La protection de nœud de commutation d'alimentation

Понадобился мне для трансивера IC-751A блок питания, который при напряжении 13,8В обеспечивал бы ток порядка 15 – 20А. Так ко мне в «пациенты» благодаря Виталию Холостякову UR4QTP попал импульсный блок питания (ИБП) РС АТХ TARGA PТ-400СF с заявленной мощностью в 400Вт. Блок построен на аналоге популярного контроллера ШИМ TL494, а именно КА7500, и супервизоре питания LP7510.

О модернизации и регулировании напряжения ИБП достаточно много и подробно написано на множестве форумов в Интернете. Поэтому вопросов здесь особых не возникло, и достаточно быстро от блока было получено желаемое количество вольт. А вот с перестройкой узла защиты возникли проблемы. Супервизор LP7510 при повышенном выходном напряжении не желал нормально работать, что приводило к нестабильному запуску блока даже без внешней нагрузки. «Обман» супервизор с помощью делителя напряжения вернул стабильный запуск с нагрузкой и без нее, но защита от превышения напряжения на выходе ИБП стала срабатывать при 16,8-17,2В, что при желаемом значении в 15В было явно много. В результате всех экспериментов ничего полезного не получилось, а LP7510 пал смертью храбрых. Поиски замены ему за вменяемые деньги ни к чему не привели, и, перечитав множество статей в Интернете, решил я собрать новый узел защиты на популярной микросхеме LM339. С помощью ее 4-х компараторов удалось получить следующий набор защит:

• защита от снижения выходного напряжения ниже 9,6В
• защита от повышения выходного напряжения выше 14,8В
• защита от перегрева радиаторов с силовыми транзисторами и сборкой диодов Шоттки выше температуры 65 – 70°С
• защита от перегрузки

Защита от снижения выходного напряжения ниже 9,6В выполнена на компараторе DA1.1. Напряжение с выхода бока питания попадает через делитель напряжения R4-R6 на инвертирующий вход компаратора. На не инвертирующий вход подается опорное напряжение 1,9В. Подходящего стабилитрона под руками не нашлось, поэтому использовал индикаторный красный светодиод. Конденсатор С5 обеспечивает задержку срабатывания защиты на время, достаточное для запуска блока питания.

Защита от повышения выходного напряжения выше 14,8В выполнена на компараторе DA1.2. Напряжение с выхода бока питания попадает через делитель напряжения R11 – R13 на не инвертирующий вход компаратора. На инвертирующий вход подается опорное напряжение 3,9В от стабилитрона D4. Резистор R10 обеспечивает необходимый режим работы стабилитрона. Задержки срабатывания этой защиты не предусмотрено.

Защита от перегрева радиаторов выполнена на компараторе DA1.3. В качестве датчика температуры S1 используется 2 последовательно соединенных термостата типа KSD301-65 с температурой срабатывания 65°С и нормально замкнутыми контактами. При размыкании контактов хотя бы одного из термостатов напряжение на не инвертирующем входе компаратора благодаря цепочке R16 – LED3 станет около 2,5-2,7В, что, при опорном напряжении на инвертирующем входе 1,9В, приведет к остановке ИБП. Светодиод выведен на переднюю панель для контроля срабатывания этой защиты.

Защита от перегрузки выполнена на компараторе DA1.4. Величина потребляемого тока контролируется по ширине импульсов тока силовых транзисторов с помощью датчика тока Т1. Диоды Шоттки D6 – D8 выпрямляют напряжение с датчика. Конденсатор С9 обеспечивает некоторую задержку срабатывания защиты. Подстроечный резистор R20 позволяет плавно установить ток срабатывания защиты.

Диоды D1, D3, D5, D7 образуют схему «монтажного ИЛИ», что обеспечивает развязку каналов защиты друг от друга. Транзисторы VT1 – VT2 образуют схему «защелки» и обеспечивают удержание ИБП в отключенном состоянии при срабатывании хотя бы одного из каналов защиты. Светодиод LED2 красного цвета выведен на переднюю панель и сигнализирует об аварийной остановке ИБП. Диоды D2 обеспечивает удержание «защелки» во включенном состоянии.

Узел защиты питается напряжением +15В от источника питания дежурного режима через интегральный стабилизатор типа 7805. Мощность, которая выделяется при работе стабилизатора, составляет около 0,7Вт, поэтому его желательно установить на небольшой радиатор.

Датчик тока Т1 намотан на ферритовом кольце диаметром 10мм (я использовал ферритовое кольцо желтого цвета, снятое со старой материнской платы) проводом 0,25 – 0,33мм в эмалевой изоляции. Всего намотано 25 витков в 2 провода. Далее конец одного провода соединяется с началом другого, в результате получается средняя точка датчика.

Настройку узла защиты удобно выполнять отдельно по каждому каналу, для этого необходимо временно отключить один из выводов диода D2.

Настройка защиты от снижении выходного напряжения выполняется подстроечным резистором R4. Для этого на выходе блока питания устанавливается напряжение необходимой величины и вращением оси R4 добиваются срабатывания защиты. После этого подстроечный резистор заменяем постоянным с таким же сопротивлением. Далее возвращаем D2 на свое место и подбираем емкость конденсатора С5, начиная с меньшей, чем указано, величины, добиваясь устойчивого запуска ИБП с подключенной защитой без нагрузки.

Настройку защиты от превышения выходного напряжения начинаем с отключения одного из выводов диода D2. На выходе блока питания устанавливается напряжение необходимой величины и вращением оси R11 добиваются срабатывания защиты. После этого подстроечный резистор заменяем постоянным с таким же сопротивлением.

Канал защиты от перегрева настройки не требует. Достаточно проверить его работу, размыкая цепочку термостатов S1.

При установке термостатов желательно нанести тонкий слой теплопроводящей пасты на место будущей их установки. Это позволит немного увеличить скорость срабатывания защиты.

Настройку защиты от перегрузки начинают со снятия зависимости выходного напряжения датчика тока Т1 от тока нагрузки. Зависимость оказалась практически линейной, что позволило достаточно точно определить напряжение на выходе датчика при желаемой величине тока срабатывания. Я решил ограничиться величиной тока в 25А, а расчетное напряжение в моем случае оказалось 10,65В. Впоследствии эту величину пришлось уточнить – 10,58В. С лабораторного блока питания подается напряжение рассчитанной величины в точку соединения D6 – D8 – C8 – R17 и вращением оси подстроечного резистора R20 добиваются срабатывания защиты. Далее возвращаем на место диод D2 и ИБП нагружается номинальной нагрузкой. Если при этом наблюдается срабатывание защиты от перегрузки то можно в небольших пределах изменить положение оси подстроечного резистора R20 в сторону вывода, соединенного с общим проводом. Но увлекаться этим нельзя, так как это приведет к сильному загрублению защиты. В этом случае необходимо увеличить емкость конденсатора С9 до получения устойчивого запуска ИБП с подключенной нагрузкой номинальной величины.

После окончания настройки необходимо проверить подключенное состояние диода D2. Без него «защелка» не будет удерживаться во включенном состоянии.

Наличие 2-х светодиодов позволяет достаточно точно определить причину аварийной остановки ИБП и принять соответствующие меры.

Из-за того, что узел защиты питается от источника питания дежурного режима, он совершенно не зависит от наличия или отсутствия напряжения на выходе ИБП. Поэтому при аварийной остановке «защелка» VT1 – VT2 останется во включенном состоянии. Для ее сброса достаточно отключить питание всего ИБП и дождаться потухания «аварийных» светодиодов. Теперь можно повторить запуск блока питания.

Весь узел защиты собран на макетной плате подходящих размеров (примерно 50х50мм) и установлен вертикально у задней стенки родного металлического корпуса.