交流恒流源的6大保護(hù)技術(shù)分析
發(fā)布時(shí)間： 2016-10-13 14:36:53 關(guān)注量：1481
一、過(guò)電壓保護(hù)
開關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)電壓保護(hù)。開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓交流恒流源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過(guò)高,使開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過(guò)電壓保護(hù)電路。用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路。
在該電路中，當(dāng)輸入交流恒流源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過(guò)電阻R，使晶體管V導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開，切斷輸 入。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Vz=ESrmax－UBE。輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過(guò)電壓保護(hù)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過(guò)電壓保護(hù)電路。
輸出過(guò)電壓保護(hù)在開關(guān)交流恒流源中是至關(guān)重要的。特別對(duì)輸出為5V的開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō),它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器的 開關(guān)三極管突然損壞,輸出電位就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓交流恒流源的電壓值,瞬時(shí)造成很大的損失。常用的方法是晶閘管短路保護(hù)。比較簡(jiǎn)單的過(guò)電壓保護(hù)電路。
當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí),穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,把輸出端短路,造成過(guò)電流,通過(guò)保險(xiǎn)絲或電路保護(hù)器將輸入切斷,保護(hù)了負(fù)載。這種電路的響應(yīng)時(shí)間相 當(dāng)于晶閘管的開通時(shí)間，約為5～10μs。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性，型號(hào)相同但過(guò)電壓起 動(dòng)值卻各不相同，給調(diào)試帶來(lái)了困難。
輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘管就導(dǎo)通。基準(zhǔn)電壓Vz由式來(lái)確定，UBE1為V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓降。本電路的動(dòng)作電壓可 變，并且動(dòng)作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時(shí)，其溫度系數(shù)和晶體管V1的發(fā)射結(jié)（BE）電壓的溫度系數(shù)可以抵消，能使溫度系數(shù)降得很低。但是對(duì)于輸出為 5～5.5V的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，其常用的動(dòng)作電壓是5.5～6V。那么穩(wěn)壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管的溫度變化系數(shù)是 －20～－30mV/℃。因此,溫度變化大的場(chǎng)合保護(hù)電路還會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。采用集成電路電壓比較器來(lái)檢測(cè)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法，利 用比較器的輸出狀態(tài)的改變跟相應(yīng)的邏輯電路配合，構(gòu)成過(guò)電壓保護(hù)電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。
二、程序保護(hù)
開關(guān)交流恒流源的電路比較復(fù)雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關(guān)部分。開關(guān)晶體管則屬大功率，為保護(hù)開關(guān)晶體管在開啟或關(guān)斷電源時(shí)的安 全,必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機(jī)程序。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機(jī)瞬間, 濾波電容器會(huì)流過(guò)很大的浪涌電流,這個(gè)浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大的浪涌電流會(huì)使普通電源開關(guān)的觸點(diǎn)或繼電器的觸點(diǎn)熔化,并使輸入保險(xiǎn)絲熔 斷。另外,浪涌電流也會(huì)損害電容器,使之壽命縮短,過(guò)早損壞。為此,開機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻,通過(guò)這個(gè)限流電阻來(lái)對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消 耗過(guò)多的功率，以致影響開關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機(jī)暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接它,使交流恒流源直接對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器供電。這種電路稱之謂開關(guān)穩(wěn) 壓器的“軟啟動(dòng)”電路。
交流恒流源的控制電路中的邏輯組件或者運(yùn)算放大器需用輔助電源供電。為此,輔助電源必須先于開關(guān)電路工作。這可用開機(jī)程序控制電路來(lái)保證。一般的開機(jī)程 序是:輸入電源的極性鑒別,電壓保護(hù)→開機(jī)程序電路工作→輔助電源工作并通過(guò)限流電阻R對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電容器C充電→開關(guān)穩(wěn)壓器的調(diào)制電路工作，短路 限流電阻→開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作。
在開關(guān)交流恒流源中,剛開機(jī)時(shí),因?yàn)槠漭敵鲭娙萑萘看?充到額定輸出電壓值需要一定時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi),取樣放大器輸入低的輸出電壓采樣,根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán) 調(diào)節(jié)特性將迫使開關(guān)三極管的導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng),這樣一來(lái),開關(guān)三極管就會(huì)在這段期間內(nèi)趨于連續(xù)導(dǎo)通,而容易損壞。為此,要求在開機(jī)這一段時(shí)間內(nèi),開關(guān)調(diào)制電路 輸出給開關(guān)三極管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能保證開關(guān)三極管由截止逐漸趨于正常的開關(guān)狀態(tài)，故而要加設(shè)開機(jī)保護(hù)以配合軟啟動(dòng)。
三、過(guò)電流保護(hù)
當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過(guò)載或者控制電路失效等意外情況時(shí),會(huì)引起流過(guò)穩(wěn)壓器中開關(guān)三極管的電流過(guò)大，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒(méi)有過(guò)流保護(hù)裝置,大功率開 關(guān)三極管就有可能損壞。故而在開關(guān)穩(wěn)壓器中過(guò)電流保護(hù)是常用的。比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法是用保險(xiǎn)絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險(xiǎn)絲一般不能起到保護(hù)作用,常 用的是快速熔斷保險(xiǎn)絲。這種方法具有保護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn)，但是,需要根據(jù)具體開關(guān)三極管的安全工作區(qū)要求來(lái)選擇保險(xiǎn)絲的規(guī)格。這種過(guò)流保護(hù)措施的缺點(diǎn)是帶來(lái)經(jīng) 常更換保險(xiǎn)絲的不便。
在線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護(hù)和電流截止保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓器中均能應(yīng)用。但是,根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的特點(diǎn),這種保護(hù)電路的輸出不 能直接控制開關(guān)三極管,而必須使過(guò)電流保護(hù)的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令,去控制調(diào)制器以保護(hù)開關(guān)三極管。為了實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中, 這會(huì)影響電源的效率,因此多用于小功率開關(guān)穩(wěn)壓器的場(chǎng)合。而在大功率的開關(guān)交流恒流源中,考慮到功耗，應(yīng)盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過(guò)電流保護(hù)轉(zhuǎn) 換為過(guò)、欠電壓保護(hù)。
四、極性保護(hù)
交流恒流源的輸入一般都是未穩(wěn)壓交流恒流源。由于操作失誤或者意外情況會(huì)將其極性接錯(cuò),將損壞開關(guān)交流恒流源。極性保護(hù)的目的,就是使開關(guān)穩(wěn)壓器僅當(dāng)以正確 的極性接上未穩(wěn)壓交流恒流源時(shí)才能工作。利用單向?qū)ǖ钠骷梢詫?shí)現(xiàn)電源的極性保護(hù)。由于二極管D要流過(guò)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入總電流,因此這種電路應(yīng)用在小功率 的開關(guān)穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場(chǎng)合,則把極性保護(hù)電路作為程序保護(hù)中的一個(gè)環(huán)節(jié),可以省去極性保護(hù)所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方 便,便于識(shí)別極性正確與否,應(yīng)該接指示燈。
五、欠電壓保護(hù)
輸出電壓低于規(guī)定值時(shí)，反映了輸入交流恒流源、開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部或者輸出負(fù)載發(fā)生了異常。輸入交流恒流源電壓下降到規(guī)定值之下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓跌落，輸入電流增大，既危及開關(guān)三極管，也危及輸入電源。因此，要設(shè)欠電壓保護(hù)。
當(dāng)未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時(shí)，穩(wěn)壓管ZD擊穿，晶體管V導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，觸點(diǎn)吸合，開關(guān)穩(wěn)壓器加電。當(dāng)輸入低于所允許的最低電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管ZD不通，V截止，觸點(diǎn)跳開，開關(guān)穩(wěn)壓器不能工作。
開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部，由于控制電路失?；蛘唛_關(guān)三極管失效會(huì)使輸出電壓下降；負(fù)載發(fā)生短路也會(huì)使輸出電壓下降。特別在升壓型或反相升壓型的直流開關(guān)穩(wěn)壓器中欠 電壓的保護(hù)是跟過(guò)電流保護(hù)緊密相關(guān)的，因而更加重要。實(shí)現(xiàn)方法是在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器。
正常時(shí)，比較器沒(méi)有輸出，一旦電壓跌落在允許值之下比較器就翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)告警電路;同時(shí)反饋到開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路，使開關(guān)三極管截止或切斷輸入電源。
六、過(guò)熱保護(hù)
開關(guān)交流恒流源的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，電源裝置內(nèi)部的元器件對(duì)其工作環(huán)境溫度的要求也相應(yīng)提高。否則，會(huì)使電路性能變壞，元器件過(guò)早失效。因此在大功率開關(guān)穩(wěn)壓器中應(yīng)該設(shè)過(guò)熱保護(hù)。
采用溫度繼電器來(lái)檢測(cè)電源裝置內(nèi)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)熱時(shí)，溫度繼電器就動(dòng)作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的過(guò)熱保護(hù)。亦可將 溫度繼電器置于開關(guān)三極管的附近，一般大功率管允許的最高管殼溫度是75℃，調(diào)節(jié)溫度整定值為60℃。當(dāng)管殼溫度超過(guò)允許值后繼電器就切斷電器，對(duì)開關(guān)管 進(jìn)行保護(hù)。
半導(dǎo)體熱敏開關(guān)器件“熱晶閘管”在超溫保護(hù)方面有重要作用。它可以用作溫度指示電路。根據(jù)p型控制柵熱晶閘管(TT102)的特性，由RT〔見圖 8(a)〕值確定該器件的導(dǎo)通溫度，RT越大，導(dǎo)通溫度越低。當(dāng)將其放置功率開關(guān)三極管附近，或在電源裝置內(nèi)時(shí)，它就能起到溫度指示作用。當(dāng)功率管的管殼 溫度或者裝置內(nèi)部的溫度超過(guò)允許值時(shí)，熱晶閘管就導(dǎo)通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。
倘若配合光電耦合器，就可使整機(jī)告警電路動(dòng)作，保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器。它亦可以象圖8(b)那樣用作功率晶體管的過(guò)熱保護(hù)，晶體開關(guān)管的基極電流被n控制柵型熱晶閘管TT201旁路，開關(guān)管截止，切斷集電極電流,防止過(guò)熱。
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