cel puțin 265Vac și pot rezista timp indefinit.
• Disiparea căldurii trebuie să fie asigurată prin circulație ușoară a aerului, pentru ca revenirea să fie rapidă.
Aplicații versatile pentru PTC – EPCOS
1. Protecția simplă a unui transformator prin limitarea curentului în primar.
2. Întârziere la comutarea unei sarcini L, dacă sunt comutări frecvente. Se limitează curentul când crește tensiunea la deconectare.
3. Preîncălzirea electrozilor în lămpi fluorescente sau economice creşte durata de viață a lor.
4. Circuit starter motor AC (frigider sau aer condiționat) cu PTC care limitează curentul în înfășurarea auxiliară la pornire.
5. Senzor de nivel cu PTC care disipă căldura mai bine într-un lichid decât în aer.
Pentru aceste aplicații EPCOS oferă PTC încapsulați în sticlă sau oțel inox.
6. Protecția motoarelor trifazice prin monitorizarea temperaturii înfășurărilor. Termistoarele EPCOS (conforme DIN 44081, DIN 44082) sunt legate în serie la un circuit Siemens special de sesizare a creșterii rezistenței.
7. Protecția semiconductoarelor de putere cu PTC care sesizează temperatura.
8. Datorită caracteristicilor R/T termistoarele PTC sunt ideale pentru a fi utilizate ca elemente de încălzire.
Dimensionarea se face știind că puterea electrică absorbită este egală cu puterea termală disipată.
Rth – rezistența termală în K/W
Tsurf, PTC – temperatura suprafeței PTC
TA – temperatura ambiantă.
• Curent – Hold (Ih) (Max): 8mA ~ 850mA
• Curent – Max: 100mA ~ 5.5A
• Curent – Trip (It): 17mA ~ 1.7A
• Capsulă: Radial, Disc
• Timp de acționare: 2s ~ 6s
• Tensiune- Max: 24V ~ 1000V
Termistoarele PTC de tip SMD au aceleași caracteristici ca și cele tip disc, dar dimensiuni mai mici (max. 3.2 × 2.5 × 1.6 mm – EIA case size 1210).
ECAS
ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor EPCOS:
Capacitoare aluminiu, Capacitoare film, Capacitoare de putere, Ferite, Filtre absorbante de curenţi mari, Inductoare, Supresoare ceramice pentru tensiuni tranzitorii, Termistoare NTC, Termistoare PTC, Transformatoare, Varistoare.
www.epcos.com
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro