開(kāi)關(guān)電源安全保護電路剖析

對于開(kāi)關(guān)電源而言, 安全、可靠性歷來(lái)被視為重要的性能之一. 開(kāi)關(guān)電源在電氣技術(shù)指標滿(mǎn)足電子設備正常使用要求的條件下, 還要滿(mǎn)足外界或自身電路或負載電路出現故障的情況下也能安全可靠地工作. 為此, 須有多種保護措施. 對保護電路的特點(diǎn)分析, 對存在不足期待克服, 希望設計出更安全、更可靠的保護電路。

1 浪涌電流電路剖析

浪涌電流是由于電壓突變所引起. 如電子設備在第一次加電壓時(shí), 由于大容量電源電容器充電引起的涌入初始電流 開(kāi)機浪涌電流; 又如直擊雷、感應雷沿著(zhù)電源線(xiàn)進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源的突變電壓所產(chǎn)生瞬態(tài)電流雷浪涌電流. 浪涌電流上升時(shí)間非?？? 持續時(shí)間非常短, 破壞作用非常大. 為防止或減輕浪涌電流的破壞, 設置抑制浪涌電流或將浪涌電流轉移到地線(xiàn)等方式來(lái)保護開(kāi)關(guān)電源避免浪涌電流的損害。

1. 1 啟動(dòng)限流保護

開(kāi)關(guān)電源的初級整流電路有大容量濾波電容,開(kāi)機瞬間整流管向這些大電容充電, 使整流管瞬時(shí)電流超過(guò)額定值. 為減小開(kāi)機啟動(dòng)限流( 浪涌電流) ,開(kāi)關(guān)電源通常都設有抗沖擊電路. 如圖1 電路, 在開(kāi)機瞬間, 開(kāi)關(guān)電源變壓器的3、4 繞組電壓為0V, VD5截止, 晶閘管VD6 的G、K 極間電壓為0V, VD6 截止.充電電流路徑: AC220V→VD1- 4 正極→大電容C1→地→R2→VD1- 4 負極. 由于R2 有阻礙大電流作用( 一般設為3. 3Ω) , 因此能有效限制開(kāi)機浪涌電流。

開(kāi)關(guān)電源正常工作后, 開(kāi)關(guān)電源變壓器的1、2繞組上產(chǎn)生感應電壓, 對C2 充電( 充電時(shí)間常數約等于R3×C2) , 使VD6 導通, 整流電流不再經(jīng)R2, 而是經(jīng)VD6 的A、K 極返回整流橋VD1- 4 的負極. 也就是說(shuō), 在正常工作狀態(tài), VD6 將R2 短路, 防止R2產(chǎn)生功耗.R2 僅在開(kāi)機瞬間起作用。

用晶閘管作啟動(dòng)限流保護安全可靠, 但電路比較復雜些, 從電路成本和電路簡(jiǎn)捷等角度來(lái)說(shuō)用溫控電阻作啟動(dòng)限流保護, 它既經(jīng)濟又簡(jiǎn)單更安全可靠, 如圖3。

1. 2 雷浪涌電流保護

電網(wǎng)輸電線(xiàn)受到雷擊或感應雷時(shí), 輸電線(xiàn)中的感應突變電壓會(huì )產(chǎn)生浪涌電流. 為防范雷浪涌電壓和電流沖擊, 常在電源的輸入端并聯(lián)一個(gè)或幾個(gè)壓敏電阻來(lái)釋放雷浪涌電流的沖擊. 圖2 電路是用壓敏電阻來(lái)防范雷浪涌電流, 壓敏電阻Rv 常狀態(tài)下呈高阻抗( 近似開(kāi)路) , 當電網(wǎng)輸電線(xiàn)遇到雷擊或感應雷, 壓敏電阻Rv 兩端瞬間超過(guò)它的啟動(dòng)電壓, 它將立即由高阻抗變?yōu)榈妥杩? 近似短路) , 使雷浪涌電流釋放, 同時(shí)交流保險絲F 熔斷, 起到防輸電線(xiàn)被雷擊或感應雷而損壞電子設備的目的。

1. 3 實(shí)際電路分析及仿真測試

圖3 電路是一個(gè)典型的實(shí)際開(kāi)關(guān)電源部分電路

防雷單元: 當有雷擊, 產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導入電源時(shí), 由Rv1、Rv2、Rv3、F1、F2、F3 和FDG 組成的電路進(jìn)行保護. 當加在壓敏電阻兩端的電壓超過(guò)其工作電壓時(shí), 其阻值降低, 使高壓能量被壓敏電阻所消耗, 若電流過(guò)大, F1、F2、F3 會(huì )燒毀保護后級電路。

防開(kāi)機浪涌單元: 當電源開(kāi)啟瞬間, 要對C 充電, 由于瞬間電流大, 其能量全消耗在溫控電阻Rt上, 由于Rt 的特性是隨溫度上升電阻呈指數關(guān)系減小( Rt 為負溫系數元件) , 瞬間溫度升高后Rt 阻值減小( 呈低阻抗) , 這時(shí)它消耗的能量非常小, 后級電路可正常工作. 溫控電阻Rt 由高阻抗變?yōu)榈妥杩? 有效地防止浪涌電流。

模擬實(shí)驗: 用雷擊浪涌電流發(fā)生器模擬保護電路加入前后的實(shí)驗測試波形如圖4 和開(kāi)機浪涌電流測試波形如圖5. 模擬實(shí)驗表明, 浪涌電流的共同點(diǎn)是作用時(shí)間短( 幾至幾十納秒) , 沖擊電流大( 雷擊浪涌電流可達幾十至幾千安培, 開(kāi)機浪涌電流超過(guò)工作電流的數十倍以上) , 加入保護電路后尖峰被削去。

2 過(guò)流保護電路剖析

眾所周知, 當電源輸出端超過(guò)額定負載或短路或控制電路失去控制能力等意外情況時(shí), 會(huì )造成電子設備不能正常工作或對電子設備造成損壞等. 過(guò)流保護電路有斷路法、振蕩器調頻法。

2. 1 斷路法過(guò)流保護

防范電路中的電流過(guò)流, 最經(jīng)濟簡(jiǎn)便的方法是用保險絲. 保險絲熔斷保護分為交流保險和直流保險二類(lèi). 當負載電流發(fā)生意外其電流超過(guò)保險絲的熔斷值( 熔斷系數一般在1. 1~ 1. 5 之間) 時(shí), 保險絲熔斷, 達到過(guò)流保護目的. 但在開(kāi)機瞬間, 由于大電容的充電, 會(huì )產(chǎn)生很大的浪涌電流, 這個(gè)浪涌電流一般為正常輸入電流的數倍, 容易使保險絲熔斷, 而發(fā)生錯誤判斷, 這是它的主要缺陷。

2. 2 振蕩器調頻法過(guò)流保護

所謂調頻法就是通過(guò)檢測比較放大電路產(chǎn)生一個(gè)控制信號使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化, 使負載電壓降低, 從而達到負載電流減小目的. 通常過(guò)電流保護設定值為額定電流的110% ~ 130% , 能自動(dòng)恢復。

在互感器的耦合下, 若輸出端有過(guò)載或短路情況發(fā)生時(shí), 此時(shí)初級電流會(huì )很快的增加, 檢測電阻RS( 錳銅絲) 上的電壓VRS 就會(huì )增大. 在圖6( A) 此電壓VRS 超過(guò)V2 的B- E 導通電壓,V2 導通, 由于V2 集電極接的是振蕩電路的控制端, 使振蕩電路的振蕩減緩或停止振蕩. 在圖6( B)VRS 經(jīng)電壓比較器后輸出一個(gè)控制信號到振蕩電路, 調節振蕩頻率, 使輸出電壓降低, 減小負載電流, 達到保護的目的。

圖6( B) 與圖6(A) 的過(guò)流保護精度要高, 因( B) 電路設計了誤差比較和誤差放大電路。

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